电子元器件的可靠性筛选

电子元器件的可靠性筛选本文简述了电子元器件筛选的必要性，分析了电子元器件的筛选项目和应力条件的选择原则，介绍了几种常用的筛选项目和半导体的典型筛选方案设计。随着工业、军事和民用等部门对电子产品的质量要求日益提高，电子设备的可靠性问题受到了越来越广泛的重视。对电子元器件进行筛选是提高电子设备可靠性的最有效措施之一。可靠性筛选的目的是从一批元器件中选出高可靠的元器件，淘汰掉有潜在缺陷的产品。从广义上来讲，在元器件生产过程中各种工艺质量检验以及半成品、成品的电参数测试都是筛选，而我们这里所讲的是专门设计用于剔除早期失效元器件的可靠性筛选。理想的筛选希望剔除所有的劣品而不损伤优品，但实际的筛选是不能完美无缺的，因为受筛选项目和条件的限制，有些劣品很可能漏过，而有些项目有一定的破坏性，有可能损伤优品。但是，可以采用各种方法尽可能地达到理想状态。1元器件筛选的必要性电子元器件的固有可靠性取决于产品的可靠性设计，在产品的制造过程中，由于人为因素或原材料、工艺条件、设备条件的波动，最终的成品不可能全部达到预期的固有可靠性。在每一批成品中，总有一部分产品存在一些潜在的缺陷和弱点，这些潜在的缺陷和弱点，在一定的应力条件下表现为早期失效。具有早期失效的元器件的平均寿命比正常产品要短得多。电子设备能否可靠地工作基础是电子元器件能否可靠地工作。如果将早期失效的元器件装上整机、设备，就会使得整机、设备的早期失效故障率大幅度增加，其可靠性不能满足要求，而且还要付出极大的代价来维修。因此，应该在电子元器件装上整机、设备之前，就要设法把具有早期失效的元器件尽可能地加以排除，为此就要对元器件进行筛选。根据国内外的筛选工作经验，通过有效的筛选可以使元器件的总使用失效率下降1-v2个数量级，因此不管是军用产品还是民用产品，筛选都是保证可靠性的重要手段。2筛选方案的设计原则定义如下:筛选效率W＝剔除次品数/实际次品数筛选损耗率L＝好品损坏数/实际好品数筛选淘汰率Ｑ＝剔降次品数/进行筛选的产品总数理想的可靠性筛选应使W=1，L=０，这样才能达到可靠性筛选的目的。Q值大小反映了这些产品在生产过程中存在问题的大小。0值越大，表示这批产品筛选前的可靠性越差，亦即生产过程中所存在的问题越大，产品的成品率低。筛选项目选择越多，应力条件越严格，劣品淘汰得越彻底，其筛选效率就越高，筛选出的元器件可靠性水平也越接近于产品的固有可靠性水平。但是要付出较高的费用、较长的周期，同时还会使不存在缺陷、性能良好的产品的可靠性降低。故筛选条件过高就会造成不必要的浪费，条件选择过低则劣品淘汰不彻底，产品的使用可靠性得不到保证。由此可见，筛选强度不够或筛选条件过严都对整批产品的可靠性不利。为了有效而正确地进行可靠性筛选，必须合理地确定筛选项目和筛选应力，为此，必须了解产品的失效机理。产品的类型不同，生产单位不同以及原材料及工艺流程不同时，其失效机理就不一定相同，因而可靠性筛选的条件也应有所不同。因此，必须针对各种具体产品进行大量的可靠性试验和筛选摸底试验，从而掌握产品失效机理与筛选项目间的关系。元器件筛选方案的制订要掌握以下原则:①筛选要能有效地剔除早期失效的产品，但不应使正常产品提高失效率。②为提高筛选效率，可进行强应力筛选，但不应使产品产生新的失效模式。③合理选择能暴露失效的最佳应力顺序。④对被筛选对象可能的失效模式应有所掌握。⑤为制订合理有效的筛选方案，必须了解各有关元器件的特性、材料、封装及制造技术。此外，在遵循以上五条原则的同时，应结合生产周期，合理制定筛选时间。3几种常用的筛选项目3.1高温贮存电子元器件的失效大多数是由于体内和表面的各种物理化学变化所引起，它们与温度有密切的关系。温度升高以后，化学反应速度大大加快，失效过程也得到加速。使得有缺陷的元器件能及时暴露，予以剔除。高温筛选在半导体器件上被广泛采用，它能有效地剔除具有表面沽污、键合不良、氧化层有缺陷等失效机理的器件。通常在最高结温下贮存24-168小时。高温筛选简单易行，费用不大，在许多元器件上都可以施行。通过高温贮存以后还可以使元器件的参数性能稳定下来，减少使用中的参数漂移。各种元器件的热应力和筛选时间要适当选择，以免产生新的失效机理。3.2功率电老炼筛选时，在热电应力的共同作用下，能很好地暴露元器件体内和表面的多种潜在缺陷，它是可靠性筛选的一个重要项目。各种电子元器件通常在额定功率条件下老炼几小时至168小时，有些产品，如集成电路，不能随便改变条件，但可以采用高温工作方式来提高工作结温，达到高应力状态，各种元器件的电应力要适当选择，可以等于或稍高于额定条件，但不能引人新的失效机理。功率老炼需要专门的试验设备，其费用较高，故筛选时间不宜过长。民用产品通常为几个小时，军用高可靠产品可选择100.168小时，宇航级元器件可以选择240小时甚至更长的周期。3.3温度循环电子产品在使用过程中会遇到不同的环境温度条件，在热胀冷缩的应力作用下，热匹配性能差的元器件就容易失效。温度循环筛选利用了极端高温和极端低温间的热胀冷缩应力，能有效的剔除有热性能缺陷的产品。元器件常用的筛选条件是－55～＋125℃，循环5～10次。3.4离心加速度离心加速度试验又称恒定应力加速度试验。这项筛选通常在半导体器件上进行，把利用高速旋转产生的离心力作用于器件上，可以剔除键合强度过弱、内引线匹配不良和装架不良的器件，通常选用20000g离心加速度持续试验一分钟。3.5监控振动和冲击在对产品进行振动或冲击试验的同时进行电性能的监测常被称为监控振动或监控冲击试验。这项试验能模拟产品使用过程中的振动、冲击环境，能有效地剔除瞬时短、断路等机械结构不良的元器件以及整机中的虚焊等故障。在高可靠继电器、接插件以及军用电子设备中，监控振动和冲击是一项重要的筛选项目。典型的振动条件是:频率20～2000Hz，加速度2~20g，扫描1~2周期，在共振点附近要多停留一段时间。典型的冲击筛选条件是1500^-3000g，冲击3~5次，这项试验仅适用于元器件。监控振动和冲击需要专门的试验设备，费用昂贵，在民用电子产品中一般不采用。除以上筛选项目外，常用的还有粗细检漏、镜检、线性判别筛选、精密筛选等。4半导体器件筛选方案设计半导体器件可以划分为分立器件和集成电路两大类。分立器件包括各种二极管、三极管、场效应管、可控硅、光电器件及特种器件;集成电路包括双极型电路、MOs电路、厚膜电路、薄膜电路等器件。各种器件的失效模式和失效机理都有差异。不同的失效机理应采用不同的筛选项目，如查找焊接不良，安装不牢等缺陷，可采用振动加速度;查找元器件键合不牢，装片不良，内引线配置不合适等缺陷，采用离心加速度;查找间歇短路、间歇开路等缺陷，采用机械冲击等。因此，不同器件的筛选程序不一定相同。如晶体管的主要失效模式有短路、开路、间歇工作、参数退化和机械缺陷等五种，每种失效模式又涉及到多种失效机理，这些都是制定合理的筛选程序的重要依据。4.1二极管典型筛选程序常用的半导体二极管有整流、开关、稳压、检波和双基极等类型，典型的筛选程序如下:(1)高温储存:锗管100℃、硅管150℃,96h。(2)温度循环:锗管-55℃-+85℃,5次;硅管-55℃~+125℃,5次。(3)敲变:用硬橡胶锤敲3~5次，同时用图示仪监视正向特性曲线。(4)跌落:在80cm高度，按自由落体到玻璃板上5～15次。(5)功率老炼:①开关管:1.5倍额定正向电流，12小时;②稳压管:1～1.5倍额定功率，12小时;③检波整流管:1～1.5倍额定电流，12小时;④双基极二极管:额定功率老炼12小时。(6)高温反偏:锗管700C，硅管1250C,额定反向电压2小时，漏电流不超过规范值。(7)高温测试:锗管70℃，硅管125℃。(8)低温测试:－55℃。(9)外观检查:用显微镜或放大镜检查外观质量，剔除玻璃碎裂等有缺陷的管子。4.2三极管典型筛选程序高温储存—温度循环—跌落(大功率管不做)—功率老炼—高低温测试(有要求时做)—常温测试—粗细检漏—外观检查。(1)高温储存:锗管100℃、硅管175℃,96小时。(2)功率老化:小功率管加功率至结温Tjm，老炼24小时，高频管要注意消除有害的高频振荡，以免管子hFE退化。4.3半导体集成电路典型筛选程序高温储存—温度循环—(跌落)—离心—高温功率老炼—高温测试—低温测试—检漏—外观检查—常温测试。(1)高温储存:85～175℃,96小时。(2)离心:20000g,1分钟(3)高温功率老炼:85℃,96小时，在额定电压、额定负载下动态老炼。电子元器件的筛选重点应放在可靠性筛选上，具体的筛选程序可根据元器件的结构特点、失效模式及使用要求灵活制订。筛选和质量控制是高可靠元器件生产中的重要环节。对于优质产品，通过筛选可使整批产品达到其固有的高可靠性。对于劣质产品，由于其固有的缺陷，就不可能筛选出高可靠产品。因此，在筛选前有必要对产品的质量和可靠性水平进行抽样试验评价，通过试验和失效分析有助于制订合理的筛选程序。