電子元器件篩選技術(shù)

1、儀表與電氣系統(tǒng)的可靠性設(shè)計電子元器件篩選技術(shù)摘要：電子元器件是電子設(shè)備的基礎(chǔ)，是保證電子設(shè)備高可靠性的基本資源，其可靠性直接影響設(shè)備的工作效能的充分發(fā)揮。電子元器件是電子設(shè)備、系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件在設(shè)備中應(yīng)用數(shù)量逐漸增多，對電子元器件的可靠性也提出了越來越高的要求。本文介紹電子元器件的篩選技術(shù)。關(guān)鍵詞：電子元器件；可靠性；篩選1、 電子元器件篩選的目的和作用電子元器件篩選是設(shè)法在一批元器件中通過檢驗和試驗剔除那些由于原材料、設(shè)備、工藝等（包括人的因素）方面潛在的不良因素所造成的有缺陷的元器件早期失效元器件，而把具有一定特性的合格器件挑出來。檢驗包括在規(guī)定 環(huán)境下的目視檢查

2、、功能測量等，某些功能測試是在強應(yīng)力下進(jìn)行的。電子元器件失效機理在元器件制造出來之后就已經(jīng)固定。所以，可靠性篩選不能改變其失效機理，不能改變單個元器件的固有可靠性水平。但是，通過篩選，課剔除早期失效元器件，從而提高成批元器件總體的可靠性水平?；蛘哒f，篩選不能提高元器件的固有可靠性，只能提高使用可靠性?？煽啃院Y選對性能良好的元器件應(yīng)該是一種非破壞性試驗，即試驗應(yīng)力對好元器件的損傷要盡可能小。反映在整批元器件特性上，就是不應(yīng)影響其失效機理、失效模式和正常工作。在此前提下，可考慮加大應(yīng)力進(jìn)行篩選，以提高篩選效果和縮短篩選時間。篩選的目的是有效地剔除早期失效產(chǎn)品，使失效率降低到可接受的水平。元器件篩選

3、是提高電子元器件使用可靠性的有效手段。元器件經(jīng)過篩選可以發(fā)現(xiàn)并剔除在制造、工藝、材料方面的缺陷和隱患。元器件篩選對空空導(dǎo)彈這樣在飛行任務(wù)期間沒有可能維修、可靠性指標(biāo)要求又很高的產(chǎn)品尤為重要。2、 電子元器件篩選分類電子元器件按照篩選性質(zhì)分類可以分為四大類：檢查篩選：顯微鏡檢查篩選；紅外線非破壞性檢查篩選；X射線非破壞性檢查篩選。密封性篩選：液浸檢漏篩選；氦質(zhì)譜檢漏篩選；放射性示蹤檢漏篩選；濕度實驗篩選。環(huán)境應(yīng)力篩選：振動、沖擊、離心加速度篩選；溫度沖擊篩選。壽命篩選：高溫儲存篩選；功率老化篩選。按照生產(chǎn)過程分類可以分為生產(chǎn)工藝篩選；成品篩選；裝調(diào)篩選（即用模擬整機使用狀態(tài)的篩選裝置進(jìn)行動態(tài)篩選

4、）。按照篩選的復(fù)雜程度可以分為五類:分布截尾篩選：對元器件參數(shù)性能的分類；應(yīng)力強度篩選：對元器件施加一定強度的應(yīng)力后進(jìn)行測量分選；老煉篩選：在規(guī)定的時間內(nèi)對元器件施加各種應(yīng)力后進(jìn)行測試篩選；線性鑒別篩選：類似于老煉篩選，但要運用數(shù)理統(tǒng)計技術(shù)進(jìn)行判別；精密篩選：在接近元器件使用條件下進(jìn)行長期老煉并多次精確地測量參數(shù)變化量進(jìn)行挑選和預(yù)測。3、 二次篩選篩選根據(jù)需要可以分為一次篩選和二次篩選。一次篩選簡稱為篩選。通常指在元器件生產(chǎn)廠進(jìn)行的篩選，其目的是淘汰有缺陷的產(chǎn)品、根據(jù)使用要求，篩去不符合要求的產(chǎn)品。元器件使用廠有時根據(jù)使用的需要再進(jìn)行一次篩選，往往稱為二次篩選。二次篩選的目的主要有：a. 使用

5、廠認(rèn)為在生產(chǎn)廠進(jìn)行的篩選應(yīng)力不夠，不足以淘汰足夠的早期失效器件。因此，經(jīng)篩選后的元器件失效率達(dá)不到要求，從而進(jìn)行二次篩選。但對某些器件（如磁控管），當(dāng)篩選應(yīng)力過大，反而會縮短使用壽命。因此，在選擇二次篩選的實驗項目和試驗應(yīng)力時，需區(qū)別對待，慎重選擇。b. 元器件生產(chǎn)廠的產(chǎn)品針對廣泛領(lǐng)域的用戶，因此，一次篩選的目標(biāo)帶有普遍性。當(dāng)使用廠由于特定的使用環(huán)境或要消除特定失效模式時，就要進(jìn)行含針對性試驗項目的二次篩選。c. 二次篩選的某些試驗項目也帶有檢驗的目的。當(dāng)某批某個項目失效比例高，或出現(xiàn)不該有的失效模式，就往往要研究該批器件的整批質(zhì)量問題。不論一次篩選，二次篩選都必須按使用要求選擇合適的實驗項目

6、和篩選順序，組成既經(jīng)濟又有效的篩選規(guī)范。因此了解各實驗項目的作用、有無破壞性和費用等因素是十分重要的。特別對二次篩選，由于使用對象更為明確，篩選目的更為具體。當(dāng)了解各項試驗方法的作用和費用后，針對性的訂出一個二次篩選規(guī)范是經(jīng)濟有效地方法。能用作各類元器件篩選的試驗項目很多。詳細(xì)介紹對使用最普遍，對失效率評估作用最大的方法。為了降低二次篩選的風(fēng)險，對于已能滿足要求的元器件應(yīng)盡量不做承受電應(yīng)力、機械應(yīng)力、熱應(yīng)力的篩選項目，僅做一些必要的檢查性和測試性的篩選項目。對于必須做二次篩選的元器件；電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機械應(yīng)力的選取在任何情況下不得超過元器件的最大額定值。4、 電子元器件篩選方法4.1 老煉4.

7、1.1 半導(dǎo)體元器件失效規(guī)律老煉篩選的重要依據(jù)是失效規(guī)律。半導(dǎo)體失效規(guī)律從來都認(rèn)為是遵循浴盆曲線。但近十余年來國內(nèi)外都對其有不同看法。下面介紹浴盆曲線和其他有關(guān)論點。1. 浴盆曲線簡介a. 基本論點浴盆曲線因失效率隨工作時間的變化曲線似浴盆而得名。這變化曲線可分為三段，如圖所示：第一段稱為早期失效期。失效率較高，但隨時間很快下降。失效原因被認(rèn)為是設(shè)計制造中的缺陷造成。第二段稱偶然失效期。失效率最低，且基本上不隨時間而變化。這是產(chǎn)品最佳工作時期，失效原因被認(rèn)為是各種隨機因素造成。第三段稱為衰老期，或損耗期。失效率顯著上升，失效原因被認(rèn)為是老化、磨損等原因。產(chǎn)品失效率浴盆曲線b. 根據(jù)浴盆曲線理論

8、制訂篩選條件 求拐點B：老化到B點是最佳篩選點，使用時（B點以后）失效率最低，且剩留的使用時間（BC段）最長。 如老煉時間較長（過B點較多），則將會縮短使用時間，這顯然是不合適的。c. 浴盆曲線與實際的矛盾之處 拐點找不到。失效率總隨時間下降，只是速率不同而已。 三個不同階段的失效機理雷同。例如電遷移失效在不同使用時間都有可能出現(xiàn)，其他失效機理亦然。 從國內(nèi)外文獻(xiàn)中均未見到有說服力的半導(dǎo)體器件進(jìn)入衰老期的例子。 浴盆曲線理論沒有強調(diào)設(shè)計、生產(chǎn)對可靠性的影響。由于浴盆曲線理論與事實矛盾，應(yīng)用該理論在制訂篩選條件時遇到很大阻力。當(dāng)要采用較長時間的老化（如240h或更長時間），根據(jù)浴盆曲線理論必然提

9、出：這樣做會縮短使用壽命。這樣就無法制訂出正確的篩選規(guī)范。2. 新失效率曲線簡介新的失效率理論和曲線有很多種，這里介紹一種。新失效率曲線新失效率曲線如上圖，其特點有：I 失效率及其下降速率隨使用時間增加而下降。II在足夠長時間內(nèi)不出現(xiàn)失效率曲線上翹的衰老期?！白銐蜷L”是指在一般使用任務(wù)中均不必考慮這個時期。III不同設(shè)計、生產(chǎn)水平對應(yīng)不同的失效率曲線。圖中ABC三條不同的曲線，反映出設(shè)計、生產(chǎn)水平的不同。A的設(shè)計生產(chǎn)水平最高，C最差。IV如果要求篩選后失效率低于1，則對不同設(shè)計生產(chǎn)水平的產(chǎn)品需要老煉的時間不同。對水平高的A，只需要老煉tA時間。對水平低的C，則需要老煉tC時間。而tC>t

10、A。V如要求篩選后失效率更低，如要求不高于2（2<1）。則老煉時間也要增加，這時對A曲線需tA時間。老煉時間越長，器件的失效率越低。VI并不是所有工藝水平的產(chǎn)品都能達(dá)到所要求的低失效率。對C工藝，老煉時間再長，甚至把產(chǎn)品完全淘汰完了，也達(dá)不到2水平。4.1.2 老煉試驗簡述老煉試驗簡單地說就是使元器件在一定環(huán)境溫度下工作一段時間。環(huán)境溫度有室溫、高溫。對小功率器件，一般采用高溫以加速老煉。對功率器件，有采用常溫甚至用散熱器散熱的。元器件工作方式則有靜態(tài)（反偏）、動態(tài)等。下面主要敘述動態(tài)老煉。動態(tài)老煉模擬了器件使用狀態(tài)，因此比較能反映使用過程的實際情況。器件在工作時將出現(xiàn)大部分失效模式，在

11、動態(tài)老煉時均能真實反映。且根據(jù)老煉控制點的PDA控制可以判斷經(jīng)篩選后電路失效率是否低。因此，老煉是很重要的元器件篩選試驗，但試驗費用較高。動態(tài)老煉時間和老煉溫度的選擇，老煉試驗的應(yīng)力主要由老煉時間和老練溫度、老煉負(fù)載來確定。按新失效率曲線理論是可以找到失效率低于要求的合適老煉時間的。但不同工藝水平，為達(dá)到一定的失效率所要求的老煉時間不同。因此每批都去求最佳老煉時間，既不經(jīng)濟也無必要。當(dāng)然按照新失效率曲線，老煉時間越長，電路越可靠，但成本也越高。因此無限增加老煉時間也是不可取的。此外老煉應(yīng)力除和老煉時間有關(guān)外，也和溫度有關(guān)，溫度高則應(yīng)力強，老煉加速。即可用較少時間達(dá)到同樣目的。溫度和時間的對應(yīng)關(guān)

12、系有不同說法。GJB548中對微電路的一張對應(yīng)表：動態(tài)老練溫度和老煉時間對照表環(huán)境溫度至少老煉時間（h）備注S級B級100352僅用于混合微電路110260僅用于混合微電路120190僅用于混合微電路12524016013020813814016010515012080顯然，老練溫度高，老煉時間可以縮短，從而降低試驗成本。但溫度高，也帶來工作上的困難。如高溫下焊錫軟化（軟化所需溫度遠(yuǎn)低于融化點）限制、老煉板壽命下降等。對大功率器件還需考慮最高結(jié)溫的限制。綜上所述，我們對不同質(zhì)量級別要求的器件，統(tǒng)一規(guī)定了老煉時間和老煉溫度。如對微電路，國內(nèi)一般取老煉溫度為85或125。美軍標(biāo)和國軍標(biāo)都采用125

13、。對分立器件，有的采用150。對單片微電路的S級，老煉時間取240h，對B級為160h。對混合微電路K級為320h，H級為160h等。對批質(zhì)量水平，采用PDA技術(shù)進(jìn)行鑒別和控制。動態(tài)老煉的負(fù)載的選擇，老煉負(fù)載，即指器件輸出端所帶的負(fù)載。老煉應(yīng)力和負(fù)載大小有很大的關(guān)系。負(fù)載大，應(yīng)力大。因此負(fù)載大小應(yīng)盡量接近真實。如使用有容性和感性負(fù)載則應(yīng)同樣在篩選中實現(xiàn)或模擬。關(guān)于一塊微電路中多個電路的共用電阻性負(fù)載是這樣規(guī)定的：一塊微電路中有時含多個簡單電路（如四二與非門即四個二輸入端與非門電路封裝在一個管殼里）。如每個電路要焊兩個負(fù)載電阻，則含n個電路的集成塊需要2n個電阻，使老煉板制作增加難度。一般的做法

14、是將n個同類電路輸出端共接一個電阻，且阻值降為1/n。這樣做固然大大簡化老煉板的制作。但缺點是各個電路參數(shù)不可能絕對相同，因此會發(fā)生”搶電流“現(xiàn)象，而使各個電路負(fù)載不勻。有的過輕，有的過重。美標(biāo)MIL-STD-883C的1994年8月修改通知中明確規(guī)定：1985年1月31日以后再不允許共用負(fù)載電阻。國軍標(biāo)GJB548已把這個規(guī)定寫了進(jìn)去。由于這和傳統(tǒng)做法有較大不同，希望做試驗時注意這個規(guī)定。反偏老煉，是一種加特殊偏置的老煉試驗方法，僅用于MOS等對表面態(tài)較為敏感的器件。所加偏置應(yīng)能使盡可能多的PN結(jié)處于反偏。其作用是使PN結(jié)在高溫反偏條件下能高效的把可動離子“趕”到界面從而促使有缺陷的器件盡早

15、失效。反偏老煉的費用低于動態(tài)老煉。在GJB548中規(guī)定，只有S級才采用這項試驗，并取老煉時間為72h。但在很多產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范中規(guī)定，對B級也必須作。對 元器件用戶來說，所使用器件如對可動離子造成的失效機理比較敏感，則本試驗可作為二次篩選的一個試驗項目。老煉后的冷卻及測試，一般要求在老煉后，器件冷卻到殼溫不高于30，才允許器件斷電。這主要是考慮在高溫?zé)o電廠作用下，可動離子會作無規(guī)則運動，從而使已失效了的性能恢復(fù)正常，掩蓋了曾失效的現(xiàn)象。一般要求在試驗結(jié)束后96h內(nèi)將被測電路測完。不能測完的部分重作24h的老煉后再測試。對批量小的電路限制測試完的時間還應(yīng)壓縮，效果會更好些。對反偏老煉后的冷卻及測試時

16、間應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行。4.2 高溫存儲篩選高溫存儲技術(shù)要求低，費用省，有時效果還不錯。存儲溫度過高，時間過長對封裝有破壞性。主要失效模式之一是引腿鍍層微裂，失去保護(hù)引腿材料的作用。美軍標(biāo)對該試驗項目的應(yīng)力，即存儲溫度和時間已逐步限制。對微電路已采用150、24h。而國內(nèi)有些標(biāo)準(zhǔn)采用了高溫度（烘箱達(dá)高溫不困難）、長時間，且自認(rèn)為超美軍標(biāo)應(yīng)力水平，這種看法是錯誤的。對同一應(yīng)力強度，提高了存儲溫度就需要減少存儲時間。對集成電路而言GJB548表明，存儲溫度和時間有下列對應(yīng)關(guān)系。存儲溫度（）存儲時間（h）1001000125168150241756對成熟電路高溫存儲試驗的篩選率接近于零。即本試驗項目篩選

17、效果很差。老煉試驗是對元器件工作壽命的一種加速試驗。而高溫存儲把水汽這個會對封裝起作用的室溫存儲環(huán)境因素排除掉了，因此有人用高溫存儲來反推存儲壽命。4.3 PDA控制PDA意為“批允許不合格率”。PDA不是試驗方法而是試驗技術(shù)。PDA技術(shù)的引入使篩選的作用有了一個質(zhì)的飛躍。在引入前，篩選只是100的“過篩”，不合格的全篩下去，合格的當(dāng)然要交付使用，但這些合格器件的失效率仍是個未知數(shù)。PDA技術(shù)能部分解決這個問題。應(yīng)用它能分辨出某批電路將來使用時失效率將較低，而某批電路“過篩”后的“合格”品失效率仍高，仍然必須整批報廢。PDA控制技術(shù)對提高產(chǎn)品可靠性效果顯著，所花成本不高，現(xiàn)已被廣泛采用。但若對

18、其原理了解不夠和使用方法不當(dāng)就會限制這個技術(shù)的使用效果。首先要選定某一試驗項目為進(jìn)行PDA控制的實驗項目，該試驗項目稱為PDA控制點（常選在老煉試驗項目）。然后確定控制值即PDA值。該值根據(jù)可靠性要求而定，如S級選3，B級選5等。PDA值越低，則通過篩選后的器件批失效率越低。當(dāng)然該值也與應(yīng)力強度有關(guān)，如同樣的老煉溫度經(jīng)48h的老煉和168h老煉相比，雖然PDA同樣達(dá)到5，但經(jīng)168h老煉的器件批失效率低。計算批缺陷率P1值，經(jīng)規(guī)定的控制點（如功率老煉）篩選后，失效數(shù)為r1，則定義批缺陷率P1為：P1=r1N其中N為在該控制點參加該試驗項目篩選的器件總數(shù)。如果P1值大，則該批拒收。如P1值不大，則通過該試驗。缺陷率P1值直接反映試驗前該批元器件的可靠性水平，即和該批器件中含某一個（或某一些）缺陷的次品率W1成正比。證明如下：總數(shù)為N的樣品中，和r1同失效模式的次品率設(shè)為W1.按定義，W1為：w1=R1N式中，R1為和r1同類缺陷的實際次品數(shù)。令B1為篩選率，則：B1=r1R1將B1值、W1值代入整理得批缺陷率P1為：