如同石油和钢铁是工业时代的“粮食”，芯片是信息化时代最重要的粮食，在人工智能、消费电子、通信产品和军用装备等领域都离不开芯片的使用。而近年来受到地缘政治的影响，较多进口关键芯片被停产和禁运，存储芯片作为芯片产业最重要的器件之一，国家层面高度重视该类器件的国产化。但目前国产存储器相比国外一流厂家存储器，在性能参数、可靠性和适应性等方面还存在不同程度的不足。本文通过抽取部分主流厂家研制的国产存储芯片，通过功能性能测试、结构分析、工艺试装性评价和环境适应性评价等方法评价国产存储芯片在用户使用过程中可能存在的风险，并提出了应对措施，为用户单位在选用国产存储器提供了一定的指导。本文抽取了16款国内主流研制单位生产的存储芯片开展试验，涵盖EEPROM、FLASH、SRAM、PROM和SDRAM5类芯片，芯片样本数量为10只。通过分析存储芯片的设计、结构和工艺特点，根据产品应用过程中通常关注的产品功能、性能和特性等，通常包括产品功能和性能参数、可靠性要求和工艺要求等，同时参考存储芯片在可靠性验证中的试验项目，制定了一套芯片级评价方法，具体评价方法如图1所示。主要依据产品详细规范或产品手册，开展存储芯片在三温（常温、温度使用上限和温度使用下限）的功能和参数测试，例如：产品的电源特性、电参数、数据读写功能和数据存储功能等特性。根据芯片规定的温度或电源电压使用范围，制定其关联参数的拟合范围、测试条件和采样间隔，记录芯片的主要电学参数随温度或电源电压而变化的测试数据。通过选取对器件工作影响较大的应力类型，如温度和电压等，激发芯片的潜在缺陷，测试产品在非正常工作状态下的主要参数表现，用于明确器件的使用应力边界条件。主要通过外观形貌、物理性能测试、解剖分析和材料分析等多种手段检查和识别元器件在设计、结构、材料和工艺等方面的缺陷和风险。主要验证元器件适应典型装联工艺的水平和能力，主要包括可焊性、共面性和引脚镀层耐溶蚀性等。
通过建立上述验证评价方法，对抽取的国产存储芯片进行试验，发现国产存储芯片存在一定可靠性问题，各种评价方法的典型试验结果如下。某型EEPROM存储芯片在其详细规范中规定的工作温度范围为-55~125℃，通过使用ATE测试机台ADV93000对器件在125、-55℃、常温下依据器件规范电特性表对器件功能和参数进行测试，发现该存储芯片在125℃时，其静态电流参数ICC1达到9.2μA，不符合详细规范电特性表中3μA的卡限值，其余参数未见超差，该器件在高温下使用可能会存在功能不良的风险。对所选取国产存储芯片进行关联曲线测试，获取关键参数随温度变化曲线和关联参数曲线，测试发现所选取的器件测试结果良好，关键参数在器件规范规定的条件范围内较为稳定，关键参数未见超差现象，某SDRAM器件典型测试结果如图2所示。
对所选取国产存储芯片进行工作温度极限试验和工作电压极限试验，以器件规范规定的边界条件为起始点，分别将工作温度和工作电压步进至超出规范边界条件，直到器件功能性能异常或超出规范规定条件的10%为止。试验结果发现所选取器件测试结果良好，关键性能参数可满足器件规范规定的工作电压和工作温度，且存在一定余量。某型SRAM采用CSOP封装，在对样品机械开封后，发现样品芯片表面存在多余物。通过扫描电子显微镜和能谱仪对异物的成分进行分析，发现其成分主要为碳、氧、硅、氮、铝和氯等元素，具体如图3所示。样品芯片表面存在多余物，可能会导致芯片在使用过程中出现短路、开路和腐蚀等问题，存在可靠性隐患，建议用户在来料检验时抽样进行DPA或结构分析，拦截此类风险。
某型EEPROM采用PSOP封装，在对产品结构分析时，利用声学扫描显微镜（C-Scan模式）检查发现产品存在大面积空洞，进一步通过切片和扫描电子显微镜观察，发现分层位置位于塑封料与引线架界面，测试结果如图4所示。分层界面为水汽或腐蚀性气氛渗透提供通道，存在器件在回流焊时产生“爆米花”效应或者造成腐蚀的风险，建议用户在使用该器件时应注意潮敏等级是否满足规范要求，并且确保运输和保管的环境符合潮敏管控要求。
某型SDRAM采用CSOP封装，在对产品进行工艺适装性检查时，发现样品共面度为0.112mm，参考相关标准QJ3086A中的要求，该类器件共面度应不超过0.1mm，试验结果如图5所示。元器件共面度不良会造成元器件在装联过程中出现焊接不良等工艺缺陷，影响电气连接，降低装联结构可靠性。用户在使用该类器件过程中，应注意对元器件可焊端的防护，必要时在装联工艺前进行引脚整形，改善元器件可焊端共面度。
总体而言，近年来国产存储芯片的制程水平在显著提高，但在可靠性方面，相比于国际先进水平仍然存在一定差距，并且大部分问题与器件的工艺和质量不稳定有关。本文通过验证试验发现的问题在一定程度上会影响存储芯片的使用，尤其是在要求长寿命、高可靠性的航天器和军用装备等特殊领域，用户针对国产器件建立科学有效的验证和评价方法，可以在器件使用前有效识别产品使用风险。本文设计了一套芯片验证试验方法，对国内主流厂家研制的存储芯片开展分析，识别了国产存储芯片存在的典型问题和使用风险，并针对这些问题提出了对应的用户使用建议，为用户选用国产存储芯片提供参考。
来源：原文刊载于《电子质量》2023年10月 作者：工业和信息化部电子第五研究所 朱伟欣 钟利英 曹浩龙 李义飞
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