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Teledyne e2v微处理器:⾼可靠性的差异

发布时间:2020-01-08 责任编辑:wenwei

【导读】今天让我们进⾏⼀场技术问答⽐赛。准备好了吗?你能在15秒内列举出关键⼤运算量系统(如飞⾏电⼦、宇航和国防系统)的最关键的需求吗?
 
你的回答是否包括这些答案:长寿命,可靠性,满⾜严苛环境的要求,扩展的⽣命周期......?
 
这是⼀个好的开始!
 
在超过35年⾥,Teledyne e2v⼀直成功地为世界上的飞⾏电⼦、宇航和国防的客户(包括空客、波⾳、NASA、ESA等)提供⼀代⼜⼀代的⾼可靠性微处理器。
 
在这篇⽂章⾥,我们⾸先会列出宇航和国防客户最关键的需求,然后详细阐述Teledyne e2v的微处理器是如何完美地满⾜这些⾼可靠性的需求,接着深⼊介绍这些⾼可靠性微处理器的质量认证。
 
扩展温度范围的电⽓产品和机械产品的完整性
 
与我们⽣活中常见的产品如汽车和⼿机不同,飞⾏电⼦、宇航和国防系统被设计为能⼯作在更极端的条件下。
 
很容易理解,扩展的温度范围是⾸要的要求。
 
在10000米/35000英尺⾼度巡航的飞机和在地球阴影下的卫星都暴露在远低于冰点的温度中。虽然电⼦系统被很好地保护,他们在这种超低温的条件下的⾏为必须能够被很好的预测。
 
另⼀⽅⾯,系统必须能在由⽬标应⽤特点决定的极热的条件下正常⼯作:其原因可能是受限的环境(⽐如板⼦的布局)、可靠性要求⽆风扇设计或确保系统在最坏条件下依然能⼯作。
 
http://www.kedouyl.com/art/artinfo/id/80037448
图 1: 飞⾏电⼦、宇航和国防的温度需求 vs ⼯业级
 
这种需求会影响电⼦器件的设计,从⽽兼容宽温度范围,如-55℃到125℃(有时叫做军级),如图1所⽰。
 
焊球
 
焊球也是航空、航天和国防客户的关键议题。在集成电路的封装中,焊球是器件底部的接触⽹络,⽤于焊接在印制电路板(PCB)上。
 
系统制造商多年来⼀直使⽤锡铅球(也叫作Sn-Pb),对此有丰富的经验。⼀直以来,铅被认为可以减弱锡须的形成,虽然其具体的机制⼀直⽆法知晓。为了与其他不含铅的焊球区分,这些含铅的焊球被标注为Tin-Lead或SnPb。
 
关于限制使⽤某些有害成分的指令(RoHS)限制在⼤多数消费类产品中使⽤铅,催⽣了锡银铜焊接⼯艺的应⽤,这种⼯艺也叫作⽆铅或RoHS。
 
多年来,电⼦元器件包括微处理器的制造商⼀直在同时推⼴含铅(Sn-Pb)和⽆铅(RoHS)的选项,但最近⼗年来,只推⼴RoHS选项成了⼀种趋势。
 
由于⽆铅产品的特性尚未被完全探明,在关键的领域⽐如航空、航天和国防的应⽤中,依然不流⾏使⽤⽆铅产品。由于客户需熟悉⽆铅的⼯艺,从含铅到⽆铅的转换也会增加产品周期。
 
http://www.kedouyl.com/art/artinfo/id/80037448
图 2:焊球
 
今天,在欧洲⽆铅的普及率⽐美国和亚太区⾼,但是距离100%还很遥远。在欧洲的飞⾏电⼦和国防系统中,⽆铅的使⽤率也没到100%。
 
在美国和亚洲的飞⾏电⼦和国防系统中,⽆铅器件的普及率要低得多。
 
因此,继续⽣产和测试含铅焊球的器件,依然有很⼤的市场需求。
 
长寿命
 
长寿命也是飞⾏电⼦、宇航和国防系统的⼀个关键点,或者是⼀个负担,或者两者兼有。
为什么?原因如下。
 
在飞⾏电⼦领域,⾦融投资对于制造关键安全性的系统⾮常重要。制造、验证并使系统通过航空局的认证耗时很长(5到10年)。因此,⼀旦系统经过认证,飞⾏电⼦制造商希望尽可能不进⾏任何改动地重⽤这个系统。
 
这意味着对电⼦元器件的采购⽽⾔,需在数⼗年内能采购到这些器件,以确保能够持续制造相同的经过验证的系统,⽽不进⾏任何改动。你会发现某些飞机已经很⽼了,但是依然满⾜安全性的要求。
 
TELEDYNE E2V⾼可靠性微处理器质量认证
 
Teledyne e2v已经⽣产⾼可靠性微处理器超过35年的时间,其关键的优点如下:
 
• 扩展温度范围: -55 到125℃
•提供⽆铅(RoHS)和含铅(SnPb)封装产品的质量保证
•长期供货 (超过15年).
• Teledyne e2v的产品⽀持延长的⾼可靠性质保
• ⽀持AS / EN / JIS Q 9100 (格⾥诺布尔, 法国)的航空认证
 
Teledyne e2v的⾼可靠性产品的质量保证包含四个主要的步骤。
 
让我们仔细看⼀下这些步骤。
 
⼀旦Teledyne e2v决定将⼀款新产品加⼊⾼可靠性微处理器的系列中,它将遵循下⾯的步骤评估和认证这⼀产品。
 
1. 产品转移
 
第⼀步的关键是保证可以扩展商⽤微处理器的温度范围。最重要的是,获得制造商的原始测试程序并使⽤相同的测试设备。这使得Teledyne e2v能保证在⾼可靠性的温度范围(-55/125℃)内正常⼯作,并和原始制造商有相同的测试范围和测试质量。
 
Teledyne e2v⼀直持续投资其测试设备以保证新旧NXP微处理器的⾼可靠性。图3表⽰多年来Teledyne e2v获取和使⽤的不同的测试设备,以保证长期供货并引⼊新的处理器技术。图中在测试设备的附近还标注了相关的处理器系列。
 
2. 特性描述
 
http://www.kedouyl.com/art/artinfo/id/80037448
图 3:测试设备
 
这个步骤的⽬标是确定关键参数(CPU频率、电压、功耗、SERDES和PLL等)在扩展温度范围-55到125℃是怎样的值。
 
- 在125℃时器件的功耗是多少?
- 在105℃以上或-55℃时PLL会锁定吗?
- 在125℃时器件能跑到最⼤的频率吗?
 
特性描述的步骤可回答这些问题,所有在扩展环境中的实际测试数据都会放在提供给⽤户的数据⼿册中。
 
同时,特性描述实际上使得Teledyne e2v可保证长期的供货,即使时间推移、⼯艺调整也能稳定制造产品和出货。
 
图4表明扩展温度范围(105℃到125℃)如何影响功耗。这些特性描述步骤得到的值会反映在产品的数据⼿册中。
 
http://www.kedouyl.com/art/artinfo/id/80037448
图4: 功耗 vs 温度
 
另⼀⽅⾯,下图表明在扩展温度范围⾥CPU频率随电源电压的变化。上⾯的曲线表明Vmin跨越了Vid最⼤值的最⼩规格,因此⽆法保证在扩展温度范围可实现1.8GHz的频率。因此,Teledyne e2v会按照1.6GHz的规格⽣产,因为这个频率能满⾜扩展温度范围的要求。
 
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图5: CPU频率 vs 电源电压
 
3. 去球/重植球
 
在这个阶段,Teledyne e2v复制产品的配置。
 
• 第⼀种是原始的配置,即⽆铅(RoHS)焊球。
• 第⼆种是含铅(SnPb)焊球。
 
这⼀流程可简单描述为移除焊球,然后使⽤另⼀种⾦属/合⾦植球。但是,实际上这⾮常的复杂,带给客户的价值也⾮常⼤。⾸先,某些处理器可能包含接近2000个焊球,更重要的是,Teledyne e2v完全保证去球和重植球后器件的机械和电⽓完整性。
 
客户如果⾃⼰去球/重植球,会丢失原始制造商的产品质保。
 
我们在进⾏下⾯的实例分析之后,再来看这⼀点。
 
4. 质量保证
 
这个步骤是通过加速⽼化的实验,确保产品全⽣命周期的可靠性。
 
图6表明Teledyne e2v遵循的所有关于⾼可靠性微处理器的质量流程。完整的产品质量流程⼀般会持续4到6个⽉。⼀共有7个连续的步骤,包含4个主要的活动:
 
• 声学显微镜, ⽤于T0时检查器件的组装。它也被⽤于其他质量步骤之后以检查器件的完整性。
• MSL(湿度敏感度等级测试),实际上是模拟三种器件的回流焊。
• 在-55℃、25℃和125℃下的电⽓参数测试,以确保器件的性能,并确定器件⽼化时性能将如何变化。
• 可靠性测试,包含湿度测试和温度循环,也为了监控器件⽼化时的⾏为。
 
通常,⼚家会对所有的产品选项做产品质量测试,包括⽆铅版本和有铅版本(去球并重植球)。
 
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图6: Teledyne e2v质量流
 
如果产品通过了Teledyne e2v所有的质量和认证标准,它就可被视作质量合格。
 
实例分析 - 去球/重植球质量流程
 
让我们重点看⼀下声学显微镜检查的重要性。假设⼀款微处理器器件经过去球/重植球的操作之后变成了含铅(SnPb)的器件。
 
在产品质量测试的第⼀步,将对重新植球的含铅器件进⾏声学显微镜检查。
 
图7表明同⼀款微处理器产品,其中⼀⽚经过去球/重植球流程(选项A),⽽另⼀⽚经过不同的去球/重植球流程(选项B)。
 
http://www.kedouyl.com/art/artinfo/id/80037448
图7: 去球/重植球后的封装组装完整性检查
 
⼀旦Teledyne e2v的质量测试开始,将对产品A和产品B分别做声学显微镜检查。
 
• 选项A: 声学显微镜表明产品在去球/重植球的过程中损坏。缺少了⼀部分热较,⼀些聚合物球分层。
• 选项B: 结果良好。
 
结论:
 
- Teledyne e2v 会进⾏流程B。
- 由于流程A不满⾜Teledyne e2v的产品完整性要求,因此不会被使⽤。
 
 
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