元器件可靠性試驗要求和評價技術(shù)

1、元器件可靠性試驗要求和評價技術(shù)4.1 元器件可靠性試驗定義： 目前把測定、驗證、評價和分析等為提高元器件可靠性而進行的各種試驗，統(tǒng)稱為可靠性試驗。 研制階段：暴露設(shè)計、材料、工藝階段存在的問題和有關(guān)數(shù)據(jù)，對設(shè)計者、生產(chǎn)者和使用者非常有用； 設(shè)計定型階段：是否達到預(yù)定的可靠性指標； 生產(chǎn)階段：評價元器件生產(chǎn)工藝和過程是否穩(wěn)定可控；使用階段： 了解不同工作、環(huán)境條件下的失效規(guī)律、失效模式、失效機理，以便進行糾正和預(yù)防，提高元器件的可靠性。 可靠性試驗的分類 試驗項目可靠性試驗方法的標準及檢索方法相關(guān)標準 中國國家標準GB 中國國家軍用標準GJB 日本工業(yè)標準 日本電子機械工業(yè)協(xié)會標準 國際電工委員

2、會標準IEC 英國標準BS 美國軍用標準MIL 美國電子器件工程聯(lián)合會標準JEDEC 俄羅斯國家標準檢索方法：圖書情報/中文數(shù)據(jù)庫/萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)/中外標準/電子元器件與信息技術(shù)/高級檢索高級檢索4.2 可靠性基礎(chǔ)試驗 組成各種可靠性試驗的最基本的試驗單元叫做可靠性基礎(chǔ)試驗 類型(P71 表4-3): 電應(yīng)力+熱應(yīng)力試驗 氣候環(huán)境應(yīng)力試驗 機械環(huán)境應(yīng)力試驗 與封裝有關(guān)的試驗 與引線有關(guān)的試驗 與標志、標識有關(guān)的試驗 特殊試驗 輻射應(yīng)力試驗特殊試驗聲學(xué)掃描顯微分析(SAM) 原理：超聲波在介質(zhì)中傳輸時，若遇不同密度或彈性系數(shù)的物質(zhì)，會產(chǎn)生反射回波，其強度因材料密度不同而有所變化

3、。在有空洞、裂縫、不良粘接和分層剝離的位置產(chǎn)生高的襯度，因而容易從背景中區(qū)分出來。 用途： 檢測電子元器件、材料及PCB/PCBA內(nèi)部的各種缺陷(如裂紋、分層、夾雜物、附著物及空洞等)掃描電子顯微鏡分析： 用途： 金屬化層和鍵合質(zhì)量缺陷，電遷移、層間短路、硅片的層錯和位錯等 原理：SEM的結(jié)構(gòu)原理4.3 可靠性壽命試驗 4.3.1 定義和分類: 為評價元器件產(chǎn)品壽命特征值而進行的試驗 結(jié)束方式：定時試驗 定數(shù)試驗 試驗時間： 長期壽命試驗 貯存壽命：35年 工作壽命：240h 加速壽命試驗 4.3.2 指數(shù)分布壽命試驗方案的確定:經(jīng)工藝篩選剔除早期失效后,元器件的失效分布已進入偶然失效期,其壽

4、命分布接近指數(shù)分布,或威布爾分布；當威布爾分布的形狀參數(shù)m接近于1時，威布爾分布可以用指數(shù)分布來近似。指數(shù)分布指數(shù)分布的定義指數(shù)分布的密度函數(shù)為 (3-4)式中為常數(shù)，是指數(shù)分布的失效率。指數(shù)分布的分布函數(shù)F(x)=1-e-x (3-5)若產(chǎn)品在一定時間區(qū)間內(nèi)的失效數(shù)服從泊松分布，則該產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布。 泊松(Poisson)分布泊松分布： (3-3)泊松分布的數(shù)字特征為：E(X)=，D(X)=。在泊松分布中，令失效數(shù)k=0，有泊松隨機過程的概率密度分布 威布爾(Weibull)分布Weibull采用“鏈式”模型研究、描述了結(jié)構(gòu)強度和壽命問題，假設(shè)一個結(jié)構(gòu)是由 n 個小元件串聯(lián)而成，將結(jié)

5、構(gòu)看成是由 n 個環(huán)構(gòu)成的一條鏈子，其強度（或壽命）取決于最薄弱環(huán)的強度（或壽命）。單個鏈的強度（或壽命）為一隨機變量，設(shè)各環(huán)強度（或壽命）相互獨立，分布相同，則求鏈強度（或壽命）的概率分布就變成求極小值分布問題，由此得出了威布爾分布函數(shù)。由于威布爾分布是根據(jù)最弱環(huán)節(jié)模型或串聯(lián)模型得到的，能充分反映材料缺陷等因素對材料疲勞壽命的影響，所以作為材料或零件的壽命分布模型或給定壽命下的疲勞強度模型比較合適。三參數(shù)威布爾分布的密度函數(shù)為 (3-13)威布爾分布的均值 (3-14)威布爾分布的方差 (3-15)如果1，威布爾分布的均值小于，且隨著x的減小接近于。隨著增長到無窮，威布爾分布的方差減小，且無

6、限接近于0。威布爾可靠性函數(shù)是： （3-16）1. 抽樣方法和數(shù)量 特點：樣品數(shù)量大，試驗時間短，試驗結(jié)果精確，但測試工作量大，試驗成本高。 統(tǒng)籌考慮。2. 試驗應(yīng)力類型和應(yīng)力水平 原則： 關(guān)于類型：選擇對元器件失效影響最顯著或最敏感的應(yīng)力類型，且這些應(yīng)力所激發(fā)的失效機理應(yīng)與實際使用狀態(tài)的失效機理相同。 關(guān)于應(yīng)力水平：應(yīng)選擇元器件的技術(shù)標準規(guī)定的額定值。3. 試驗周期的確定 自動監(jiān)測、連續(xù)測試 間歇監(jiān)測與記錄 相隔一定時間(測試周期)進行一次測試基本原則：不要使元器件失效過于集中在一、兩個測試周期內(nèi)，最好有5個以上能測試到失效元器件的測試點，每個測試點上測試到的失效元器件數(shù)應(yīng)大致相同。根據(jù)失效

7、進程的快慢、失效分布特點確定合適的測試周期，不一定是等距，可進行調(diào)整，例如指數(shù)分布時可取初期短，后期長的方案。4. 試驗截止時間截尾試驗不得中途變動 低應(yīng)力壽命試驗：定時截尾(取平均壽命的倍以上的時間) 高應(yīng)力壽命試驗：定數(shù)截尾(累積失效數(shù)或概率達到規(guī)定值， 一般應(yīng)在30%,40%或50%以上)若元器件壽命分布服從指數(shù)分布，則有：5. 失效標準或失效判據(jù) 以元器件技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的技術(shù)標準作為失效標準6. 需測量的參數(shù)和測試方法 選擇對失效機理的發(fā)展起指示作用的靈敏參數(shù)；多參數(shù)情況下，確定先后順序；測量方法不能起促進、減緩或破壞作用，更不能引入新的失效機理；注意測試恢復(fù)時間，大氣條件下24h，

8、或按相關(guān)技術(shù)標準的規(guī)定進行。7. 數(shù)據(jù)處理方法：圖估法，數(shù)值解析統(tǒng)計方法4.3.3 壽命試驗中的一些技術(shù)問題:試驗方法：避免高低不分，好壞不分測量方法：注意箱外測量帶來的誤差，盡可能采用在線、動態(tài)測量的方法試驗設(shè)備和裝置，例如夾具等保證測量數(shù)據(jù)的準確性 儀器的精度及校準 正確使用及操作、 合理采用測量引線和夾具 嚴格控制測量環(huán)境 4.4 加速壽命試驗 4.4.1 定義: 為解決壽命試驗樣品數(shù)量和試驗時間之間的矛盾,在不改變失效機理的前提下,采用提高試驗應(yīng)力的方法加速失效,以便短時間內(nèi)取得失效率、平均壽命等數(shù)據(jù)，再運用加速壽命模型推算出在正常狀態(tài)下的可靠性特征值。加速應(yīng)力： 機械應(yīng)力 熱應(yīng)力 電

9、應(yīng)力 其他應(yīng)力 (高濕、濕熱、低氣壓、鹽霧、放射性輻射等) 4.4.2 分類: St恒應(yīng)力加速步進應(yīng)力加速序進應(yīng)力加速實際應(yīng)用前須解決的問題：加速前后壽命之間的關(guān)系；加速不能改變失效機理4.4.3 加速壽命試驗的理論依據(jù) 1. 阿倫尼斯模型(以溫度應(yīng)力為加速變量的加速模型)激活能對失效機理及壽命的影響激活能對失效機理及壽命的影響2. 逆冪律(愛倫)模型(以電應(yīng)力為加速變量的加速模型) 4.4.4 恒定應(yīng)力加速壽命試驗方案的設(shè)計與實施:1.試驗應(yīng)力的選擇 單一應(yīng)力加速(對主要失效機理起促進作用的應(yīng)力條件); 多應(yīng)力加速2.測量參數(shù)的確定 選擇對元器件的失效機理發(fā)展起到指示作用的參數(shù)3. 加速應(yīng)力

10、水平數(shù)k 單應(yīng)力恒加速壽命試驗中一般要求k不得少于4,在雙應(yīng)力恒加速壽命試驗時,水平數(shù)應(yīng)適當增加 4. 加速應(yīng)力水平Si 重要原則:在諸應(yīng)力水平下產(chǎn)品的失效機理應(yīng)與正常應(yīng)力水平下的失效機理相同. 三種取法: 等間隔取值在以絕對溫度T作為加速應(yīng)力時,可按其倒數(shù)等間隔取值在選電壓、壓力作為加速應(yīng)力時，可按其對數(shù)等間隔取值。5. 各組應(yīng)力水平下的試驗樣品數(shù) 高應(yīng)力下元器件容易失效，少安排樣品數(shù)； 低應(yīng)力下元器件不易失效，多安排樣品； 一般每個應(yīng)力水平下樣品數(shù)均不宜少于5個6. 失效判據(jù) 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范確定的失效標準判據(jù)，盡量記錄每個失效樣品的準確失效時間7. 測試周期 若無法測準確失效時間，則可采用

11、定周期測試方法，需解決兩個問題： 測試時間：據(jù)失效規(guī)律、機理、經(jīng)驗確定； 失效時間： 失效時間： 等間隔方式估計 對數(shù)均勻分布 8. 試驗停止時間 采用定數(shù)截尾或定時截尾，要求有50%，或至少30%元器件失效4.4.5 加速壽命試驗的數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)分析：正常？真？假？屬實？模型合適？ 數(shù)據(jù)處理：用統(tǒng)計分析方法，估算出可靠性有關(guān)的特征量和參數(shù)方法：圖估法：簡單、實用、欠精確 數(shù)值分析法：最小二乘法等圖估法 工具:兩類坐標紙概率坐標紙:威布爾、正態(tài)、對數(shù)正態(tài)(不同應(yīng)力水平下的壽命分布及其可靠性壽命特征量，預(yù)測正常應(yīng)力水平下的壽命分布和可靠性特征量)對數(shù)坐標紙：單對數(shù)、雙對數(shù)(得到加速壽命曲線，由此

12、估計出正常應(yīng)力水平下的壽命分布位置)步驟:應(yīng)用概率紙分別確定各應(yīng)力水平Si下的壽命分布使用對數(shù)坐標紙得到加速壽命曲線,并估計出正常應(yīng)力水平S0下的壽命在曲線上的位置;由上步所得的壽命分布曲線的位置,在概率紙上繪出正常S0下的壽命分布,由此估計出其壽命特征估算壽命特征和加速系數(shù)加速壽命曲線求形狀參數(shù)m0:在概率紙上描繪出t0(0.5),F0(0.5)在y軸標尺上找m0向左引水平線與y軸相交,過交點與m估計點作直線H,再過點t0(0.5),F0(0.5)作與H線平行的直線L0, L0線就是溫度應(yīng)力T0下,形狀參數(shù)為m0的壽命分布曲線。概率紙上:4.4.6 加速壽命試驗舉例 高頻大功率晶體管3DA7

13、6D的恒定應(yīng)力加速壽命試驗1.試驗方案 試驗應(yīng)力與樣本大小 表4-8 P108 失效判據(jù)2.試驗失效記錄數(shù)據(jù)和累積失效百分比 主要失效模式3. 估計各加速應(yīng)力條件下的壽命分布及參數(shù) 可求得各應(yīng)力條件下的中位壽命和對數(shù)標準差(表4-14)4. 繪制加速壽命直線并預(yù)測使用應(yīng)力下的中位壽命 將數(shù)據(jù)(Wi,ti(0.5)繪制在雙對數(shù)紙上,并作出回歸直線,此即本試驗的加速壽命直線(圖4-9); 據(jù)此直線,求出實際使用電應(yīng)力W0時的中位壽命t0(0.5)為105h。5. 預(yù)測在使用應(yīng)力下的壽命分布 計算對數(shù)標準差0:三種加速應(yīng)力下的平均值 計算t0(0.84) 在對數(shù)正態(tài)概率紙上繪制兩個點： (t0(0.

14、5),0.5) (t0(0.84),0.84) 過這兩點作一直線，此即實際使用應(yīng)力下的壽命分布曲線 由此直線可求得：失效率為5%時的可靠性壽命為103h；若使用20年，失效率達30%6. 計算加系數(shù)估計逆冪律加速系數(shù)7. 試驗結(jié)果分析hEF漂移增大占67.1%，還有約12%為致命性失效，可能受離子沾污累積失效達5%的壽命僅為103h(1y)負荷率取為，則情況將有較大的改觀 4.5 元器件可靠性試驗的設(shè)計明確試驗?zāi)康牟殚喯嚓P(guān)標準、規(guī)范、方案準備工作試驗數(shù)據(jù)分析、處理，給出試驗結(jié)論1.有具體標準規(guī)定的可靠性試驗設(shè)計2.無具體標準規(guī)定的可靠性試驗設(shè)計3.針對失效機理的可靠性試驗方法-采用加大試驗應(yīng)力

15、的方法 4.6 現(xiàn)代元器件可靠性評價技術(shù)4.6.1 概述 對成品、半成品或模擬樣片(各種測試結(jié)構(gòu)圖形)，通過各種可靠性試驗技術(shù)、方法等，并運用數(shù)理統(tǒng)計工具和有關(guān)模擬仿真軟件，評價其壽命、失效率或可靠性質(zhì)量等級等可靠性參數(shù)的過程。 發(fā)展特點：1.在研制設(shè)計階段，針對可能的失效模式，在線路設(shè)計、版圖設(shè)計、工藝設(shè)計和封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計中進行可靠性設(shè)計;2.加強在線可靠性質(zhì)量控制 可靠性評價技術(shù)由“輸出”端控制“輸入”端的設(shè)計控制、生產(chǎn)過程控制，實現(xiàn)可靠性是“設(shè)計、制造進去的，而非靠篩選出來的”觀念 4.6.2 晶片級可靠性評價技術(shù) 根據(jù)失效模式進行可靠性評價的難度增大: 集成度增大,尺寸微細化,帶來機理分析和位置定位上的困難.目前采用新辦法: 放在封裝成品前進行-晶片級可靠性(WLR)評價方法基本方法原則: 根據(jù)主要失效模式,設(shè)定芯片階段的監(jiān)測內(nèi)容,根據(jù)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù),評價集成電路的可靠性 優(yōu)點:反饋快 缺點:無法處理引線封裝帶來的影響 4.6.3 微電子測試結(jié)構(gòu)可靠性評價技術(shù) 針對不同元器件的主要失效模式,