電子元器件的可靠性篩選

隨著工業(yè)、軍事和民用等部門對電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求日益提高，電子設(shè)備的可靠性問題受到了越來越廣泛的重視。對電子元器件進(jìn)行篩選是提高電子設(shè)備可靠性的最有效措施之一。可靠性篩選的目的是從一批元器件中選出高可靠的元器件，淘汰掉有潛在缺陷的產(chǎn)品。從廣義上來講，在元器件生產(chǎn)過程中各種工藝質(zhì)量檢驗以及半成品、成品的電參數(shù)測試都是篩選，而我們這里所講的是專門設(shè)計用于剔除早期失效元器件的可靠性篩選。理想的篩選希望剔除所有的劣品而不損傷優(yōu)品，但實際的篩選是不能完美無缺的，因為受篩選項目和條件的限制，有些劣品很可能漏過，而有些項目有一定的破壞性，有可能損傷優(yōu)品。但是，可以采用各種方法盡可能地達(dá)到理想狀態(tài)。

元器件是整機(jī)的基礎(chǔ)，它在制造過程中可能會由于本身固有的缺陷或制造工藝的控制不當(dāng)，在使用中形成與時間或應(yīng)力有關(guān)的失效。為了保證整批元器件的可靠性，滿足整機(jī)要求，必須把使用條件下可能出現(xiàn)初期失效的元器件剔除。

元器件的失效率隨時間變化的過程可以用類似“浴盆曲線”的失效率曲線來描述，早期失效率隨時間的增加而迅速下降，使用壽命期(或稱偶然失效期)內(nèi)失效率基本不變。篩選的過程就是促使元器件提前進(jìn)入失效率基本保持常數(shù)的使用壽命期，同時在此期間剔除失效的元器件。

事物的好與壞的判別必須要有標(biāo)準(zhǔn)去衡量。判斷元器件的失效與否是由失效判別標(biāo)準(zhǔn)一一失效判據(jù)所確定的。失效判據(jù)是質(zhì)量和可靠性的指標(biāo)，有時也有成本的內(nèi)涵，所以元器件失效不僅指功能的完全喪失，而且指電學(xué)特性或物理參數(shù)降低到不能滿足規(guī)定的要求。簡而言之，產(chǎn)品失去規(guī)定的功能稱為失效。

20世紀(jì)60年代以來，我國陸續(xù)制定、修訂了一系列標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)各種試驗方法，開拓了旨在研究失效機(jī)理的可靠性物理這門新的學(xué)科，發(fā)展了失效模式、影響及危害性分析和故障樹兩種有效的分析方法。這些方法的使用，為提高元器件篩選的有效性和準(zhǔn)確性提供了強(qiáng)大的理論工具。

失效一般分為現(xiàn)場失效和試驗失效。現(xiàn)場失效一般是在裝機(jī)以后出現(xiàn)的失效，因此，我們在元器件測試篩選過程中只考慮試驗失效。試驗失效主要是封裝失效和電性能失效。封裝失效主要依靠環(huán)境應(yīng)力篩選來檢測。所謂環(huán)境應(yīng)力篩選，即在篩選時選擇若干典型的環(huán)境因素，施加于產(chǎn)品的硬件上，使各種潛在的缺陷加速為早期故障，然后加以排除，使產(chǎn)品可靠性接近設(shè)計的固有可靠性水平，而不使產(chǎn)品受到疲勞損傷。在正常情況下是通過在檢測時施加一段時問的環(huán)境應(yīng)力后，對外觀的檢查(主要是鏡檢，根據(jù)元器件的質(zhì)量要求，采用放大10倍對元器件外觀進(jìn)行檢測;也可以根據(jù)需要安排紅外線及X射線檢查)，以及氣密性篩選來完成，當(dāng)有特殊需要時，可以增加一些DPA(破壞性物理分析)等特殊測試;這些篩選項目對電性能失效模式不會產(chǎn)生觸發(fā)效果。所以，一般將封裝失效的篩選放在前面，電性能失效的篩選放在后面。

電性能失效可以分為連結(jié)性失效、功能性失效和電參數(shù)失效。連結(jié)性失效指開路、短路以及電阻值大小的變化，這類失效在元器件失效中占有較大的比例。因為在元器件篩選測試過程中，由于過電應(yīng)力所引起的大多為連結(jié)性失效，同時，連結(jié)性失效可以引發(fā)功能性失效和電參數(shù)失效，但是功能性失效和電參數(shù)失效不會引發(fā)連結(jié)性失效。主要原因是，當(dāng)連結(jié)性失效模式被特定的篩選條件觸發(fā)時，往往出現(xiàn)的現(xiàn)象為元器件封裝涂覆發(fā)生銹蝕、外殼斷裂、引線熔斷、脫落或者與其他引線短路，主要表現(xiàn)為機(jī)械和熱應(yīng)力損傷，但是有時并不表現(xiàn)為連結(jié)性故障，而是反映為金屬疲勞、鍵合強(qiáng)度不夠等問題，這些本身不會引發(fā)連結(jié)性失效，但是會引發(fā)功能性失效和電參數(shù)失效，需要通過功能性和電參數(shù)監(jiān)測才能發(fā)現(xiàn)。但是，電路的功能性失效和電參數(shù)失效被特定的的篩選條件觸發(fā)時，出現(xiàn)的現(xiàn)象是某些特定的功能失效、電參數(shù)超差等。造成這些失效的主要原因在于：制造、設(shè)計中的缺陷以及生產(chǎn)工藝控制不嚴(yán)，使生產(chǎn)過程中各種生產(chǎn)要素如空氣潔凈度等級、超純水的質(zhì)量監(jiān)測、超純氣體和化學(xué)試劑達(dá)不到規(guī)定的要求;在運輸轉(zhuǎn)運過程中由于防靜電措施不到位也會發(fā)生靜電損傷。這些因素作用下半導(dǎo)體晶體會受到各種表面污染物的玷污，會使產(chǎn)品不能達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量等級要求。當(dāng)受到特定的外部條件激發(fā)的情況下，就會產(chǎn)生功能性失效和電參數(shù)失效，但是這些功能性失效和電參數(shù)失效造成的影響往往只能造成元器件部分的功能失去作用，還不能使芯片的封裝和各部分的連結(jié)線出現(xiàn)燒毀、短路、開路等現(xiàn)象，所以電路的功能性失效和電參數(shù)失效與連結(jié)性失效不產(chǎn)生引發(fā)效果。

在安排測試篩選先后次序時，有兩種方案：

a)方案1：將不產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在前面，將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面。

b)方案2：將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在前面，將不產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面。

如果選擇方案1，會發(fā)現(xiàn)將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面時，出現(xiàn)本身失效模式?jīng)]有被觸發(fā)、其他關(guān)聯(lián)的相關(guān)失效模式被觸發(fā)的情況時，這種帶有缺陷的元器件不能被準(zhǔn)確地定位、剔除，因為該類失效模式的檢測已經(jīng)在前面做過了。而選擇方案2就可以非常有效地避免上述問題的發(fā)生，使篩選過程優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和高效。

因此，決定元器件測試篩選先后次序的原則是：

a)失效概率最大的篩選方法首先做。

b)當(dāng)一種失效模式可以與其他失效模式產(chǎn)生關(guān)聯(lián)時，應(yīng)將此失效模式的篩選放在前面。

c)使用不同方法對同一種失效模式進(jìn)行篩選時，首先考慮失效概率的分布，容易觸發(fā)失效的篩選方法首先進(jìn)行。

d)考慮經(jīng)濟(jì)性，便宜的先做。

e)考慮時間性，時間長的后做。

f)測試順序的安排是后面的參數(shù)能夠檢查元器件經(jīng)前面參數(shù)測試后可能產(chǎn)生的變化。對有耐電壓、絕緣電阻測試要求的元器件，耐壓在前、絕緣在后，功能參數(shù)最后測試;對有擊穿電壓和漏電流測試要求的元器件，擊穿電壓在前，漏電流在后，功能參數(shù)最后測試。

1 元器件篩選的必要性

電子元器件的固有可靠性取決于產(chǎn)品的可靠性設(shè)計，在產(chǎn)品的制造過程中，由于人為因素或原材料、工藝條件、設(shè)備條件的波動，最終的成品不可能全部達(dá)到預(yù)期的固有可靠性。在每一批成品中，總有一部分產(chǎn)品存在一些潛在的缺陷和弱點，這些潛在的缺陷和弱點，在一定的應(yīng)力條件下表現(xiàn)為早期失效。具有早期失效的元器件的平均壽命比正常產(chǎn)品要短得多。電子設(shè)備能否可靠地工作基礎(chǔ)是電子元器件能否可靠地工作。如果將早期失效的元器件裝上整機(jī)、設(shè)備，就會使得整機(jī)、設(shè)備的早期失效故障率大幅度增加，其可靠性不能滿足要求，而且還要付出極大的代價來維修。因此，應(yīng)該在電子元器件裝上整機(jī)、設(shè)備之前，就要設(shè)法把具有早期失效的元器件盡可能地加以排除，為此就要對元器件進(jìn)行篩選。根據(jù)國內(nèi)外的篩選工作經(jīng)驗，通過有效的篩選可以使元器件的總使用失效率下降1 - v 2個數(shù)量級，因此不管是軍用產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品，篩選都是保證可靠性的重要手段。

2 篩選方案的設(shè)計原則

定義如下：

篩選效率　W=剔除次品數(shù)/實際次品數(shù)

篩選損耗率 L=好品損壞數(shù)/實際好品數(shù)

篩選淘汰率Q=剔降次品數(shù)/進(jìn)行篩選的產(chǎn)品總數(shù)

理想的可靠性篩選應(yīng)使W=1，L=0，這樣才能達(dá)到可靠性篩選的目的。Q值大小反映了這些產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中存在問題的大小。0值越大，表示這批產(chǎn)品篩選前的可靠性越差，亦即生產(chǎn)過程中所存在的問題越大，產(chǎn)品的成品率低。

篩選項目選擇越多，應(yīng)力條件越嚴(yán)格，劣品淘汰得越徹底，其篩選效率就越高，篩選出的元器件可靠性水平也越接近于產(chǎn)品的固有可靠性水平。但是要付出較高的費用、較長的周期，同時還會使不存在缺陷、性能良好的產(chǎn)品的可靠性降低。故篩選條件過高就會造成不必要的浪費，條件選擇過低則劣品淘汰不徹底，產(chǎn)品的使用可靠性得不到保證。由此可見，篩選強(qiáng)度不夠或篩選條件過嚴(yán)都對整批產(chǎn)品的可靠性不利。為了有效而正確地進(jìn)行可靠性篩選，必須合理地確定篩選項目和篩選應(yīng)力，為此，必須了解產(chǎn)品的失效機(jī)理。產(chǎn)品的類型不同，生產(chǎn)單位不同以及原材料及工藝流程不同時，其失效機(jī)理就不一定相同，因而可靠性篩選的條件也應(yīng)有所不同。因此，必須針對各種具體產(chǎn)品進(jìn)行大量的可靠性試驗和篩選摸底試驗，從而掌握產(chǎn)品失效機(jī)理與篩選項目間的關(guān)系。元器件篩選方案的制訂要掌握以下原則： ①篩選要能有效地剔除早期失效的產(chǎn)品，但不應(yīng)使正常產(chǎn)品提高失效率。②為提高篩選效率，可進(jìn)行強(qiáng)應(yīng)力篩選，但不應(yīng)使產(chǎn)品產(chǎn)生新的失效模式。③合理選擇能暴露失效的最佳應(yīng)力順序。④對被篩選對象可能的失效模式應(yīng)有所掌握。⑤為制訂合理有效的篩選方案，必須了解各有關(guān)元器件的特性、材料、封裝及制造技術(shù)。此外，在遵循以上五條原則的同時，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)周期，合理制定篩選時間。

3 幾種常用的篩選項目

3.1 高溫貯存

電子元器件的失效大多數(shù)是由于體內(nèi)和表面的各種物理化學(xué)變化所引起，它們與溫度有密切的關(guān)系。溫度升高以后，化學(xué)反應(yīng)速度大大加快，失效過程也得到加速。使得有缺陷的元器件能及時暴露，予以剔除。

高溫篩選在半導(dǎo)體器件上被廣泛采用，它能有效地剔除具有表面沽污、鍵合不良、氧化層有缺陷等失效機(jī)理的器件。通常在最高結(jié)溫下貯存2 4 -1 6 8小時。

高溫篩選簡單易行，費用不大，在許多元器件上都可以施行。通過高溫貯存以后還可以使元器件的參數(shù)性能穩(wěn)定下來，減少使用中的參數(shù)漂移。各種元器件的熱應(yīng)力和篩選時間要適當(dāng)選擇，以免產(chǎn)生新的失效機(jī)理。

3.2 功率電老煉

篩選時，在熱電應(yīng)力的共同作用下，能很好地暴露元器件體內(nèi)和表面的多種潛在缺陷，它是可靠性篩選的一個重要項目。

各種電子元器件通常在額定功率條件下老煉幾小時至168小時，有些產(chǎn)品，如集成電路，不能隨便改變條件，但可以采用高溫工作方式來提高工作結(jié)溫，達(dá)到高應(yīng)力狀態(tài)，各種元器件的電應(yīng)力要適當(dāng)選擇，可以等于或稍高于額定條件，但不能引人新的失效機(jī)理。功率老煉需要專門的試驗設(shè)備，其費用較高，故篩選時間不宜過長。民用產(chǎn)品通常為幾個小時，軍用高可靠產(chǎn)品可選擇 1 0 0 .1 6 8小時，宇航級元器件可以選擇2 4 0小時甚至更長的周期。

3.3 溫度循環(huán)

電子產(chǎn)品在使用過程中會遇到不同的環(huán)境溫度條件，在熱脹冷縮的應(yīng)力作用下，熱匹配

性能差的元器件就容易失效。溫度循環(huán)篩選利用了極端高溫和極端低溫間的熱脹冷縮應(yīng)力，能有效的剔除有熱性能缺陷的產(chǎn)品。元器件常用的篩選條件是-55 ～+1 2 5℃，循環(huán)5 ～10次。

3.4 離心加速度

離心加速度試驗又稱恒定應(yīng)力加速度試驗。這項篩選通常在半導(dǎo)體器件上進(jìn)行，把利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用于器件上，可以剔除鍵合強(qiáng)度過弱、內(nèi)引線匹配不良和裝架不良的器件，通常選用20000 g 離心加速度持續(xù)試驗一分鐘。

3.5 監(jiān)控振動和沖擊

在對產(chǎn)品進(jìn)行振動或沖擊試驗的同時進(jìn)行電性能的監(jiān)測常被稱為監(jiān)控振動或監(jiān)控沖擊試驗。這項試驗?zāi)苣M產(chǎn)品使用過程中的振動、沖擊環(huán)境，能有效地剔除瞬時短、斷路等機(jī)械結(jié)構(gòu)不良的元器件以及整機(jī)中的虛焊等故障。在高可靠繼電器、接插件以及軍用電子設(shè)備中，監(jiān)控振動和沖擊是一項重要的篩選項目。

典型的振動條件是： 頻率2 0 ～ 2000 Hz ，加速度2~20 g ，掃描1~ 2周期，在共振點附近要多停留一段時間。典型的沖擊篩選條件是1500^ -3000g ，沖擊3 ~5 次，這項試驗僅適用于元器件。

監(jiān)控振動和沖擊需要專門的試驗設(shè)備，費用昂貴，在民用電子產(chǎn)品中一般不采用。

除以上篩選項目外，常用的還有粗細(xì)檢漏、鏡檢、線性判別篩選、精密篩選等。

4 半導(dǎo)體器件篩選方案設(shè)計

半導(dǎo)體器件可以劃分為分立器件和集成電路兩大類。分立器件包括各種二極管、三極管、場效應(yīng)管、可控硅、光電器件及特種器件; 集成電路包括雙極型電路、 MOS電路、厚膜電路、薄膜電路等器件。各種器件的失效模式和失效機(jī)理都有差異。不同的失效機(jī)理應(yīng)采用不同的篩選項目，如查找焊接不良，安裝不牢等缺陷，可采用振動加速度; 查找元器件鍵合不牢，裝片不良，內(nèi)引線配置不合適等缺陷，采用離心加速度; 查找間歇短路、間歇開路等缺陷，采用機(jī)械沖擊等。因此，不同器件的篩選程序不一定相同。如晶體管的主要失效模式有短路、開路、間歇工作、參數(shù)退化和機(jī)械缺陷等五種，每種失效模式又涉及到多種失效機(jī)理，這些都是制定合理的篩選程序的重要依據(jù)。

a)外觀檢查：用10倍放大鏡檢查外形、引線及材料有無缺陷。

b)溫度循環(huán)：使元器件交替暴露在規(guī)定的極限高溫和極限低溫下，連續(xù)承受規(guī)定條件和規(guī)定次數(shù)的循環(huán)，由冷到熱或由熱到冷的總轉(zhuǎn)移時問不超過1min，保持時間不小于10min。

c)高溫壽命(非工作：按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壽命試驗要求，使元器件在規(guī)定的環(huán)境條件下(通常是最高溫度)存儲規(guī)定的時間。

d)電功率老煉：按降額條件達(dá)到最高結(jié)溫下的老煉目的，老煉功率按元器件各自規(guī)定的條件選取。

e)密封性試驗：有空腔的元器件，先細(xì)檢漏，后粗檢漏。

f)電參數(shù)測試(包括耐壓或漏電流等測試)：按產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范合同規(guī)定進(jìn)行。

g)功能測試：按產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范合同規(guī)定進(jìn)行。

基于以上原理，優(yōu)化了元器件測試篩選先后次序，按照失效模式的分類，對檢測篩選手段依據(jù)元器件測試篩選先后次序的原則進(jìn)行排序

4.1 二極管典型篩選程序

常用的半導(dǎo)體二極管有整流、開關(guān)、穩(wěn)壓、檢波和雙基極等類型，典型的篩選程序如下：

( 1 ) 高溫儲存： 鍺管100℃、硅管150℃， 96h。

( 2 ) 溫度循環(huán)： 鍺管-55℃-+85℃，5次; 硅管-55℃~+125℃，5次。

( 3 ) 敲變： 用硬橡膠錘敲3 ~ 5次，同時用圖示儀監(jiān)視正向特性曲線。

( 4 ) 跌落： 在8 0 c m高度，按自由落體到玻璃板上5 ～ 1 5次。

( 5 ) 功率老煉： ①開關(guān)管： 1 。 5 倍額定正向電流， 1 2 小時; ②穩(wěn)壓管： 1～1 。 5 倍額定功率，1 2 小時 ; ③檢波整流管： 1～1 。 5 倍額定電流， 1 2 小時; ④雙基極二極管： 額定功率老煉1 2小時。

( 6 ) 高溫反偏： 鍺管7 0 0 C，硅管1 2 5 0 C ， 額定反向電壓2 小時，漏電流不超過規(guī)范值。

( 7 ) 高溫測試： 鍺管7 0℃，硅管1 2 5℃。

( 8 ) 低溫測試： -5 5℃。

( 9 ) 外觀檢查： 用顯微鏡或放大鏡檢查外觀質(zhì)量，剔除玻璃碎裂等有缺陷的管子。

4.2 三極管典型篩選程序

高溫儲存— 溫度循環(huán)— 跌落( 大功率管不做) — 功率老煉— 高低溫測試( 有要求時做) — 常溫測試— 粗細(xì)檢漏— 外觀檢查。

( 1 ) 高溫儲存： 鍺管1 0 0℃、硅管1 7 5 ℃， 9 6 小時。

( 2 ) 功率老化： 小功率管加功率至結(jié)溫Tjm，老煉2 4 小時，高頻管要注意消除有害的高頻振蕩，以免管子hFE退化。

4 .3 半導(dǎo)體集成電路典型篩選程序

高溫儲存— 溫度循環(huán)— ( 跌落) — 離心— 高溫功率老煉— 高溫測試— 低溫測試— 檢漏— 外觀檢查— 常溫測試。

( 1 ) 高溫儲存： 8 5 ～1 7 5 ℃， 9 6小時。

( 2 ) 離心：20000 g ， 1 分鐘

( 3 ) 高溫功率老煉： 8 5℃， 9 6 小時，在額定電壓、額定負(fù)載下動態(tài)老煉。

電子元器件的篩選重點應(yīng)放在可靠性篩選上，具體的篩選程序可根據(jù)元器件的結(jié)構(gòu)特點、失效模式及使用要求靈活制訂。

篩選和質(zhì)量控制是高可靠元器件生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。對于優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，通過篩選可使整批產(chǎn)品達(dá)到其固有的高可靠性。對于劣質(zhì)產(chǎn)品，由于其固有的缺陷，就不可能篩選出高可靠產(chǎn)品。因此，在篩選前有必要對產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平進(jìn)行抽樣試驗評價，通過試驗和失效分析有助于制訂合理的篩選程序。