Teledyne e2v微處理器：⾼可靠性的差異
發布時間：2020-01-08 責任編輯：wenwei
【導讀】今天讓我們進⾏⼀場技術問答⽐賽。準備好了嗎？你能在15秒內列舉出關鍵⼤運算量係統（如飛⾏電⼦、宇航和國防係統）的最關鍵的需求嗎？
你的回答是否包括這些答案：長壽命，可靠性，滿⾜嚴苛環境的要求，擴展的⽣命周期......？
這是⼀個好的開始！
在超過35年⾥，Teledyne e2v⼀直成功地為世界上的飛⾏電⼦、宇航和國防的客戶（包括空客、波⾳、NASA、ESA等）提供⼀代⼜⼀代的⾼可靠性微處理器。
在這篇⽂章⾥，我們⾸先會列出宇航和國防客戶最關鍵的需求，然後詳細闡述Teledyne e2v的微處理器是如何完美地滿⾜這些⾼可靠性的需求，接著深⼊介紹這些⾼可靠性微處理器的質量認證。
擴展溫度範圍的電⽓產品和機械產品的完整性
與我們⽣活中常見的產品如汽車和⼿機不同，飛⾏電⼦、宇航和國防係統被設計為能⼯作在更極端的條件下。
很容易理解，擴展的溫度範圍是⾸要的要求。
在10000米/35000英尺⾼度巡航的飛機和在地球陰影下的衛星都暴露在遠低於冰點的溫度中。雖然電⼦係統被很好地保護，他們在這種超低溫的條件下的⾏為必須能夠被很好的預測。
另⼀⽅⾯，係統必須能在由⽬標應⽤特點決定的極熱的條件下正常⼯作：其原因可能是受限的環境（⽐如板⼦的布局）、可靠性要求⽆風扇設計或確保係統在最壞條件下依然能⼯作。
圖 1: 飛⾏電⼦、宇航和國防的溫度需求 vs ⼯業級
這種需求會影響電⼦器件的設計，從⽽兼容寬溫度範圍，如-55℃到125℃（有時叫做軍級），如圖1所⽰。
焊球
焊球也是航空、航天和國防客戶的關鍵議題。在集成電路的封裝中，焊球是器件底部的接觸⽹絡，⽤於焊接在印製電路板(PCB)上。
係統製造商多年來⼀直使⽤錫鉛球（也叫作Sn-Pb)，對此有豐富的經驗。⼀直以來，鉛被認為可以減弱錫須的形成，雖然其具體的機製⼀直⽆法知曉。為了與其他不含鉛的焊球區分，這些含鉛的焊球被標注為Tin-Lead或SnPb。
關於限製使⽤某些有害成分的指令(RoHS)限製在⼤多數消費類產品中使⽤鉛，催⽣了錫銀銅焊接⼯藝的應⽤，這種⼯藝也叫作⽆鉛或RoHS。
多年來，電⼦元器件包括微處理器的製造商⼀直在同時推⼴含鉛(Sn-Pb)和⽆鉛(RoHS)的選項，但最近⼗年來，隻推⼴RoHS選項成了⼀種趨勢。
由於⽆鉛產品的特性尚未被完全探明，在關鍵的領域⽐如航空、航天和國防的應⽤中，依然不流⾏使⽤⽆鉛產品。由於客戶需熟悉⽆鉛的⼯藝，從含鉛到⽆鉛的轉換也會增加產品周期。
圖 2:焊球
今天，在歐洲⽆鉛的普及率⽐美國和亞太區⾼，但是距離100%還很遙遠。在歐洲的飛⾏電⼦和國防係統中，⽆鉛的使⽤率也沒到100%。
在美國和亞洲的飛⾏電⼦和國防係統中，⽆鉛器件的普及率要低得多。
因此，繼續⽣產和測試含鉛焊球的器件，依然有很⼤的市場需求。
長壽命
長壽命也是飛⾏電⼦、宇航和國防係統的⼀個關鍵點，或者是⼀個負擔，或者兩者兼有。
為什麼？原因如下。
在飛⾏電⼦領域，⾦融投資對於製造關鍵安全性的係統⾮常重要。製造、驗證並使係統通過航空局的認證耗時很長（5到10年）。因此，⼀旦係統經過認證，飛⾏電⼦製造商希望盡可能不進⾏任何改動地重⽤這個係統。
這意味著對電⼦元器件的采購⽽⾔，需在數⼗年內能采購到這些器件，以確保能夠持續製造相同的經過驗證的係統，⽽不進⾏任何改動。你會發現某些飛機已經很⽼了，但是依然滿⾜安全性的要求。
TELEDYNE E2V⾼可靠性微處理器質量認證
Teledyne e2v已經⽣產⾼可靠性微處理器超過35年的時間，其關鍵的優點如下：
• 擴展溫度範圍: -55 到125℃
•提供⽆鉛(RoHS)和含鉛(SnPb)封裝產品的質量保證
•長期供貨 (超過15年).
• Teledyne e2v的產品⽀持延長的⾼可靠性質保
• ⽀持AS / EN / JIS Q 9100 (格⾥諾布爾, 法國)的航空認證
Teledyne e2v的⾼可靠性產品的質量保證包含四個主要的步驟。
讓我們仔細看⼀下這些步驟。
⼀旦Teledyne e2v決定將⼀款新產品加⼊⾼可靠性微處理器的係列中，它將遵循下⾯的步驟評估和認證這⼀產品。
1. 產品轉移
第⼀步的關鍵是保證可以擴展商⽤微處理器的溫度範圍。最重要的是，獲得製造商的原始測試程序並使⽤相同的測試設備。這使得Teledyne e2v能保證在⾼可靠性的溫度範圍(-55/125℃)內正常⼯作，並和原始製造商有相同的測試範圍和測試質量。
Teledyne e2v⼀直持續投資其測試設備以保證新舊NXP微處理器的⾼可靠性。圖3表⽰多年來Teledyne e2v獲取和使⽤的不同的測試設備，以保證長期供貨並引⼊新的處理器技術。圖中在測試設備的附近還標注了相關的處理器係列。
2. 特性描述
圖 3:測試設備
這個步驟的⽬標是確定關鍵參數（CPU頻率、電壓、功耗、SERDES和PLL等）在擴展溫度範圍-55到125℃是怎樣的值。
- 在125℃時器件的功耗是多少？
- 在105℃以上或-55℃時PLL會鎖定嗎？
- 在125℃時器件能跑到最⼤的頻率嗎？
特性描述的步驟可回答這些問題，所有在擴展環境中的實際測試數據都會放在提供給⽤戶的數據⼿冊中。
同時，特性描述實際上使得Teledyne e2v可保證長期的供貨，即使時間推移、⼯藝調整也能穩定製造產品和出貨。
圖4表明擴展溫度範圍(105℃到125℃）如何影響功耗。這些特性描述步驟得到的值會反映在產品的數據⼿冊中。
圖4: 功耗 vs 溫度
另⼀⽅⾯，下圖表明在擴展溫度範圍⾥CPU頻率隨電源電壓的變化。上⾯的曲線表明Vmin跨越了Vid最⼤值的最⼩規格，因此⽆法保證在擴展溫度範圍可實現1.8GHz的頻率。因此，Teledyne e2v會按照1.6GHz的規格⽣產，因為這個頻率能滿⾜擴展溫度範圍的要求。
圖5: CPU頻率 vs 電源電壓
3. 去球/重植球
在這個階段，Teledyne e2v複製產品的配置。
• 第⼀種是原始的配置，即⽆鉛(RoHS)焊球。
• 第⼆種是含鉛(SnPb)焊球。
這⼀流程可簡單描述為移除焊球，然後使⽤另⼀種⾦屬/合⾦植球。但是，實際上這⾮常的複雜，帶給客戶的價值也⾮常⼤。⾸先，某些處理器可能包含接近2000個焊球，更重要的是，Teledyne e2v完全保證去球和重植球後器件的機械和電⽓完整性。
客戶如果⾃⼰去球/重植球，會丟失原始製造商的產品質保。
我們在進⾏下⾯的實例分析之後，再來看這⼀點。
4. 質量保證
這個步驟是通過加速⽼化的實驗，確保產品全⽣命周期的可靠性。
圖6表明Teledyne e2v遵循的所有關於⾼可靠性微處理器的質量流程。完整的產品質量流程⼀般會持續4到6個⽉。⼀共有7個連續的步驟，包含4個主要的活動：
• 聲學顯微鏡, ⽤於T0時檢查器件的組裝。它也被⽤於其他質量步驟之後以檢查器件的完整性。
• MSL(濕度敏感度等級測試），實際上是模擬三種器件的回流焊。
• 在-55℃、25℃和125℃下的電⽓參數測試，以確保器件的性能，並確定器件⽼化時性能將如何變化。
• 可靠性測試，包含濕度測試和溫度循環，也為了監控器件⽼化時的⾏為。
通常，⼚家會對所有的產品選項做產品質量測試，包括⽆鉛版本和有鉛版本（去球並重植球）。
圖6: Teledyne e2v質量流
如果產品通過了Teledyne e2v所有的質量和認證標準，它就可被視作質量合格。
實例分析 - 去球/重植球質量流程
讓我們重點看⼀下聲學顯微鏡檢查的重要性。假設⼀款微處理器器件經過去球/重植球的操作之後變成了含鉛(SnPb)的器件。
在產品質量測試的第⼀步，將對重新植球的含鉛器件進⾏聲學顯微鏡檢查。
圖7表明同⼀款微處理器產品，其中⼀⽚經過去球/重植球流程（選項A)，⽽另⼀⽚經過不同的去球/重植球流程(選項B)。
圖7: 去球/重植球後的封裝組裝完整性檢查
⼀旦Teledyne e2v的質量測試開始，將對產品A和產品B分別做聲學顯微鏡檢查。
• 選項A: 聲學顯微鏡表明產品在去球/重植球的過程中損壞。缺少了⼀部分熱較，⼀些聚合物球分層。
• 選項B: 結果良好。
結論:
- Teledyne e2v 會進⾏流程B。
- 由於流程A不滿⾜Teledyne e2v的產品完整性要求，因此不會被使⽤。
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