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汽车级电子元器件装备应用的可靠性

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【摘要】武器装备使用的电子元器件必须在质量与成本之间寻求平衡。军品级元器件可靠性最高,但是价格昂贵,并且进口器件供货困难。工业级元器件价格较低,但是可靠性不高,工作环境低于军品级元器件的要求。汽车级电子元器件具有完善的产品规范和质量保证要求,具有与军品级元器件类似的工作环境,与工业级元器件接近的供货价格,因此在高可靠装备领域具有巨大的应用前景。积极探索汽车级元器件在武器装备应用的途径,对于减低装备研制成本,提高产品质量具有积极的意义。

【关键词】汽车级电子元器件;武器装备;可靠性

1.引言

电子元器件是武器装备的重要基础,如何在保证质量与可靠性的前提下,从元器件选用控制方面降低产品的研制成本,是武器装备发展的迫切需求。基于武器装备低成本和小型化的要求,以及国外高等级器件可获得性差等现状,我国军工武器系统各型号不可避免使用进口工业级器件。国内军工用户一般只能通过代理商或贸易商进行采购,无法要求代理商或贸易商提供可靠性试验报告或数据,也很难在有限的样品里进行真实可信可靠性验证试验和质量评价;同时工业级器件更新换代较快,也给型号带来比较大的风险。相比之下,汽车级元器件有与军品级类似的环境要求、产品规范和质量保证,同时又有与工业级接近的供货价格,在国防工业领域具有巨大的应用前景。近年来,无论是美国宇航局NASA的飞行任务,还是我国的武器装备,均在开展汽车级元器件高可靠领域应用的相关研究[1]。

2.进口工业级元器件的质量风险及控制

从全球电子元器件制造生产领域来看,根据应用条件的不同和可靠性指标的差异,可供选择的元器件主要包括军用电子元器件(经美国国防部MIL规范生产认证)、汽车级元器件(经汽车电子协会AEC认证)、商用元器件(包括工业级和商业级元器件)和医用元器件几大类。随着我国型号研制更新换代周期加快和内在成本化需求不断加强,传统的元器件选用已经不能满足日新月异的武器装备需求[2]。在这种环境下,由于进口工业级器件具有价格低廉、相对稳定的可靠性及可获得性好等优势,从而越来越多地被使用。目前,多数武器装备采用的进口工业级器件主要以塑封器件为主。与传统意义上的气密封装器件相比,塑封器件属于非密封器件,内部结构没有与外界环境完全隔离,易受外部环境影响,产生了新的质量风险。

2.1进口工业级器件质量风险

2.1.1环境应力耐受性风险进口工业级塑封器件是以树脂类聚合物为封装材料的非密封半导体器件。外界环境中的水汽可通过树脂本身的微孔或者从树脂与引线框架的界面处侵入而到达管芯,而这些水汽中同时存在着超过百余种可以影响模塑材料的气态污染物。塑封器件暴露在普通环境下24个小时左右就会达到内外水汽的“平衡”,在使用过程中,如果内部有较多水汽,当器件突遇高温(如焊接过程)或受到大的过电应力冲击时,塑封器件在短时间内会出现塑封体爆裂的情况,即所谓的“爆米花”效应。另外,渗透至管芯处的水汽,在特定条件下会导致铝金属化层腐蚀,随着水汽入侵到器件内部的空气污染物会加快金属表面的离子电迁移,导致金属腐蚀,或者催化引发柯肯德尔(KirKend-all)效应,造成键合失效,进而使器件参数退化或失效。如果塑封器件内部存在材料、界面的分层,上述失效风险将大大增加,并可能影响器件的使用寿命。2.1.2假冒翻新风险目前国内军工产品采购进口器件主要依赖代理商渠道,没有统一稳定的供货来源。由于进口工业级器件自身质量等级较低,供货渠道复杂,因此假冒翻新比例较高。从2007年开始,美国议会和国防部(DOD)的报告数次明确指出假冒翻新电子元器件被大量用在了关键的航天器和武器系统中[3]。国内方面的情况同样不容乐观,某些重点工程的产品使用的塑封器件假冒翻新比例高达30%。假冒翻新元器件质量难以保证,使用可靠性难以满足严苛的环境要求,其应用会带来诸多方面的可靠性问题。如何有效规避和防控假冒翻新元器件成为当前元器件可靠性领域关注的问题。

2.2国内外工业级器件质量控制现状对于进口工业级器件,国外已经逐渐建立起相对完善的质量控制体系。如美国的航空航天局NASA公布的《塑封微电路的选择筛选和鉴定》(PEM-INST-001),对塑封微电路的筛选(Screening)和鉴定(Qualification)流程进行了明确的规定。针对塑封器件对潮气敏感的特性,工业电子联合会(IPC)发布了《非密封固态表面贴装器件潮气/回流敏感度分级》(J-STD-020D.1),对非密封器件的潮气敏感等级(MSL)和回流焊操作流程进行了规定。针对塑封器件易出现分层缺陷的特点,IPC又发布了《非密封电子器件声学显微检测》(J-STD-035),对工业级器件的声学扫描显微镜检测方法进行了详细规定。针对应用在高可靠性领域的工业级器件,美国机动车工程师协会(SAE)发布了航空标准《假冒翻新电子器件的规避、检测、防控和处理》(AS5553)。和国外相比,我国虽然建立了一套国军标电子元器件体系,但是在进口工业级器件,尤其是塑封器件的的质量控制方面标准规范还不够完善。现行的军用标准中,GJB7400-2011规定了N级塑封器件的质量保证要求,但是实际可供选购的N级器件十分有限。GJB4027A-2006规定了塑封半导体集成电路的DPA流程。我国缺少塑封器件的潮气敏感度鉴定和使用规范,工业级器件的表面物理特征分析标准,以及声学扫描显微镜筛选试验的具体流程和后处理参数规定。目前,涉及到塑封器件相关筛选或鉴定试验时,国内各可靠性结构大多采取参考PEM-INST-001和JEDEC相关标准执行,许多设计师甚至忽视了塑封器件的MSL等级。

3.工业、汽车、军品电子元器件体系对比

3.1元器件质量保证体系

3.1.1工业级元器件工业级元器件是制造商按照自己的方法生产,满足一般工业使用环境或特定行业要求的产品,包括汽车工业级器件、电信工业级器件、机车工业级器件等,其使用的技术规范较多,但没有相对公认的统一技术规范或标准。另外,商用器件更新换代速度快,产品周期短,难以适应军用/航天领域长期供货、周期性采购的特点。

3.1.2军品级元器件军品级元器件指制造商在军用部门认证的生产线上严格按照相关军用标准规范生产制造、选择、测试和鉴定,满足军用环境使用要求的产品。军品生产一般在通过认证的军标生产线进行,如美国国防后勤局(DLA)认证的QML生产线,中国军用电子元器件质量认证委员会认证的QPL生产线。可靠性标准多按照美军标执行,主要以MIL-STD-883为主,根据军品级别不同分别开展不同的筛选试验、测试、破坏性物理分析、例行试验等。军品级元器件种类繁多,但由于军品量少、要求高、认证困难,导致很多电子元器件生产厂家不再生产军用器件或逐步退出军品生产,如飞思卡尔(前摩托罗拉)已不再生产军品。根据2016年的统计数据,美国DLA认证的QML制造厂有74家(41家符合MIL-PRF-38534规范,33家符合MIL-PRF-38535规范),但是封装机构(Assem-blyFacilities)只有7家。

3.1.3汽车级元器件汽车级元器件是制造商在经过汽车行业质量认证的生产线上按照自己的方法生产,并经过相应汽车行业标准筛选、测试和鉴定的,满足汽车使用环境要求的产品。汽车级元器件质量体系一般为ISO/TS16949质量体系。可靠性标准主要为两个,一是美国汽车电子协会标准即AEC系列标准,一是国际标准化组织标准即ISO16750系列标准,其中AEC系列标准被广泛采用。AEC系列标准中,AEC-Q100《基于集成电路应力测试认证的失效机理》包括了邦定线应力试验、人体模式ESD试验、机械模式ESD试验、集成电路闩锁试验等12个试验方法,AEC-Q101《半导体分立器件应力测试的认证规范》包括了6个试验方法,AEC-Q200《无源器件应力测试认证规范》包括了7个试验方法,此外还有AEC-Q001《零件平均测试指导原则》、AEC-Q002《统计式良品率分析指导原则》、AEC-Q003《芯片产品的电性能表现特性指导原则》、AEC-Q004《零缺陷指导原则》等。AEC-Q100标准中指出:本标准目的是确定一种器件在应用中能够通过应力测试以及被认为能够提供某种级别的品质和可靠性,如果成功完成根据本文件各要点需要的测试结果,那么允许供应商声称他们的零件通过了AEC-Q100认证。与工业级器件和军品级器件相比,汽车电子元器件具备可观的出货量,优于商用器件的产品周期,具有独特的质量和成本优势。

3.2军品级、工业级和汽车级元器件标准规范对比情况工业级元器件无明确可靠性标准支持,一般只进行常规测试或三温测试;工业级元器件一般只保证较长的生命周期,但一般没有具体数据。汽车级元器件有明确的可靠性标准支持,要求进行100%测试和筛选、抽样鉴定(其内容相当于军品级产品的例行试验内容、DPA内容)、失效分析和快速归零,一般不提供报告,但可在网上查询其质量情况。军品级元器件按标准要求的方法组织生产,并按可靠性标准规定进行100%测试、100%筛选、例行试验、DPA和失效分析、归零,提供标准规定的各类报告。

4.汽车电子元器件的品种覆盖、质量控制和成本

4.1汽车级元器件品种覆盖情况汽车级元器件品种主要集中在传感器、微控制器、微处理器、驱动器、通信元件、电源供应器、被动电子组件、显示器等。按武器装备应用需求来说,FPGA、CPLD、DSP、存储器、各类电源器件、电阻器、电容器、电感、二三极管、光电耦合器、电连接器、继电器、功率器件、电池、总线等都有汽车级元器件,并且随着电动汽车逐步推广,汽车级元器件种类会越来越多,汽车级元器件的生产厂家包括NXP、Altera、AnalogDevices、Xilinx、TexasInstruments、Cypress等国际知名大公司。

4.2汽车级元器件质量控制方法汽车级元器件可靠性标准一般都规定进行一系列测试或筛选,测试一般从芯片制造开始到产品出厂,含加速应力测试、加速寿命模拟测试、封装组装整合测试、芯片晶圆可靠度测试、电气特性确认测试、瑕疵筛选监控测试、封装凹陷整合测试等,试验项目一般包括高低温工作、高低温储存、温度循环、温度步进、冰水冲击、盐雾、交变湿热、恒定湿热、防尘防水等。其测试和试验项目直接引用了美军标的相关条款,如水汽含量检测、恒定加速度等就直接引用MIL-STD-883标准的部分条款。测试和鉴定试验的核心就是为了应用,因此汽车级元器件的测试一般为Fail/Pass,即通过设置使用中遇到的各种故障触发条件进行测试,保证出厂的产品能可靠使用。汽车级元器件一般具有较高的可靠性,寿命保证一般至少15年。

4.3典型军品级、工业级、汽车级的成本对比汽车级元器件在标准规范和质量保证体系都要优于工业级元器件,同时由于出货量大,均摊成本低,实际采购价格仅略高于工业级器件。根据美国NASA在2014年公开的资料显示[4],美国本土部分典型的元器件种类成本如表2~表4所示。

5.结束语

汽车级元器件有完备的质量控制体系和产品检验规范,有满足军工产品要求的可靠性指标,有与工业级器件接近的价格,而且品种多样、供货有保证。深入研究汽车级电子元器件在高可靠领域的应用,对降低武器装备研制成本,提高产品质量都会产生积极的推动作用。

作者:李智;侯铁忠单位:中国航天科工集团第三研究院第三〇三研究所

汽车纵横杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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