李悰　许彦鑫　何宏平

【摘 要】进口塑封集成电路在军用电子设备中普遍使用，但由于采购渠道的限制，产品质量参差不齐，如何甄别有潜在风险的产品尤为重要。在本文中，我们报道了一起案例：通过补充筛选试验无法鉴别产品的潜在缺陷，但在进行破坏性物理分析时，通过X射线检查、金相显微和扫描电子显微检查发现引脚处键合点存在分层，分为上、下两层。进一步的我们通过电子能谱对分层的键合点和键合丝分别进行了成分分析，发现下层键合点材料成分为Au，而上层键合点和键合丝均为Cu。该案例可为同类产品的鉴别工作提供参考。

【关键词】筛选；破坏性物理分析；分层；键合点；键合丝

0 引言

电子元器件是电子设备最基本的组成单元，其可靠性水平直接影响到整机的可靠性水平[1-2]。当前军用电子设备中仍在不可避免地使用进口元器件，尤其是集成电路。以塑封电路为例，尽管其气密性不如陶瓷和金属封装，但其质量轻、体积小，工序简单，成本低，加之封装技术和材料的改进，在商业中仍占有绝对优势[2]。但由于采购渠道的限制，当前主要通过代理商订购工业级产品，因而可能遇到以下情形：器件来历不明、进口滞销品或残次品、更难以察觉的是生产商在国外的子公司生产或封装，部分产品工艺质量较差、监控不严[3-4]。因此，如何甄别出可用的元器件，对于保障产品的可靠性变得尤为重要。当前主要的措施是对产品进行补充筛选试验，剔除不合格产品。但仅通过筛选试验有时仍难以甄别出内部缺陷，进行破坏性物理分析（DPA）是另一重要的质量保证措施。

在本文中，我们便遇到了这样一起案例。我们首先对Micrel公司的塑封集成电路进行了补充筛选，试验项目包括：常温初测、温度循环、常温中测、老炼、常温终测、低温测试、高温测试、外观检查，试验结果显示均为合格。随后我们按GJB4027A要求抽取样品开展了DPA试验。在进行X射线检查时发现引脚处键合点存在疑似分层现象。随后又通过金相显微镜和扫描电子显微镜（SEM）确认了这一结果，键合点分为上下两层，两层之间界面清晰，且上层键合点与键合丝图像均匀、一致。进一步地，借助电子能谱（EDS）对键合点、键合丝的成分进行了分析，发现下层键合点材质为Au，而上层键合点和键合丝则由Cu构成。该案例可为同类电子产品的鉴别工作提供参考。

1 试验

1.1 补充筛选试验

对全部样品开展了如下补充筛选试验项：常温初测、温度循环（-55℃～125℃）、常温中测、老炼（125℃，48h，5V）、常温终测、低温测试（-40℃） 、高温测试（125℃）、外观检查（10倍放大镜）。

1.2 DPA试验

按照GJB4027A《军用电子元器件破坏性物理分析》的要求，从该批次抽取2只样品开展了以下项目的试验：外部目检、X射线检查、超声扫描检查，开封，内部目检，和扫描电子显微镜（SEM）检查。

2 结果与分析

2.1 补充筛选试验结果与分析

样品经1.1中试验后，外观及各项电讯指标均满足要求，试验结论为合格。

2.2 DPA试验结果与分析

2.2.1 外部目检

在立体显微镜下对样品外观进行检查，未发现不符合要求的外观及结构缺陷。

2.2.2 X射线检查

采用X光微焦点实时检查系统XD7500VR对样品进行了检查，图1为样品的俯视（Y方向）图。由图可见，器件各部分轮廓清晰，未见空洞、断裂等缺陷。图2为样品的侧视（Z方向）图，由图可以清晰的分辨出引脚处的键合丝a和键合点区域（如图中红色虚线框所示）。但仔细观察发现焊接点区域图像衬度不同，出现明显分层（图中标为b、c），且界面清晰。由于不同材料对X射线的穿透能力不一样，因而形成的图像的衬度也不同。图2中b、c处的分层说明键合点区域可能由不同材料构成。

2.2.3 超声扫描

利用SAM300系列声扫设备对样品进行检查，发现无明显空洞、裂纹等不符合要求的缺陷。

2.2.4 内部目检

样品研磨制样后，采用SZX系列立体显微镜和BX51金相显微镜对样品内部进行检查。图3为样品焊接区域的显微图像。其中白色虚线框为键合区，可以看出键合区出现明显的分层，分为上键合点b和下键合点c，且界面清晰，这与X射线观察得到的结果一致。但上层键合点b与键合丝a图像均匀，且无明显界面，说明键合丝和上层键合点可能为同种材料。

2.2.5 SEM与电子色散能谱（EDS）分析

为进一步对键合丝和上层键合点进行检查，并验证上面的猜测，我们利用SEM对该区域的断面进行了观察，结果如图4所示。由图可以看出，上键合点b与下键合点c界面清晰，而与键合丝a之间无分层界面，且二者图像均匀。这与前面X光检查和内部显微图像结果相吻合。进一步地利用EDS对键合丝和键合点区域（图4种虚线所围成的区域）材料进行成分分析，结果见图5。其中图5（a）为键合丝a的结果，由图可以清晰的观测到大量Cu的特征峰（图中的主峰），其质量百分比为94.06%。另外还观测到了键合丝表面吸附的少量的C（质量百分比5.94%），这表明了键合丝为Cu丝。对应的Cu和C的元素质量比例见表1。图5（b）为对上层键合点b分析的图像，其结果与图5（a）类似，含92.29%的Cu，这表明上层键合点和键合丝的主要成分均是Cu。图5（c）对应下层键合点的成分分析结果。由图可以看出，除了观察到C、Cu外，还观察到了大量的Au的特征峰，其质量分数占到了89.27%。这表明下层键合点与上层键合点不同，其主要成分是Au而不是Cu。Cu的存在可能是从上层键合点中的Cu扩散到了下层键合点，亦可能是Au中摻杂的Cu。另外还观测到了少量的N（3.17%）和W（0.18%），前者为样品吸附的N，W则来源于Au中掺杂的杂质元素。表1列出了a、b、c各区域的成分分析结果。前面X射线检查、金相显微图像和SEM图片均证明了键合点出现分层，结合EDS结果可以得出上、下层键合点分别为Cu、Au。本批次产品与该公司长期以来提供的产品不同——键合点不存在分层，键合丝与键合点均为同种材质。

3 结论

本文对进口塑封电路进行了补充筛选和DPA试验。筛选结果未发现存在不合格的电路。但在进行DPA试验时，X射线检查发现引脚处键合区域存在分层，进一步地通过金相显微镜和扫描电子显微镜确认了焊点分为上下两层，两层之间界面清晰，且上层键合点与键合丝图像均匀、一致。借助电子能谱仪对成分进行了分析，发现下层键合点材质为Au，而上层键合点和键合丝则由Cu构成。该案例可为同类电子产品的识别提供参考和借鉴。

【参考文献】

[1]王守国.电子元器件可靠性[M].北京：机械电子工业出版社，2014：1-9.

[2]付桂翠，陈颖，张素娟，高成，孙宇锋.电子元器件可靠性技术教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：43-45，126.

[3]单聪，田宝杰，张甲林.浅议装备元器件采购的管理工作[J].中国军转民，2015，2：59-60.

[4]聂国健，周军连，任艳.进口伪劣电子元器件的防范及应对措施[J].质量与可靠性，2011，4：44-48.

[责任编辑：田吉捷]