第九章元器件(半導(dǎo)體)可靠性及選擇

可靠性設(shè)計——V.電子元器件的可靠性2023/2/3可靠性設(shè)計2本章內(nèi)容元器件的失效特征元器件的失效機理元器件的失效分析技術(shù)元器件的選擇和應(yīng)用1.元器件的失效特征2023/2/3可靠性設(shè)計4概念元器件包括半導(dǎo)體分立元器件、集成電路元器件、電阻器、電容器、石英晶體振蕩器、連接器、開關(guān)、電纜、光導(dǎo)纖維和繼電器等。失效特征，主要指元器件的失效規(guī)律，失效形式等。2023/2/3可靠性設(shè)計5元器件的失效規(guī)律浴盆曲線（Bathtubcurve

）人們在長期的生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)新制造出來的電子元器件，在剛投入使用的時候，一般失效率較高，叫做早期失效。經(jīng)過早期失效后，電子元器件便進(jìn)入了正常的使用期階段，一般來說，在這一階段中，電子元器件的失效率會大大降低。過了正常使用階段，電子元器件便進(jìn)入耗損老化期階段，意味著壽終正寢。這個規(guī)律，恰似一條浴盆曲線，人們稱它為電子元器件的效能曲線。2023/2/3可靠性設(shè)計6元器件的失效規(guī)律2023/2/3可靠性設(shè)計7元器件的失效規(guī)律早期失效期特征——多發(fā)生在元器件制造和計算機及其應(yīng)用系統(tǒng)或電子設(shè)備剛安裝運行的幾個月內(nèi)，一般為幾百小時。失效原因：設(shè)計不當(dāng)元器件本身的缺陷安裝工藝不可靠環(huán)境條件惡化克服的辦法：元器件篩選、嚴(yán)控質(zhì)量和安裝工藝、老化后再使用。2023/2/3可靠性設(shè)計8元器件的失效規(guī)律穩(wěn)定工作期（正常壽命期、正常使用期）特征——元器件突然性失效較少，而暫時性故障較多。故障率可降低到一個較低的水平，且基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以近似故障率為常數(shù)。持續(xù)時間較長。失效原因：應(yīng)力引起2023/2/3可靠性設(shè)計9元器件的失效規(guī)律衰老期（耗損期）特征——失效率大大增加，可靠性急劇下降，接近報廢。失效原因：元器件的物理變化、老化和機械磨損、疲勞磨損等?？朔k法：應(yīng)用系統(tǒng)到了這個時期，應(yīng)大修，更換一批失效的元器件。常采用定期維修、更換等手段進(jìn)行預(yù)防降低系統(tǒng)故障率。2023/2/3可靠性設(shè)計10元器件的失效形式分類：突然失效退化失效局部失效全局失效2023/2/3可靠性設(shè)計11元器件的失效形式突然失效也稱為“災(zāi)難性失效”。這是元器件參數(shù)急劇變化或因元器件制造工藝不良，環(huán)境條件變化而導(dǎo)致短路或開路所造成的。如器件因焊接不牢造成開路，或因灰塵微粒使器件管腳短路，電容器因電解質(zhì)擊穿造成短路等。2023/2/3可靠性設(shè)計12元器件的失效形式退化失效也稱為“衰變失效”。這是因元器件制造公差，溫度系數(shù)變化、材料變質(zhì)、電源電壓波動、工藝不良、電應(yīng)力變化、隨機影響和老化過程引起的，使元器件參數(shù)逐漸變化，性能變差。2023/2/3可靠性設(shè)計13元器件的失效形式局部失效退化失效使系統(tǒng)性能變化，使局部功能失效，稱之為局部失效。如數(shù)碼寄存器因機器溫度過高，使某一位觸發(fā)器性能變差，導(dǎo)致該數(shù)碼寄存器局部失效。2023/2/3可靠性設(shè)計14元器件的失效形式全局失效一個突然失效會使整個系統(tǒng)失效，這種失效稱為全局失效。如時序控制電路的晶體振蕩器兩端的電容突然短路，使該晶振損壞，造成整個微機無法工作，即整體失效。2.元器件的失效機理元器件的失效直接受溫度、濕度、電壓、機械、電磁場等因素的影響。2023/2/3可靠性設(shè)計16環(huán)境因素對元器件可靠性的影響1.溫度影響1）溫度變化對半導(dǎo)體器件的影響

半導(dǎo)體器件與溫度有直接關(guān)系。尤其是雙極型半導(dǎo)體器件，組成這類元器件的基本單元P-N結(jié)，對溫度變化很敏感。當(dāng)P-N結(jié)反偏時，由少數(shù)載流子形成的反向漏電流受溫度變化影響，其關(guān)系為由上式看出，溫度每升高10℃，ICO將增加一倍。2023/2/3可靠性設(shè)計17環(huán)境因素對元器件可靠性的影響1.溫度影響1）溫度變化對半導(dǎo)體器件的影響這種變化將導(dǎo)致如下結(jié)果：晶體管放大器的工作點產(chǎn)生漂移。這是形成運放零點漂移的主要原因。電流放大系數(shù)β發(fā)生變化，造成放大器增益不穩(wěn)定。導(dǎo)致晶體管的特性曲線發(fā)生變化，使其所允許的動態(tài)范圍發(fā)生變化。2023/2/3可靠性設(shè)計18環(huán)境因素對元器件可靠性的影響1.溫度影響1）溫度變化對半導(dǎo)體器件的影響溫度與允許功耗有如下關(guān)系：

Pcm為最大允許功耗；Tjm為最高允許結(jié)溫；T為使用環(huán)境溫度；RT為熱阻。溫度的升高將使晶體管的最大允許功耗下降。2023/2/3可靠性設(shè)計19環(huán)境因素對元器件可靠性的影響1.溫度影響1）溫度變化對半導(dǎo)體器件的影響環(huán)境溫度升高將直接引起元器件溫度升高，從而引起最高工作電壓下降。溫度過高，將使元器件的P-N結(jié)被擊穿而損壞。由于P-N結(jié)的正向壓降受溫度的影響較大，所以雙極型半導(dǎo)體器件TTL、HTL等IC的電壓傳輸特性和抗干擾度也與溫度密切相關(guān)。2023/2/3可靠性設(shè)計20環(huán)境因素對元器件可靠性的影響1.溫度影響2）溫度變化對電阻的影響

溫度變化對電阻的影響主要是溫度升高時，電阻內(nèi)熱噪聲加劇，阻值偏離標(biāo)稱值，允許耗散功率下降等。如RXT系列的碳膜電阻在溫度升高到100℃時，允許的耗散功率僅為標(biāo)稱值的20%。3）溫度變化對電容的影響

溫度變化對電容的影響主要是引起電容介質(zhì)損耗變化，從而影響其壽命。溫度每升高10℃時，電容器的壽命就降低一半，同時還引起電路阻容時間常數(shù)等參數(shù)的變化，甚至發(fā)生因介質(zhì)損耗過大而熱擊穿的情況。2023/2/3可靠性設(shè)計21環(huán)境因素對元器件可靠性的影響2.濕度影響濕度過高，當(dāng)含有酸性的塵埃落到線路板或配電盤上時，將迅速腐蝕元器件焊點與接線處，造成焊點脫落，接頭斷開，引起接觸性故障。濕度過高，也是引起漏電耦合的主要原因。當(dāng)具有導(dǎo)電性的塵埃落到線路板上時，將使線路板表面的絕緣性能變化，若電壓由漏電耦合到低壓器件，將造成電壓擊穿故障。濕度過高，還會使密封較差的元器件受到腐蝕而退化。濕度過低，如相對濕度低于40%時，空氣被認(rèn)為是干燥的。當(dāng)相對濕度低于20%時，極易產(chǎn)生靜電，人不敢接觸機器，一碰機器就會引起電子元器件擊穿，特別是MOS器件擊穿損壞，或造成機器誤動作?？傊?，系統(tǒng)運行環(huán)境應(yīng)嚴(yán)格控制濕度。2023/2/3可靠性設(shè)計22環(huán)境因素對元器件可靠性的影響3.電壓影響施加到元器件上的電壓穩(wěn)定性是保證元器件正常運行的重要條件。過高的電壓會增加元器件的熱損耗，甚至造成電壓擊穿。例如，對電容器來說，其失效率正比于電容電壓的5次冪。2023/2/3可靠性設(shè)計23環(huán)境因素對元器件可靠性的影響4.振動、沖擊影響機械振動與沖擊會使一些內(nèi)部有缺陷的元器件加速失效，造成災(zāi)難性故障。機械振動會使焊點、壓線點發(fā)生松動，導(dǎo)致接觸不良；若振動導(dǎo)致接線產(chǎn)生不應(yīng)有的碰連，會引起更嚴(yán)重的后果，造成短路事故。振動會使元器件移位，變形及相互碰撞，引起分布參數(shù)變化。機械振動、沖擊還會引起緊固件脫落或松動，甚至撞擊其他零部件，造成零件損壞。

因此應(yīng)避免振動、沖擊的發(fā)生，當(dāng)無法避免較大的振動沖擊源時，應(yīng)采取防振、減振措施。2023/2/3可靠性設(shè)計24環(huán)境因素對元器件可靠性的影響5.電磁場影響電磁場會瞬間造成很大的電壓脈沖，或出現(xiàn)“火花”，會對系統(tǒng)的感性或容性負(fù)載產(chǎn)生嚴(yán)重影響，會影響到整個電路上的電壓。此外，人身上也會積累電荷，發(fā)生靜電放電。電磁場的高頻瞬態(tài)電壓、浪涌電壓、諧波畸變和大電流沖擊會產(chǎn)生很強的噪聲干擾，會使計算機信息出錯，還會使元器件損壞。2023/2/3可靠性設(shè)計25環(huán)境因素對元器件可靠性的影響6.腐蝕腐蝕，有空氣腐蝕或氧化、電解液腐蝕等種類。大氣中含有各種酸鹽及化工、冶煉等工業(yè)生產(chǎn)中排出的有害氣體，如SO2、H2S、CO2、CO和臭氧等。這些腐蝕性氣體會使計算機及其應(yīng)用系統(tǒng)或電子設(shè)備金屬化表面氧化腐蝕，使接插件接觸情況惡化，使半導(dǎo)體元器件管腳和電子線路引起腐蝕，還會使半導(dǎo)體穩(wěn)定性受到破壞。電解液對金屬有著很強的腐蝕和氧化作用，會造成接頭與插座之間，元器件與插座或焊接孔之間電阻加大，電流減小，引起間歇故障，嚴(yán)重時會造成斷路。2023/2/3可靠性設(shè)計26元器件的失效機理半導(dǎo)體元器件的失效機理半導(dǎo)體缺陷引起的失效SiO2層中正電荷引起的失效SiO2層缺陷（如針孔、劃傷、鉆蝕、斷裂等）引起的失效二次擊穿引起的失效金屬化系統(tǒng)（電極）引起的失效，占半導(dǎo)體失效的首位貼片或焊片失效，如掉片、熱阻增大，使性能退化封裝失效、氣密性差等2023/2/3可靠性設(shè)計27元器件的失效機理阻容元器件的失效機理電介質(zhì)擊穿發(fā)生化學(xué)或電解腐蝕離子遷移紙介質(zhì)的脫水作用有機膜、云母、玻璃等介質(zhì)發(fā)生電暈電解質(zhì)如鉭、電解鋁出現(xiàn)蒸發(fā)界面極性2023/2/3可靠性設(shè)計28元器件的失效機理阻容元器件的失效機理紙、有機膜、云母、玻璃等介質(zhì)出現(xiàn)污染紙介質(zhì)加水分解云母等介質(zhì)發(fā)生熱劣化云母、有機膜的殘余應(yīng)力松弛云母、玻璃陶瓷出現(xiàn)伸縮云母、玻璃介質(zhì)熱疲勞云母介質(zhì)發(fā)生電弧紙、玻璃、陶瓷、鉭等介質(zhì)出現(xiàn)電介質(zhì)泄露2023/2/3可靠性設(shè)計29元器件的失效機理金屬件的失效機理疲勞（占36.3%）脆斷（占12.6%）腐蝕（占12%）應(yīng)力腐蝕（占3.8%）磨損（占6%）韌性斷裂（占7.9%）其他（占21.4%）3.元器件的失效分析技術(shù)2023/2/3可靠性設(shè)計31①失效分析的概念失效分析的目的絕不僅是評價系統(tǒng)及其組成單元的可靠性水平，更重要的是提高系統(tǒng)的可靠性水平。因此，必須對系統(tǒng)及其組成單元和元器件進(jìn)行失效分析，所形成的失效分析技術(shù)構(gòu)成了系統(tǒng)可靠性技術(shù)的一項重要內(nèi)容。要保證和提高系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性，必須選擇高可靠性的元器件。要提高元器件的可靠性，必須了解其失效的本質(zhì)、失效的模式及故障機理，以便采取有效的措施。系統(tǒng)和設(shè)備可靠性設(shè)計需要提供元器件及材料的失效率、失效模式和故障模式及其嚴(yán)重性的信息。2023/2/3可靠性設(shè)計32①失效分析的概念對于電子元器件的可靠性設(shè)計來說，最能暴露問題的方法還是進(jìn)行各種試驗。在這些最接近實際使用條件的試驗中，許多隱患和薄弱環(huán)節(jié)都會顯示出來，參加試驗的組件、部件，子系統(tǒng)，甚至整個系統(tǒng)都可能會不同程度地喪失其應(yīng)有的功能，即失效。失效分析就是分析尋找引起元器件失效的原因，并提出補救和糾正措施。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的以研究故障機理為核心的失效物理學(xué)科成了其研究的重要內(nèi)容。2023/2/3可靠性設(shè)計33①失效分析的概念失效物理是研究元器件及其材料故障機理的一門綜合學(xué)科。故障機理是指引起元器件及其材料發(fā)生故障的物理和化學(xué)過程及原因。從微觀角度研究故障機理，從失效過程的描述中建立物理模型。以故障機理研究為核心，通過建立物理模型，將微觀本質(zhì)與宏觀性能相結(jié)合，并應(yīng)用于可靠性工程?？傊芯吭骷墓收蠙C理及其物理模型，不斷地從失效分析中汲取營養(yǎng)，又反過來從理論上充實和指導(dǎo)失效分析技術(shù)。2023/2/3可靠性設(shè)計34①失效分析的概念應(yīng)力和時間是誘發(fā)失效的重要外部因素。由外因誘發(fā)失效的物理和化學(xué)過程叫失效機理。失效的狀態(tài)類型稱為失效模式。失效分析，既要分析產(chǎn)生故障的原因，提出改進(jìn)的方法和措施，又要弄清失效模式和故障機理，從本質(zhì)上預(yù)防失效和故障的再發(fā)生。2023/2/3可靠性設(shè)計35②失效分析的意義、思路對于可靠性工程的意義為合理選擇元器件提供依據(jù)為設(shè)計提供正確的理論依據(jù)和設(shè)計思想為改進(jìn)工藝指明方向指導(dǎo)各種可靠性試驗條件和可靠性分析方法在處理可靠性工程問題時，為決策提供科學(xué)依據(jù)為可靠性設(shè)計提供寶貴的信息資料2023/2/3可靠性設(shè)計36②失效分析的意義、思路失效分析的思路失效分析是通過對失效的元器件進(jìn)行測試分析，找出引起失效的原因，是從事件的結(jié)果推導(dǎo)事件發(fā)生的原因的過程。進(jìn)行失效分析最主要的依據(jù)就是失效或故障的元器件。失效分析除了具備一定的專業(yè)知識外，還要有正確的思路、科學(xué)的方法和必要的條件。2023/2/3可靠性設(shè)計37②失效分析的意義、思路進(jìn)行失效分析時應(yīng)注意的幾個方面要有整體觀念。從時空上建立整體觀念，切忌片面、孤立地研究和處理問題。要全面地看問題，切忌主觀片面。充分調(diào)研，抓住本質(zhì)，不斷地完善和修正分析的思想。要重視客觀分析，不要片面追求微觀分析。既重視宏觀分析，也重視微觀分析。粗細(xì)結(jié)合，分段進(jìn)行。保護(hù)好失效的元器件，做好分析。2023/2/3可靠性設(shè)計38③失效分析的一般過程為便于掌握，失效分析的一般過程是：接受任務(wù)調(diào)查研究背景材料失效過程及失效狀況資料調(diào)查觀察及檢測先無損，后有損由表及里，先宏觀后微觀2023/2/3可靠性設(shè)計39③失效分析的一般過程失效分析的一般順序失效情況調(diào)查→外觀檢查→電測試→非破壞性檢查→檢漏→必要時，模擬進(jìn)行試驗分析→解剖→電參數(shù)測試→鏡檢及掃描分析→探針測試→失效機理分析→填寫失效分析報告2023/2/3可靠性設(shè)計40④失效分析技術(shù)及儀器設(shè)備功能測試儀性能測試儀材料結(jié)構(gòu)分析儀器形貌觀察分析儀器無損探傷儀器化學(xué)成分分析儀器常用的失效分析儀器設(shè)備如邏輯分析儀，短路故障分析儀，存儲器測試儀等如電、熱、磁性能測試儀，力學(xué)性能測試儀等如X光射線衍射儀，低能、高能電子衍射儀等如透視、掃描電子顯微鏡，金相顯微鏡等如X光透視儀，超聲探傷儀等如一般化學(xué)分析儀，微區(qū)分析儀，表面分析儀等4.元器件的選用與控制2023/2/3可靠性設(shè)計42電子元器件的選用元器件的選用，需要元器件工程師、可靠性工程師和設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計工程師來共同完成，這是一個多學(xué)科的任務(wù)。必須制訂、評審、執(zhí)行元器件控制大綱和要求。元器件的選用過程包括元器件的設(shè)計鑒定、可靠性審查、結(jié)構(gòu)及其失效分析和經(jīng)濟(jì)效益權(quán)衡等。2023/2/3可靠性設(shè)計43電子元器件的選用準(zhǔn)則元器件的技術(shù)條件、技術(shù)性能、質(zhì)量等級等均應(yīng)滿足裝備的要求。優(yōu)先選用經(jīng)實踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途的標(biāo)準(zhǔn)元器件，不允許選用淘汰和禁用的元器件。應(yīng)最大限度地壓縮元器件的品種規(guī)格和生產(chǎn)廠家。未經(jīng)設(shè)計定型的元器件不能在可靠性要求高的軍工產(chǎn)品中正式使用。優(yōu)先選用有良好的技術(shù)服務(wù)、供貨及時、價格合理的生產(chǎn)廠家的元器件。對關(guān)鍵元器件要進(jìn)行用戶對生產(chǎn)商的質(zhì)量認(rèn)定。在性價比相等時，應(yīng)優(yōu)先選用國產(chǎn)元器件。2023/2/3可靠性設(shè)計44電子元器件的應(yīng)用應(yīng)用時重點考慮的問題及確?？煽啃圆扇〉拇胧┕ぷ鲬?yīng)力過高——降額使用熱失效——熱設(shè)計抗輻射問題——抗輻射加固防靜電損傷——各環(huán)節(jié)注意防護(hù)操作過程的損傷問題——嚴(yán)格貫徹電裝工藝規(guī)定儲存和保管問題——控制條件，加強管理2023/2/3可靠性設(shè)計45電子元器件控制為了確保電子元器件使用的可靠性，必須對電子設(shè)備研制、生產(chǎn)及使用各階段中元器件的選擇、采購、監(jiān)制、驗收、篩選、保管、使用、失效分析和信息管理等，實行有效的全過程質(zhì)量與可靠性管理。2023/2/3可靠性設(shè)計46電子元器件控制元器件選擇設(shè)備應(yīng)制定電子元器件優(yōu)選目錄作為數(shù)據(jù)選用、質(zhì)量可靠性管理和采購的依據(jù)。設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格按照元器件優(yōu)選目錄選用元器件，超目錄選用應(yīng)嚴(yán)格審批。根據(jù)設(shè)備研制階段的需要，應(yīng)對元器件優(yōu)選目錄實施動態(tài)管理。2023/2/3可靠性設(shè)計47電子元器件控制元器件采購首先由采購單位編制采購文件，采購文件應(yīng)按規(guī)定的程序履行審批手續(xù)。然后根據(jù)采購文件簽訂購貨合同。不應(yīng)向無質(zhì)量保證的中間商采購進(jìn)口元器件，應(yīng)選擇設(shè)在本土的名牌公司作為供應(yīng)商，或委托國外有信譽或軍用元器件采購機構(gòu)采購。2023/2/3可靠性設(shè)計48電子元器件控制元器件監(jiān)制凡在訂貨合同中規(guī)定了監(jiān)制要求的元器件，應(yīng)對訂購元器件供應(yīng)單位進(jìn)行監(jiān)制。監(jiān)制應(yīng)按規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理要求執(zhí)行，監(jiān)制中，如有問題應(yīng)及時上報主管部門。監(jiān)制后，監(jiān)制人員應(yīng)填寫監(jiān)制報告，并報上級主管部門。2023/2/3可靠性設(shè)計49電子元器件控制元器件驗收凡在訂貨合同中規(guī)定的下廠驗收元器件，應(yīng)按訂購元器件批次組織有驗收資格的人員按合同規(guī)定到供應(yīng)單位進(jìn)行驗收。驗收應(yīng)按規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理要求執(zhí)行。進(jìn)口元器件到貨后，應(yīng)按規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗及復(fù)驗。該工作由指定的元器件可靠性檢測或失效分析機構(gòu)、元器件質(zhì)量控制部門進(jìn)行，并按批次和品種進(jìn)行破壞性物理分析（DPA）以評價其工藝可靠性。對選用無檢驗手段的進(jìn)口元器件，必須報總設(shè)計師后方可用于軍工產(chǎn)品或重點工程產(chǎn)品。2023/2/3可靠性設(shè)計50電子元器件控制元器件篩選元器件篩選應(yīng)由元器件供應(yīng)單位按元器件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和訂貨合同要求，進(jìn)行出廠前的篩選（一次篩選）。元器件驗收合格后，根據(jù)需要由訂貨單位或使用單位委托元器件