元器件二次篩選過程中的質(zhì)量控制

王小萍(中國電子科技集團公司第55研究所,南京210016)

元器件二次篩選過程中的質(zhì)量控制

王小萍
(中國電子科技集團公司第55研究所,南京210016)

元器件二次篩選的目的是在于通過對產(chǎn)品實施非破壞性篩選試驗,剔除具有潛在缺陷的早期失效產(chǎn)品,為整機的可靠性提供重要保證.為了獲得良好的篩選效果,需要選擇有效的篩選項目和方法.電容器和分立器件由于結(jié)構(gòu)材料特殊,應(yīng)用廣泛,也容易在二篩過程中造成誤判或由于操作不當(dāng)引入新的失效或隱患,二次篩選過程中的質(zhì)量控制尤為重要.選擇電容器和分立器件,從篩選中最為重要的測試和電老煉兩個方面著手,結(jié)合靜電防護(hù),對二篩過程的質(zhì)量控制進(jìn)行闡述.

二次篩選;靜電防護(hù);測試;電老化

1　引言

電子元器件的質(zhì)量是整個產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ),一個小小的元器件失效可能會導(dǎo)致整機失效,造成重大損失,所以軍工產(chǎn)品所用的元器件均要求進(jìn)行100%二次篩選.元器件二次篩選的目的是通過對產(chǎn)品實施非破壞性篩選試驗,剔除具有潛在缺陷的早期失效產(chǎn)品,以提高批產(chǎn)品的可靠性,同時加強對進(jìn)口元器件的管理和質(zhì)量控制.

2　元器件篩選項目

國內(nèi)許多軍工單位為了提高整機產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性,依據(jù)GJB7243-2011《軍用電子元器件篩選技術(shù)要求》等標(biāo)準(zhǔn),各自制定了相應(yīng)元器件的二次篩選規(guī)范,但這些規(guī)范中的篩選項目和篩選要求總體一致.

元件的二次篩選項目一般為外觀檢查→常溫初測→溫度循環(huán)→高溫電老煉→常溫終測→外觀復(fù)查;以電容為例,篩選過程中常見的失效模式有擊穿、開路、電參數(shù)超差(電容量超差、損耗角正切增大、絕緣電阻下降或漏電流上升、介質(zhì)耐壓下降等).

器件的二次篩選項目一般為外觀檢查→常溫初測→高溫貯存→溫度循環(huán)→恒定加速度(空腔器件)→PIND(空腔器件)→高溫反偏→常溫中測→電老煉→密封性檢查→常溫終測→外觀復(fù)查.以分立器件為例,篩選過程中常見的失效模式為反向漏電流增大、擊穿電壓下降、工作性能退化、空腔內(nèi)有活動多余物、漏氣等.

塑封器件由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,依據(jù)NASA標(biāo)準(zhǔn)PEM-INST-001《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》,篩選項目一般為外觀檢查→溫度循環(huán)→聲掃→X射線檢查→測試→外觀檢查,試驗結(jié)束后再抽樣進(jìn)行DPA試驗.由于要去除聲掃中的水汽,試驗結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行125℃、16～24 h的高溫烘培.塑封器件常見的失效模式為內(nèi)部分層、開裂.

3　篩選過程中的質(zhì)量控制

元器件二次篩選的具體要求主要按照GJB360、GJB128、GJB548及各自的總規(guī)范.在元器件的二次篩選中,由于經(jīng)驗不足會造成誤判,或由于操作不當(dāng)會引入其他缺陷或隱患,因此元器件二次篩選過程中的質(zhì)量控制尤為重要.元器件品種繁多,不可能一一列舉,而電容器和分立器件由于結(jié)構(gòu)材料比較特殊,容易在二篩過程中誤判或引入新的失效,而且微波管由于頻率高,測試和老化有一定的難度.下面就選取電容器和分立器件,從篩選中最為重要的測試和電老煉兩個方面著手,闡述二篩過程中的質(zhì)量控制.

3.1元器件的測試

夾取元器件時應(yīng)輕拿輕放,插入或拔出測試夾具時不易用力過猛,否則容易造成管腿彎曲變形;不得用手直接接觸元器件,以免手上的汗?jié)n腐蝕管腿;根據(jù)元器件不同的防靜電級別,做好相應(yīng)的防靜電措施.

3.1.1固體鉭電容測試

固體鉭電容為有極性電容器,所以不能施加反向電壓.由于鉭電容的容值和損耗角正切需要在1 V的交流下測試,為了平衡負(fù)壓,測試時一定要加上2 V左右的直流偏置.國產(chǎn)鉭電容每個產(chǎn)品說明書中都有明確的直流偏置的規(guī)定,但進(jìn)口鉭電容(如KEMET公司)只在產(chǎn)品手冊總的概述里提過,所有具體型號的手冊里都沒有表明直流偏置電壓,如果工作經(jīng)驗不足,會給測試的鉭電容留下安全隱患.

在測試過程中,如不慎使鉭電容承受了不應(yīng)有的反向電壓,即使其各項參數(shù)仍然合格,也應(yīng)將該鉭電容報廢,因為其壽命會大大縮短.

固體鉭電容的電參數(shù)惡化主要表現(xiàn)為漏電流偏大,這是決定電容器壽命的固有因數(shù),因此雖然所有的產(chǎn)品手冊中都規(guī)定了漏電流的測試時間為5 min,但實際測試時間為10 s以內(nèi)(特殊大電容除外),生產(chǎn)廠家一般控制在5 s.

固體鉭電容在測試后應(yīng)充分放電,防止鉭電容之間互相放電失效.

3.1.2瓷介電容器測試

當(dāng)C≥1 μF時采用并聯(lián)測試法,當(dāng)C<1 μF時采用串聯(lián)測試法.

測試電壓和頻率對大容量二類瓷介電容器的電容值測試值影響較大,有時測試結(jié)果偏低是由于待測電容容值大,漏電流偏大,引起測試儀器提供的測試電壓小于規(guī)定值.國內(nèi)使用的儀表大多為安捷倫LCR測試儀,請將Automatic Level Control(ALC)的功能設(shè)為"on".

二類瓷介電容器的容值和介質(zhì)損耗會隨時間發(fā)生衰減,這種現(xiàn)象就是電容器的"老化",測試前需要對已發(fā)生"老化"現(xiàn)象的電容器進(jìn)行"去老化"處理,一般方法為在上極限溫度(或高于極限溫度,最高溫度可達(dá)150℃)下放置1 h再在常溫下恢復(fù)24 h后,再進(jìn)行測試.片電容為了防止電極氧化,去老化時一定要將電容抽真空或放置在充氮氣的環(huán)境中加以保護(hù).

空氣中濕度過高時,水膜會凝聚在電容器表面,還可能滲透到電容器介質(zhì)內(nèi)部,使得電容器的絕緣電阻和介電強度下降,導(dǎo)致測試結(jié)果不合格.所以測試環(huán)境應(yīng)滿足溫度在(25±3)℃之間,濕度在40～60%RH之間.

3.1.3分立器件測試

靜電放電對半導(dǎo)體器件造成的損傷具有隱蔽性和發(fā)展性,這一點使得防靜電措施更有必要,總的防范原則一是避免靜電,設(shè)法消除一切可能出現(xiàn)的靜電源;二是消除靜電,即設(shè)法加速靜電荷的逸散泄露,防止靜電荷的積累.靜電防護(hù)區(qū)的濕度低于30%時一定要進(jìn)行人工加濕,用加濕器進(jìn)行加濕時最好用純水或蒸餾水,以免自來水中含有的氯使器件引線或金屬管殼被腐蝕.

在儀器處于待測狀態(tài)下再將器件放入測試夾具內(nèi),關(guān)閉電源前一定要將器件從夾具盒內(nèi)取出.

半導(dǎo)體器件在電源開關(guān)瞬間、交流電源電壓不穩(wěn)或測試儀器接地不良等情況下,會受到一種隨機的短時間高電壓或強電流沖擊,引起器件芯片發(fā)生過電應(yīng)力損傷.器件的過電應(yīng)力失效和靜電放電失效二者有時在失效現(xiàn)象上無法區(qū)分,可以對正常樣品進(jìn)行過電應(yīng)力和靜電放電損傷的模擬試驗.比較兩者的顯微圖像,圖1和圖2是日本富士通生產(chǎn)的FHX76場效應(yīng)管失效樣品的顯微圖像和聲掃圖像.

在測試產(chǎn)品的極限參數(shù)時,測試應(yīng)力應(yīng)緩慢逐漸增加,而且不宜超過手冊規(guī)定的最大值.如在測試FHX76場效應(yīng)管的UGSO(柵源擊穿電壓)時,手冊中規(guī)定測試條件是IGS=-10 μA,合格判據(jù)為UGSO≥-3 V.測試時只要將柵源電壓加至-3V,判斷IGS是否小于-10μA就可以了,不要測出IGS=-10 μA時的柵源電壓,以免不小心擊穿管子.對于高頻分立器件,為了解測試時有無自激振蕩,通常使用半導(dǎo)體器件參數(shù)分析儀進(jìn)行動態(tài)測試,判斷的依據(jù)是顯示屏上的特性曲線是否平滑,所以不能使用自動測試系統(tǒng).

圖1　柵壩完全燒毀(過電應(yīng)力)

圖2　柵壩上的擊穿點(靜電放電)

測試三極管的放大倍數(shù)β和場效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm時,如果測試功率過大,測試夾具不能足夠散熱,產(chǎn)生的熱效應(yīng)就會影響測試結(jié)果或者損壞器件,這時就需要盡量縮短測試時間或采用脈沖測試法.

在所有測試過程中都必須確保無自激振蕩出現(xiàn).對于微波器件,消除自激目前一般采用饋電網(wǎng)絡(luò)或在敏感部位貼吸收材料;圖3是CaAs場效應(yīng)管的直流測試和直流老煉推薦使用電路,必要時可在微波輸入和輸出兩端加微波負(fù)載電阻進(jìn)行匹配.

圖3　 CaAs場效應(yīng)管的測試和老煉推薦使用電路

利用高溫烘箱進(jìn)行高溫測試時,烘箱的外殼和金屬內(nèi)壁應(yīng)接地良好,防止空間靜電場損傷器件;低溫測試時,一定要注意測試過程中器件表面不要有凝霜或水汽現(xiàn)象出現(xiàn),以免損壞器件.

3.2元器件的電老化

功率老化是在一定的溫度下通過對產(chǎn)品施加一定的電應(yīng)力,促使早期失效器件存在的潛在缺陷盡快暴露而被剔除,是一種很有效的篩選方法.

3.2.1鉭電容電化篩選

瓷介電容器通常采用極限溫度下額定電壓或2倍額定電壓老化,但鉭電容只能采用85℃下額定電壓老化.

鉭電容的電老化方法通常采用有阻老化和無阻老化兩種方法.有阻老化是在每個電容器的正極串一只1 kΩ的電阻,優(yōu)點是當(dāng)電容器漏電流增加時會自動降低電容器上的電壓,不會燒毀電容,缺點是容易使有缺陷的電容產(chǎn)生自愈恢復(fù),自愈恢復(fù)的鉭電容壽命會大大縮短,可靠性存在很大的隱患,而且這種電容無法通過測試等手段檢測出來;無阻老化時在老化電路中不加保護(hù)電阻,優(yōu)點是能將所有有缺陷的電容剔除,缺點是漏電流持續(xù)增加會突然引起有缺陷的電容燃燒,燃燒釋放的煙霧又會污染相鄰的電容器,造成更多的外觀不合格品.目前的電容器自動老煉臺有效解決了這個難題,它能在漏電流增加到一定數(shù)值時,自動切斷此工位的老煉電壓,并報警記錄.但由于鉭電容在高溫高壓下會突然發(fā)生漏電流急劇惡化,過程極為短暫,有時自動老煉臺在切斷電源前電容器已發(fā)生炸毀現(xiàn)象.因此對于小尺寸大容量的鉭電容,如果測試時漏電流下降緩慢,電老化時應(yīng)先取部分鉭電容進(jìn)行評價,且裝夾時每個鉭電容的安裝距離應(yīng)足夠大,以免鉭電容高溫下突然擊穿燒毀而燒壞老化夾具,又污染了鄰近的電容.

3.2.2分立器件老化篩選

晶體管是電流控制器,用很小的基極電流IB(通常為微安級)來控制比較大的集電極電流.老化電路通常采用分壓器偏壓電路,基本示意圖如圖4所示.但由于每只管子的β不一樣,很難得到統(tǒng)一的IC,二篩人員需要將β一樣的管子放在一起老煉,還需要調(diào)整R1和R2的大小,才能勉強達(dá)到需要的IC,由于二篩的元器件數(shù)量較多,這樣的篩選方法非常繁瑣.我們采用在R2上并聯(lián)一個幾千歐姆電位器的方法可以輕松解決這個問題,如圖5所示.通過調(diào)節(jié)電位器的電阻大小來調(diào)節(jié)R1和R2的比值,從而達(dá)到要求的集電極電流.

場效應(yīng)管是電壓控制器,通過改變柵源之間的電壓UGS來控制漏極電流,老化通常使用自偏壓老煉電路,是利用源極上的串聯(lián)電阻電壓給柵極供電,基本示意圖如圖6所示.同樣的道理,要在柵源之間串聯(lián)一個電位器,通過改變電位器電阻的大小來改變柵源之間的電壓,從而達(dá)到所需要的漏極電流,如圖7所示.

圖4　分壓器偏壓電路基本示意圖

圖5　圖4改進(jìn)后電路圖

圖6　自偏壓老煉電路基本示意圖

圖7　圖6改進(jìn)后電路圖

分立器件通常采用常溫老化和高溫老化兩種方式,在篩選的過程中,結(jié)溫的控制非常關(guān)鍵.芯片的結(jié)溫表示公式為:

式中TJ表示芯片結(jié)溫,TA表示環(huán)境溫度,P表示器件老化功率,RJA表示芯片結(jié)到環(huán)境的熱阻,TC表示殼溫,RJC表示芯片結(jié)到殼的熱阻.

在公式中,TJ、RJA和RJC由手冊中可直接查到,P為對老化器件所施加的直流電壓與電流的乘積,是二篩人員根據(jù)產(chǎn)品手冊和實際使用條件,結(jié)合環(huán)境溫度或?qū)嶋H測量的殼溫來決定的.決定的依據(jù)是讓器件在結(jié)溫下老煉,所加的功率也不得高于器件所能承受的最大功耗.

由于器件的散熱面通常緊貼散熱塊,殼溫的測量較為困難,通常將熱電偶探頭通過老煉夾具上的微型測溫孔粘到器件的散熱表面來測量.我們以器件的結(jié)溫為控制目標(biāo),以器件的殼溫作為反饋量,根據(jù)殼溫動態(tài)調(diào)整老煉箱的溫度或每個工位的加熱電阻器,以達(dá)到較為精確地控制結(jié)溫的目的.

殼溫的大小跟烘箱的溫度高低、散熱片面積大小、熱阻、施加的電壓和電流大小有關(guān),熱電偶探頭安裝位置不同,測試結(jié)果也可能不一致.對于新增的器件要經(jīng)過反復(fù)驗證才能批量投入篩選.

4　小結(jié)

元器件的質(zhì)量是整機產(chǎn)品可靠性的保障,所以二次篩選前一定要正確了解各種元器件的工作原理和使用注意事項,選取合適的二篩條件和二篩項目,這樣才能防止二篩過程中出現(xiàn)人為失效,從而通過剔除早期不合格品,提高整機的可靠性水平.

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Electronic Components Quality Control During Secondary Screening Process

WANG Xiaoping
(China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institute,Nanjing 210016,China)

The purpose of the secondary screening is to eliminate the early failure products with potential defects through non-destructive screening test and to guarantee the reliability of the whole machine.In order to achieve a good screening effect,effective screening items and methods are very important.Capacitor and discrete components may easily introduce defects or cause failure in the process of secondary screening due to improper operation.The quality control of capacitor and discrete components in secondary screening process is particularly important.The article highlights the two typical tests during the secondary screening to give detailed explanation of the quality control for secondary screening.

secondary screening;electrostatic protection;test;electrical aging

TN306

A

1681-1070(2016)06-0039-04

2016-3-9

王小萍(1975-),女,江蘇泰州人,工程師,工作于中國電子科技集團公司第55研究所,多年來一直從事電子元器件二次篩選工作.