电子元器件生产厂家质量工艺控制存在的问题

牛姜枫

（北京京瀚禹电子工程技术有限公司，北京 100000）

在过去十几年，中国半导体发展突飞猛进，在国防、国民经济领域中广泛使用电子元器件，随着电子元器件国产化的比重越来越大，越来越多的“中国芯”被用在民用、军工领域。从民用的电子产品，到军用的武器装备，其性能主要依赖半导体电子元器件的质量，国产元器件的质量直接关系到国防和国民经济的安全，由于高速的发展带来质量的良莠不齐，给可靠性工作带来巨大挑战，也因为质量问题造成重大质量事故。通过可靠性筛选和DPA 工作，可以把一些问题提前暴露出来，剔除有缺陷的产品，减少上机之后的质量隐患，极大地提高了电子元器件的使用可靠性，同时也解决生产厂家质量工艺控制存在的问题。

筛选是是一种通过试验和检测剔除有缺陷的或不合格元器的方法，一般包括一次筛选和二次筛选，是一种可以增加产品使用稳定性的方法。通常因为生产工艺失控，或者制造原材料的缺陷，在制造过程中，使有些产品存在问题或缺陷，如果经过筛选及早清除这些问题或缺陷的产品，能够使产品的使用可靠性大大地提高[1]。电子元器件的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性。电子元器件的固有可靠性是产品固有属性，在设计、制造过程中所带来的，不能通过后期试验和检测来提高。但是元器件的使用可靠性可以通过相应的手段来提高，经过一系列的试验和检测手段来提高电子元器件的使用可靠性。

常见的筛选检测项目包括：外观检查、常温初测、高温贮存、温度循环、恒定加速度、PIND、常温中测、老炼、常温中测、低温测试、高温测试、细检漏、粗检漏、常温终测、外观复查。

破坏性物理分析，即DPA，是一种对电子元器件的潜在问题加以发现，并研究其成因和危害的方法。该方法由美国最先开始使用。它是在元器件制造过程中、上机前，在产品批中随机选择相应数量的电子元器件，并通过各种非破坏和破坏性试验的方式，检验元器件构造、材质、设计、制作工序的产品质量，能否达到所规定的可靠性条件。刨析元器件内部的材质、工艺等问题后，对元器件样品加以解剖，刨析其内在元素以及前后所进行一系列检验的全过程，用于判定是否存在批次产品质量问题，奠定工艺改进基础，以提高元器件质量，保障整个电子系统的可靠性。

筛选检测中发现的问题还是比较多的。以某电子元器件二次筛选知名可靠性检测机构数据为例，近三年（2019—2021 年），不合格数量为49.5 万只，不合格批次为2.4 万批。表1 为失效批次对比，从表1 可以看出，不合格数量和不合格批次较多。

表1 2019—2021 失效批次对比

外观检查发现的问题有：管脚弯曲、标示不清、划痕、尺寸超差、锈蚀、沾污、镀层缺陷、壳体缺损裂纹、绝缘子裂纹、焊料缺损、标志错误等。这些问题可能存在于生产厂家人员、原材料、生产方法、检验方法等环节[2]。

高温贮存、温度循环发现的问题有：塑封器件变形、塑封器件壳体裂纹缺损、金属表面变色、金属表面腐蚀等。可能存在于生产厂家设计、原材料、生产方法、检验方法等环节。

恒定加速度发现的问题：封装结构达不到要求。可能存在于生产厂家设计、原材料等环节。

PIND 发现的问题：气密封器件内部存在微小颗粒。可能存在于生产厂家人员、环境等环节。

老炼发现的问题：器件相当数量的早期失效情况、个别器件存在老炼后失效的情况。可能存在于生产厂家设计、人员、设备、环境等环节。

常温测试发现的问题：测试参数比较少，性能指标偏差大，和国外器件性能差距较大。可能存在于生产厂家设计、人员、原材料、生产方法、设备等环节。

高低温测试发现的问题：低温条件下器件不能工作，高低温条件下性能变差。可能存在于生产厂家设计、人员、原材料、生产方法、设备等环节。

检漏试验发现的问题：气密封器件存在密封不良，有漏率超差的情况出现。可能存在于生产厂家设计、原材料等环节。

DPA 失效数据也逐年增高，2019 年到2021 年不合格批次占比分别为6.97%、8.23%、7.93%，国产不合格批次占比分别为3.29%、3.26%、4.21%，主要集中在密封、内检、外检、X 射线、声扫、水汽。国产电子元器件翻新、假冒、以次充好的情况大量存在，塑封器件应用越来越多，但是塑封器件分层情况严重。

在70 余项通用国产元器件分析中，发现9 项器件存在问题，比例还是很大。主要为国产伪空包器件、外观结构问题等。国产元器件质量不稳定，批次一致性差，且生产单位的检测条件良莠不齐，检验标准各不相同，障覆盖率达不到100%。

（1）国产伪空包器件：与国产厂家确认，自主设计产品，且经过了鉴定。但是，存在供货周期长，生产成本高，产品批次质量一致性差的问题，故会使用国外晶片生产。从内部结构中能看到器件有美国半导体厂家标志，非国产器件。

（2）外观结构问题：器件焊盘变形，导致绝缘间距减小，导致绝缘性能下降；
焊盘腐蚀，导致焊接不良；
器件侧面塑封料存在空洞，存在吸潮导致参数漂移、爆米花效应等风险；
玻璃绝缘子存在裂纹，存在密封性隐患。

4.1 人员方面

随着半导体行业的发展，我国新增半导体企业越来越多。根据企查查数据的分析，2022 年中国共有半导体公司7 万多个。《中国集成电路产业人才白皮书（2019—2022 年版）》中表示，根据当前行业发展状态，至2022 年，全产业的人才需求将近80 万人，但是从现在行业内从业人数来看，只能满足40 万的人员，还缺少30 万人，只是集成电路一类的人才，如果加上功率器件、光电子器件等领域，缺口可达60 万左右，这一数量还会继续扩大。我国在半导体领域人才匮乏严重，严重影响了半导体行业的质量水平，没有充足和经验丰富的人员，影响到半导体产品的质量水平[3]。

操作人员应参加培训，通过考核持证上岗，掌握相关标准、规范和检验的基本原理，能熟练使用相关仪器设备，能对试验结果做出分析和判断。

4.2 设备方面

半导体分为设计、制造和封测三大核心产业，以及对应的原材料，以及制造、封装、测试环节所需的专业设备。

芯片设计软件都集中在欧美国家，国内厂家需要花费昂贵的费用，才可以使用国外软件的精简版本。没有好的设计，谈何质量。

晶圆的成分是硅，晶圆越薄，成本越低，但是工艺的要求就越高。晶圆生产过程中，使用的比较普遍的有光刻设备、刻蚀装置、离子注入机、电子扩散装置、氧化炉、抛光装置、清洗机等。国内不具备核心设备生产能力，只具备一部分设备生产能力，但是在质量方面和国外设备厂家相差巨大，自然而然的影响质量。

封测方面使用的设备大多为国外设备，半导体测试设备基本集中在国外，半导体测试设备技术难度大，主要由爱德万和泰瑞达两家垄断，价格昂贵，国产厂家配置的数量有限，不足以满足大规模生产测试需要。测试设备方面存在差距，设备能力、测试精度、频率范围和国外设备差距较大。

仪器设备有相应的管理方法，关键设备由专人操作和检查；
设备按计量计划进行计量检定，计量合格后粘贴合格标识并注明及有效期，需在设备有效期内使用，使用时做好使用台账，无法检定时由相应的比对报告等。仪器设备应符合生产和检验的要求。设备管理办法有效执行，有对应的设备档案、设备台账、仪器设备计量检定计划，设备维修记录，能清晰准确查询到设备的运行情况[4]。

4.3 原材料方面

半导体行业主材料为硅晶圆，硅晶圆的好坏直接决定了芯片的好坏。硅晶圆是制造技术门槛极高，高科技尖端产品，大多集中在国外。我国电子元器件生产厂家大多依赖进口，自主生产的很少。

由于国产厂家大部分从国外采购，供货渠道是否正规，有没有断供的风险，会不会出现混料等问题，国产厂家可以识别一些信息，但是无法识别的就有可能会发生问题。

对原材料生产实施一系列的质量控制，从原材料的选择与采买到进场储存，还包括原材料的周转输送，和进场的筛选与检测，并根据国家规范的要求执行，把控生产质量。对于生产过程中每步操作的原料或半成品，必须进行检测，确保符合相关规定，并设置有流转卡，对原材料做一定的识别与跟踪，对重要工艺可配备监测设备，监测制造过程。能够有效识别合格品与不合格品，不合格品有专用的容器储存，并有相应的不合格品标识，对不合格品登记、查询、处理。企业物料管理全面有效，可以溯源从入库到产品的全流程，质量问题可追溯。

4.4 试验方法方面

国内质量管理标准不统一，特别是军用器件，有企业标准、企军标、七专标准、GJB 标准、普军标准、军品标准等，相应的军用试验标准是沿用美军标的，项目和内容很多年没有更新过，对于一些新类型器件、新型号器件不能很好起到质量管控作用。产品详细规范也不一致，同样的器件，国外产品手册有直流参数、时间参数、动态参数等，国产手册要么只有直流参数，要么只有部分参数，参数数量比国外要少很多，性能指标比国外的低，参数数量和指标与国外的一致，但使用性能和稳定性不如国外器件。

建立统一的试验方法和管理方法，对每一类器件都有相同的试验方法和管理方法，并能很好的指导相应工作，无论生产厂家或者是配套单位，都能明确的知道怎么做如何做。每个作业都有作业指导书，每个操作都有操作规程，具体怎么作业、怎么操作，绝对不能出现操作标准不一的情况。工序技术参数的更改，需要进行专家论证审核批准后，才能变更内容。工艺文件的编制、评定和审批都有相应的流程和规定，保证所使用文件的正确性和统一性。技术文件和管理文件的撰写，评定和审核要有一定的制度和要求，确保所使用文档的正确性和统一性，工艺文件都应严格管理，发布、修改、执行都应受控并能追溯，现场能取得的文件都是效的，生产过程中的记录能及时填写并汇总上交[5]。

4.5 环境方面

拥有相应资质的生产厂家，环境方面都是达标的，通过相关机构审核和认可，满足生产的相关环境要求。对于没有相应资质的生产厂家，其生产环境存在不达标的情况，无法满足生产的环境要求。

生产现场环境方面的要求：温度、湿度、光线、防静电等符合相关要求；
有安全环保设备和措施，符合职工健康安全法律法规要求；
现场执行6S 要求，物品摆放合理，布局科学，无与生产无关的杂物；
有相应的温度、湿度、光线、防静电监测设施及方法，对应的措施能及时纠正偏差。

4.6 检验方面

生产厂家的检验方案是经过内部评审通过的，但是评审委员会的专业程度是否满足要求，评审方案是否合适，是否满足要求，不同厂家的方案可能不一样，则会导致不同厂家的产品存在不同。

选择使用能满足准确度和精度的测量设备；
定期对设备进行确认、校准，规定相应的确认和校准方法规程，保存相关记录；
发现设备处于非标准状态时，立即排查，对之前测量和试验结果的有效性进行分析评定，并记入相关文件；
检验有相应的检验规程和作业指导书，相应的检验方案经过评审固化，通过后发布执行。

一方面需要生产厂家方面加强工艺和质量控制，从人员、设备、原材料、方法、环境、检验方法6 个方面加强管控，通过一系列方法和手段，通过控制工艺，提高元器件的固有质量；
另一方面需要筛选方面做把关，把元器件的使用可靠性提高，把使用质量不过关的器件筛选出去；
通过双方共同努力，为元器件的可靠性做保障工作。

国产电子元器件应用越来越多，产业链也逐步完善，在工业和国防应用中，比重越来越重，自然而然的对质量要求也越来越高，就需要相关生产厂家和配套单位共同努力做好质量保障工作。随着技术的不断提高，人员能力的提高，生产厂家的质量控制越来越好，国产电子元器件质量会越来越好。