电子元器件可靠性增长方法

电子元器件可靠性增长方法信息产业部电子五所数据中心1．前言•可靠性增长管理技术不仅适用于设备系统，也适用于电子元器件，但对电子元器件进行增长时，必须注意如下几点：•a．电子元器件的指标是失效率或MTTF等；•b．对元器件进行增长试验时，受试产品的样品应尽可能大。样品容量大小，必须考虑到要有足够暴露薄弱环节的能力，要有备分量以及用于验证纠正措施有效性的能力；•c．产品的失效分析工作，可以与试验并行进行，对产品采取纠正措施时要将纠正措施引入所有的样品，对于这类产品通常都应该采取延缓纠正方式；•d．当产品同时存在有多个失效模式时，应集中力量消除主要的失效模式，再逐步地消除其他失效模式。通过逐步消除失效模式的方式来促进产品的可靠性增长；•e．电子元器件通常都是批量生产的，它们的增长模型一般应采用离散型的可靠性增长模型。2．元器件增长管理中的几个有关参数•用于修复性产品增长管理中的几个有关参数，如纠正有效系数、纠正比及增长极限，也适用于电子元器件，而且有着更加明确的意义。纠正有效性系数•纠正有效性系数，是指对产品故障进行纠正后，其故障率被减少的百分比。•设产品纠正前的故障率为，纠正后故障为，则其纠正的故障率降为。对于所有的B类故障而言，若纠正前的故障率为，则纠正后的故障率应降为ii'IIId1'kiiB1kiBiBdd1'11因此可得到•这就是说产品的总的纠正有效系数，就是di的加权。•国外经验表明，Di取值范围一般为0.55～0.85。就电子元器件而言，产品的失效率与产品的废品率P之间是有一定内在联系的，因为在指数分布情况下有关系式，所以产品的纠正有效性系数可以表达为:Bkiiidd/1Bkiiippdd1tP[例1]某碳膜电阻器的加帽工序存在有单帽、歪帽、松帽以及断腿等失效模式，这些失效模式在纠正前后的废品率如表1第2、3行所示。•记纠正措施前的废品率为，纠正措施后的废品率为P”I则由关系式•可以得到它们的纠正有效系数di如表1第4行所示。IP''/'iiiipppd失效模式单帽歪帽松帽断腿其它总体纠正前p'i3.62%0.91%0.72%0.52%0.13%5.90%纠正后pi0.29%0.49%0.26%0.21%0.05%1.30%di0.920.460.640.600.620.7878.0/5Biiippdd这就是说，该纠正措施的总体纠正有效性系数为0.78纠正比•可靠性增长的纠正比，是指B类故障率与产品初始故障之比。设A类故障的故障率为，B类故障的故障率为，产品的初始故障率为•则纠正比为：•国外经验表明，的取值范围一般为0.85～0.95。KABBAIBABIBK//•就电子元器件而言。若记确定要纠正的失效模式的废品率为PB，确定不去纠正的失效模式的模式的废品率为PA，则其纠正比可表达为:bABBpppppk1/在例1中，若确定只纠正单帽这个失效模式，则其纠正比为；若确定要纠正单帽及歪帽两种失效模式，则纠正比为:；若确定要纠正单帽、歪帽与松帽三种失效模式，则其纠正比为:61.0059.0/0362.01k71.0059.0/0091.0/0091.00362.02k89.0059.0/0072.00091.00363.03k•采取不同的纠正比，产品的可靠性增长效果是不同的，在纠正有效性系数为1的理想情况下，若只纠正单帽这一种失效模式。则产品的废品率可从5.9%降到1.37%；若纠正单帽、歪帽与松帽三种失效模式，则废品率从5.9%降到0.65%。因此产品纠正比的选取与增长目标的要求有关。增长极限•增长极限是指产品在增长管理中所能达到的最高可靠性水平。如果产品中所有的B故障都得到纠正时，产品失效率减少到最低数值应为:•相应的(MTTF)应为:•在元器件的增长管理中，若用废品来代替失效率，则有•根据国外经验，若取k=0.85～0.95、d=0.55～0.85，则其废品率的降低极限应为原废品率的53%～19%，这应该是制定元器件可靠性增长目标的依据之一。IBALindkd11dkdkMAX1/1111IdBAlinPkPdPP113．电子元器件的可靠性增长管理方法及举例•3．1概述•如前面所述，电子元器件通常都是批量生产的，它们的增长过程一般是分阶段或按试验序列来逐步进行的，对它们进行增长分析时，应该采用离散型的增长模型。•工程实践上，电子元器件的可靠性增长通常可以采用两次试验比较法、逐步消除失效模式法以及阶段序列增长法。3.2两次试验比较的增长法•为了分析电子元器件的增长效果，通常可以采用两次试验方式，第一次试验的目的、是要掌握产品可靠性现状、摸清产品的存在问题；第二次试验的目的，是要纠正措施的有效性并检验其增长效果。•对于电子元器件而言，TAAF具有更为广泛的含义，这里所讲的试验，既可能是寿命试验、加速寿命试验或鉴定试验、也可以是机械气候环境试验或工艺筛选试验，还可以是贮存试验或生产试制使用试验。[例3]微波低噪声半导体器件的可靠性增长•为了提高卫星通讯用微波低噪声半导体器件的可靠性，86年对该器件进行可靠性摸底试验，已知其失效率为2×10-6/h。它存在的主要问题是光刻精度不够、欧姆接触退、键合点不牢、击穿电压偏低、以及存在有可动电荷及芯片表面损伤等。•根据模底试验结果和存在问题，对出现的主要问题进行认真的分析后，在工艺质量控制以及筛选标准等方面采取了一系列如下措施。a提高光刻度精度，消除系统自激短路；b生长外延层，控制Ni扩散，避免欧姆接触退化；c加厚金属层，加强键合强度，阻挡Ga扩散；d采用双凹槽技术，提高击穿电压；e采用SiN表面饨化，固定可动电荷，防止芯片损伤；f加强关键件控制点；g将原筛选条件（所标），提升为8406xx筛选条件。采取上述一系列措施后，91年从1142个产品中，抽样458个样品进行了2000小时的失效率鉴定试验，试验中无一失效，达到λ=1×10-6/h的失效率水平。通过上述两次试验。可见五年的研制活动中，产品的可靠性提高了1级半的可靠性水平。[例4]某引信用半导体集成电路的可靠性增长情况如表所示。第一次试验（1990年初）加速寿命试验外推常温贮存失效率λ=6×10-6/h存在问题1.表面沾污、净化级别低（万级净化）2.无钝化膜、密封不好、表面漏电3.栅耐压低、易击穿4.包装不合理、易产生静电放电损伤5.国产CMOS工艺生产线、质量一致性差6.增设加压检漏筛选纠正措施采取百级净化双层钝化保护增设栅耐压质控点采取防静电塑料包装引进CMOS工艺生产线增设加压检漏筛选第二次试验（1992年底）加速寿命试验外推常温贮存失效率为λ=4.3×10-6/h3.3逐步消除失效模式的增长•在各项可靠性试验中，电子元器件的失效模式并不是单一的，经常有好几种失效模式同时存在。这时就需要抓住主要矛盾，采取“各个击破”的方式来逐步地提高产品的可靠性。某集成电路原来存在有五种主要失效模式，如图1（a）所示，其中“芯片键合引起的失效”占总失效的45%。针对这种失效模式，在工艺上采取纠正措施，用铝一铝热压焊，并增加磷处理工序后，芯片键合点的失效模式已全部消失，可靠性水平得到了提高。146%212%311%48%58%615%•而在产品可靠性的新台阶上，第二种失效模式“表面沟道漏电”又上升为主要矛盾，其失效模式的分布如图1（b）所示。因此可靠性增长管理的下一个目标，是消除或降低“表面沟道漏电”的失效模式，通过这样不断地改进，就可以不断地提高产品的可靠性。135%230%315%45%55%65%75%[例5]某纸盘扬声器的失效率为1.7×10-5/h，其主要故障现象是纯音不良，对故障样品进行失效分析，发现它的故障原因分类为：•弹玻、纸盘、音圈粘粘不良44%•盘架中心孔变细超差0.15mm35%•防尘罩胶水多8%•音圈不合格6%•其它7%•为了提高它的可靠性，对它进行了两次增长攻关活动。第一次攻关的措施加表4所示存在问题措施1．弹玻纸盘音圈粘粘不良2．冲盘架中心孔变细3．磁缝有杂物1．将装弹波音圈与纸盘工序分开，胶水干后经检验合格后才流入下工序2．重装一套盘架中心孔模3．选择合适胶水、解决胶水用量及改进工艺，装弹波音圈前设专人清理磁缝杂物存在问题措施1．绕线松散2．线圈表面有颗粒3．线圈变形1．提高绕线均匀技术2．用易干粘结性好的新胶水，绕好的音圈要直放3．严守操作规程、定期检查绕线机主轴、及时更换不合格品第二次攻关的任务的解决音圈不合格的失效模式其纠正措施如表5所示。表5纠正音圈不合格的措施图2某扬声器的可靠性增长1.00E-071.00E-061.00E-051.00E-041988198919903.4Gomportz试验序列增长模式•电子元器件的可靠性增长过程是一个TAAF不断循环的过程，一个成功的循环会使产品的可靠性得到一定的提高，若干个TAAF循环就会使产品不断增长，1968年E.PVirene提出了可靠性增长的Gomportz模型，该模型给出的产品可靠性随试验序列而增长的关系为：kcbakR)(式中：k为试验序列a为产品的增长极限bc为增长参数采取该模型对试验数据进行处理时，需分成三组，即：101lgnkkRS122lgnnkkRS1323lgnnkkRS1323lgnnkkRS式中：n为每一个小组内的数据个数，将试验数据分成三个小组并计算了上式Si值之后。其增长参数的估计式为：nSSSSC/12132)1(1lg211nCSSSna))1()1)(((lg221nCCSSb例某厂自1986年以来共研制了六批光电器件，每一批研制都有一些改进。现从现场反馈得到了这六批光电器件的失效率数据见下表第二行，将它们分成三组后可得：k012345λk0.31×10－40.22×10－40.11×10－40.095×10－40.091×10－40.089×10－4lgλk-4.5086-4.6576-4.9586-5.0223-5.0410-5.0506SiS1=-9.1662S2=-9.9809S3=-10.09163686.02/12132SSSSC3037.5)1(21lg211nCSSSa6889.0))1()1)(((lg2221CCSSbkk3686.05)8854.4104969.0（－所以产品的可靠性增长模型为3.00E-075.30E-061.03E-051.53E-052.03E-052.53E-050510150.9C=0.36C=0.9谢谢