集成電路雙面老煉方案分析

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摘要：動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)是元器件可靠性試驗(yàn)中極為重要的過(guò)程，通過(guò)老煉可以剔除早期失效元器件。本論文簡(jiǎn)單介紹了老煉試驗(yàn)的重要性、實(shí)現(xiàn)方式及特點(diǎn)，并結(jié)合提出了兩種雙面老煉板工藝效率改進(jìn)方案，均能在不增購(gòu)老煉設(shè)備的前提下將老煉效率提升80%以上，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了其可行性。

關(guān)鍵詞：雙面老煉板；效率提升；動(dòng)態(tài)老煉

引言

元器件可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力。元器件篩選是設(shè)法在一批元器件中通過(guò)檢驗(yàn)和試驗(yàn)剔除由于原材料、設(shè)備、工藝等方面潛在的不良因素所造成的有缺陷的元器件——早期失效元器件[1-3]。通過(guò)二次篩選進(jìn)行質(zhì)量控制是軍用元器件選用中一貫采用的方式，能夠有效地在源頭把關(guān)，提升產(chǎn)品的可靠性。[4~8]老煉試驗(yàn)屬于元器件篩選中的壽命篩選，通過(guò)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)元器件施加各種應(yīng)力后進(jìn)行篩選試驗(yàn)來(lái)考量元器件的可靠性，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是使元器件在一定環(huán)境溫度下工作一段時(shí)間。動(dòng)態(tài)老煉即模擬器件的使用狀態(tài)，真實(shí)地反映使用過(guò)程的實(shí)際情況，器件在工作中可能出現(xiàn)的大部分失效模式，在動(dòng)態(tài)老煉中均能真實(shí)反映。對(duì)于工藝制造過(guò)程中可能存在的一系列缺陷，如表面玷污、引線焊接不良、溝道漏電、硅片裂紋、氧化層缺陷、局部發(fā)熱點(diǎn)、補(bǔ)充擊穿等都有較好的篩選效果；對(duì)于無(wú)缺陷的元器件，老煉也可促使其電參數(shù)穩(wěn)定。因此，動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)是元器件篩選試驗(yàn)中極為重要的一步[9-12]。動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)具有試驗(yàn)周期長(zhǎng)，占用資源多的特點(diǎn)。因此動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)任務(wù)長(zhǎng)期存在忙時(shí)資源不足影響任務(wù)周期、閑時(shí)設(shè)備閑置的情況。

1動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方式

目前動(dòng)態(tài)老煉的主流方式是基于老煉設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，老煉設(shè)備一般由溫度試驗(yàn)箱、電源、信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路及老煉板構(gòu)成。老煉箱提供試驗(yàn)所需的環(huán)境應(yīng)力條件；老煉板通過(guò)金手指插接到老煉箱的對(duì)應(yīng)插槽中，用于電信號(hào)的傳輸，根據(jù)器件要求通過(guò)軟件程序控制老煉板中的信號(hào)頻率、幅值等特征；被檢測(cè)器件置于老煉板上面的器件插座中。一般情況下，在老煉板上設(shè)計(jì)盡量多的老煉工位，能夠在一定范圍內(nèi)提升老煉效率[13,14]。動(dòng)態(tài)老煉主要用于數(shù)字器件，這種老煉方法是在被老煉器件的輸入端由脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使器件不停地處于翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，高溫動(dòng)態(tài)老煉的試驗(yàn)條件一般是在最高額定工作溫度和最高額定工作電壓下老煉168h~240h。

2雙面老煉工藝方案

2.1動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)面臨的問(wèn)題

對(duì)于動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)，由于試驗(yàn)周期長(zhǎng)，老煉設(shè)備數(shù)量直接影響到產(chǎn)能。增購(gòu)設(shè)備雖然能夠在短期滿足任務(wù)需求，但是會(huì)帶來(lái)占用空間大、投入產(chǎn)出比低、設(shè)備利用率不足等問(wèn)題。

2.2雙面老煉板方案的研究

考慮到動(dòng)態(tài)老煉的試驗(yàn)要求以及試驗(yàn)任務(wù)量集中分布的特點(diǎn)，對(duì)老煉試驗(yàn)箱和老煉板、器件插座等工藝裝備進(jìn)行考察和評(píng)估，綜合對(duì)空間散熱等因素影響的評(píng)估，提出了雙面老煉的工藝方案，即在老煉板的正、反兩面均設(shè)計(jì)老煉插座，以達(dá)到老煉效率成倍增長(zhǎng)的目的。具體實(shí)現(xiàn)方式有兩種工藝技術(shù)方案，一種是采用定制的表貼插座，另一種是通過(guò)可靠的連接件將兩塊PCB板固定在一起。（1）采用定制的表貼插座通用插座均為直插封裝，僅能進(jìn)行單面設(shè)計(jì)，目前主流的老煉板均為單面設(shè)計(jì)，如下圖1所示。定制成對(duì)鏡像設(shè)計(jì)的表貼插座，采用緊固螺絲進(jìn)行固定，老煉板層數(shù)翻倍，即可設(shè)計(jì)成雙面老煉模式的老煉板，如下圖2所示。采用這種方式能夠在不增加老煉設(shè)備的基礎(chǔ)上使原有的老煉效率提高80%～120%。采用螺絲分別固定插座的方式能夠更好地保證插座連接固定的可靠性，但是定制插座成本較高，每個(gè)插座成本大約是普通插座的3～4倍，整塊老煉板的價(jià)格是原老煉板的3～4倍。（2）通過(guò)連接件聯(lián)通兩塊PCB板另一種工藝技術(shù)方案是將兩塊PCB板背靠背連接起來(lái)。繪制兩塊PCB板，采用連接件進(jìn)行信號(hào)傳輸，通過(guò)緊固件可靠連接兩塊PCB板，也可以實(shí)現(xiàn)老煉板的雙面設(shè)計(jì)，如下圖3所示。采用這種方式能夠在不增加老煉設(shè)備的基礎(chǔ)上將原有的老煉效率提高80%以上，每塊雙面老煉的版成本是原老煉板成本的2倍左右。但是對(duì)緊固件、連接件的可靠性要求比較高，需要通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)踐來(lái)進(jìn)一步評(píng)估。

2.3實(shí)現(xiàn)效果

在驗(yàn)證性設(shè)計(jì)的集成電路雙面老煉板樣品試驗(yàn)中，選擇MAX233AEWP+進(jìn)行驗(yàn)證，原老煉板工位為150個(gè)，采用方案一設(shè)計(jì)的雙面老煉板的工位為300個(gè)，效率提升100%；采用方案二設(shè)計(jì)的雙面老煉板工位為280個(gè)，效率提升86.7%。老煉板的試驗(yàn)驗(yàn)證在動(dòng)態(tài)老煉設(shè)備COWWS12000平臺(tái)進(jìn)行，分別采用50只器件對(duì)兩種方案進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)GJB548B-2005方法1015.1以及Q/WE511-2015和Q/QJB103.1A～103.15A-2010對(duì)集成電路老煉條件的規(guī)定，按照器件手冊(cè)描述的器件使用電路，經(jīng)過(guò)老煉板給器件供5V電源，信號(hào)輸入端提供幅值為5V、頻率為0.5KHz的方波，經(jīng)過(guò)了10次、每次168小時(shí)、85℃的高溫動(dòng)態(tài)老煉試驗(yàn)，并持續(xù)采集記錄老煉箱中溫度信息及回檢信號(hào)，每2個(gè)小時(shí)用示波器監(jiān)測(cè)器件輸出信號(hào)，并在老煉完成后采用數(shù)字集成電路測(cè)試設(shè)備J750HD對(duì)器件進(jìn)行功能、參數(shù)測(cè)試，老煉前后測(cè)試結(jié)果基本穩(wěn)定，如下表1所示。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，老煉過(guò)程中信號(hào)回檢正常，老煉前后的測(cè)試數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，驗(yàn)證了雙面老煉板功能上的可行性。

3總結(jié)和展望

本論文提出了兩種雙面老煉板的工藝技術(shù)方案，均在不增加老煉設(shè)備的前提下大大提高了老煉效率，同時(shí)通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了其可行性及散熱需求，并初步提出了雙面老煉模式的老煉板在生產(chǎn)應(yīng)用中的管理方式。該方案可長(zhǎng)期應(yīng)用在將來(lái)的老煉板設(shè)計(jì)中，以提升實(shí)驗(yàn)室的生產(chǎn)能力，滿足高峰任務(wù)時(shí)的需求。

作者：羅晶 趙鵬 王坦 單位：航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心