深度解析军用电子元器件破坏性物理分析方法（GJB4027A-2006） - EDA365电子论坛网

破坏性物理分析（DPA），按照GJB4027A-2006中3.2条的定义是“DPA是为验证器件的设计、结构、材料和制造质量是否满足预定用途或有关规范要求，对器件样品进行解剖以及解剖前后进行一系列检验和分析的全过程”，GJB548B方法5009是“为了确定器件是否符合适用的设计和工艺要求，对其进行的解剖、试验以及检验”，MIL-STD-1580是“为了保证用在空间和运载火箭上所需的高质量的元器件，强制实行严格的过程控制，并引入了一个对已完成的元器件进行综合试验的程序，这个试验程序的主要内容是评估元器件批的质量。这个评估程序使基于从每个生产批中随机抽取的样品进行破坏性检验，用DPA去检验和验证元器件内部的设计、材料、结构和制造工艺。

从DPA引申的信息也可以用来：排除带明显缺陷或潜在缺陷元器件的安装；有助于排除呈现异常的元器件；有助于限定在设计、材料或工艺方面的改进变化；评估供应商产品的变化动向。通过DPA来确定该批产品是否有缺陷（不符合规定要求，会影响外形、装配、功能或工艺），是否有批次性缺陷或是否有可筛选缺陷。

20世纪70年代，美国航天、宇航领域首先在其所选用的器件中应用DPA技术，当时因为宇航型号的发射成功率较低，归咎原因主要是使用的元器件质量问题较多，这些质量问题仅靠筛选及常规试验不能完全解决，经过研究和大量试验，形成了DPA的初步分析方法并推广应用。该技术在1980年写进了美国军用标准（如MIL-STD-883C微电子器件试验方法标准）中。从此，DPA技术被应用到了美国军事电子装备的各个领域，并很快影响到了其他国家。1988年11月，欧空局（ESA,Eurpopean Space Agency）颁布了标准“欧空局空间系统的器件选择、采购和控制”，其中就列入了DPA要求，并明确规定“供应商确保器件在装入飞行硬件之前就已得到DPA合格的结论”，此后，欧洲空间元器件协作组织（ESCC，European Space Compoents Coordination）发布了关于外部目检、内部目检、X射线检查、SEM检查等DPA相关标准。

在20世纪90年代国内宇航型号也多次出现由于元器件本身质量问题导致整机失效的案例，严重影响到宇航型号任务的正常进行。1996年，宇航系统首次对执行飞行任务的宇航型号所用的半导体器件开展DPA，目的是验证已装机半导体器件的质量状况，对存在缺陷的器件采取针对性措施，保证整机的可靠性。1997年，国内宇航机构提出新研宇航型号应使用DPA合格器件的要求，并采用1997年颁布的QJ1906A-97《半导体器件破坏性物理分析（DPA）方法和程序》，使DPA的工作重点由已装机使用的元器件逐步过渡到未装机使用的元器件。国内从1997年首先在宇航领域推行，很快推广到了航空、电子行业。

目前元器件行业进行DPA主要依据GJB4027，该标准规定了军用电子元器件破坏性物理分析的通用方法，包括DPA程序的一般要求以及电子元器件DPA试验与分析的通用方法和缺陷判据。由于电子元器件门类繁多，DPA的详细要求差别较大，所以各门类的工作项目也各不相同。从GJB4027-2000中的 13大类37小类，发展到现行标准GJB4027A-2006的16大类49小类。经过10多年的发展，DPA技术得到了高速发展及广泛的应用，行业内有多家检测机构或生产厂家开展相关业务。

但由于DPA的工作项目属于标准化、流程化操作以及需要的硬件能力门槛较低，所以行业内的DPA水平参差不齐，尤其是对GJB4027A-2006标准的执行上更是如此。另外行业内出具的DPA报告内容也是详略各异，有的机构出具的报告中对于每项检验只给出结论，未给出每只样品的准确检验数据（如密封、键合强度、芯片剪切等）或是只给出一个数据范围，这对用户单位准确获得该批产品的质量信息难度较大，失去了做DPA的意义。如一批集成电路DPA中的键合强度（判据要求Au丝线径32μm，大于3.0gf），实际检验平均值在3.4gf，从目前的制造工艺可知，对于线径32μm的Au丝键合强度通常在6.0gf~9.0gf之间。虽然该项检验合格，但不代表没有可靠性隐患，满足军标只是产品质量的最低要求。如在报告中只体现合格与否的结论，而缺乏具体数据，那么产品是否存在隐患，是否需要工艺改进则不得而知，这也将对后续失效分析、质量归零造成了一定障碍。

进行DPA的样本数相对较少，通过从检验批中随机抽取的少量样品：一般元器件为母体数的2%或最多10个；结构复杂的元器件为1%或最多5个；昂贵的或一个批次数量很小的元器件数量可减少，后经有关机构批准实施。检验项目通常为（2~10项），主要确定被检验批产品是否符合适用的设计和工艺要求。

按GJB4027A-2006中4.2.7条DPA数据的记录要求至少包括：a)DPA方案概述；b) DPA报告摘要表；c）DPA项目结果汇总表；d) DPA试验记录表；e）有关照片；f）支持结论和其他数据和分析结果。其中DPA报告摘要表（图1所示）的结论为5个方面：合格、不合格、样品通过、可疑、其他。

但目前大多数单位的DPA检测未按GJB4027A-2006标准要求执行，如气密封单片集成电路（图2所示）DPA按照GJB4027A-2006工作项目1101的要求，规定了9项试验（表1所示）

但仅进行了其中的6项DPA项目（外部目检、PIND、密封、内部目检、键合强度、剪切强度），报告结论为“该批样品依据GJB 4027A-2006方法进行常规六项DPA试验，结果合格”。依据GJB 4027A-2006的规定，单片集成电路DPA试验应有9项。该单位只做了6项，没有做X射线检查、内部气体成份分析、扫描电子显微镜检查，不能说这批器件“DPA合格”。因为GJB 4027A-2006中没有“常规6项”这一说。即使9项都合格，也不能随便说“该批样品DPA试验结果合格”。还要看DPA试验中的批样品数、抽样方法等是否符合相关标准。行业内很多单位在执行DPA时均忽略了这一点，只要检测项目合格，不管项目是否做完整，或是抽样数不满足要求时，结论都出“合格”，这很大程度上违背了DPA的初衷。

因为针对单片集成电路，X射线检查对于发现盖板密封区域及芯片粘接区的缺陷相当重要，即使密封试验合格，但密封区域空洞超标（如图4所示），也会对产品可靠性产生隐患。

另外，密封试验在合格判据之内也不代表内部残余气体成份分析控制良好，因为氦质谱检漏对于水汽分子无法检测，同时小漏率造成水汽超标的例子比比皆是。同样，扫描电子显微镜对于芯片钝化层、金属化层比仅依靠金相显微镜检查的内部目检更易发现是否存在缺陷。那么，按照GJB 4027A-2006的相关规定，减少项目有以下两种情况：委托方要求或产品用户单位的证明材料，但都必须在报告中申明缺项原因，并明确指出DPA上缺哪几项。所以“某项产品的DPA合格”，一定是指该产品应做的各项DPA都合格，否则报告结论只能为“样品通过”。

DPA不合格有两种情况，一种是可筛选性缺陷，一种是不可筛选性缺陷。对于可筛选性缺陷，则不允许重新抽样进行DPA。因为DPA是通过对抽样器件进行物理层面的分析和检查来判别该生产批次的质量和可靠性的一种方法，DPA不合格意味着器件存在批次性质量问题，整个批次应作为报废或退货处理，不能重新抽样进行DPA。

在DPA实施过程中，经常会发现一些问题和异常现象，但这些异常现象很多时候标准中未涉及或未给出明确判据，在这种情况下，DPA结论是否合格成为一个难题。针对这类问题，核心的处理原则是全面分析问题或异常可能造成失效模式或危害，即可靠性隐患，针对可能存在的可靠性隐患进行针对性的可靠性评估，依据评估结果决定该批次器件是否可接受（即DPA是否合格）。此外，对不同情况下的缺陷特征进行提取识别和积累，对缺陷性质的判别也会很有帮助。

某厂单片集成电路进行DPA时发现一只样品芯片外键合点存在沾污及多余物（图5~图6所示），按GJB4027A-2006工作项目1101-2.7及GJB548B-2005方法2010-3.2.5进行检查。发现

多余物没有达到标准拒收条件，内部目检项目准备出具合格结论，但深入分析后发现问题严重。采用EDS对白色多余物进行成份分析（见图7所示），发现多余物是Al22O33、氯化物等。这是有害多余物，并且会生长的金属氧化物等。虽然GJB548B-2005方法2010可能没有

长“白毛”拒收这一条，但DPA里需要记录所发现的缺陷。造成这类失效的原因是引线键合指电镀层针孔较多，镀后清洗不彻底，留下较多氯离子（Cl—）。当器件密封性较差，或内部水汽控制不良，内腔有水汽。H2O、Cl—和Al其化学反应，最终形成H2和白色Al2O3。其化学反应式如下：

由上述各式可知，只要有足够H2O和Al，反应可以持续进行，因为Cl2是可以反复利用，直至H2O耗尽或Al局部耗尽，使Al引线断裂。所以对于非标缺陷，同样需要记录在案。

GJB 4027A-2006方法4.2.3中的“基本结构信息”即是GJB548B 方法5009（DPA）中的“结构基线”、“基线”（Baseline），它是指“当前有效的基本结构图，各组成部分的相对位置、关键尺寸及相应的材料和工艺”。这是GJB4027A-2006方法4.2.3中规定的在制定DPA方案时所必备的信息，可向元器件承制方索取。

基本结构信息是DPA的依据和检查内容之一：各组成部分的相对位置、关键尺寸及相应的材料和工艺是否改变了原设计。不知基线的内、外部目检是不完整的。