基于可靠性試驗的電子元器件物料評價方法
——以IGBT為例

杜進橋，雷曉敏，王宗標，皮志武，李傳業(yè)

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷突破，類型各異的電子系統(tǒng)在各行各業(yè)中實現(xiàn)應用并迅速普及。電子系統(tǒng)以電子元器件為基本單元，通過拓撲連接構(gòu)成整體框架用于實現(xiàn)特定功能。數(shù)據(jù)表明，在電子系統(tǒng)的使用過程中，電子元器件物料的質(zhì)量不可靠是造成整機失效的主要原因[1]。由此可見，電子元器件物料作為整機的組成部分決定著一個產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。在工業(yè)生產(chǎn)中，同一應用場合可選用的電子元器件的種類繁多，要保證在眾多型號中選取較優(yōu)物料，對于電子元器件物料的可靠性評價至關(guān)重要。

1 電子元器件可靠性評價方法

所謂電子元器件的可靠性評價[2]，指的是對元器件產(chǎn)品、半成品、樣品和設計圖形等電子元器件通過各種可靠性評價手段，對其進行評價和測試，運用相關(guān)工具或軟件技術(shù)對電子元器件進行可靠性評估。通過對同一類型不同型號的電子元器件進行物料可靠性評價，形成評價等級，從而指導整機產(chǎn)品的物料選型，確保系統(tǒng)的可靠性。

2 基于可靠性試驗的評價方法

現(xiàn)提出面向電子元器件物料的評價方法，通過開展可靠性評價試驗，從電子元器件關(guān)鍵參數(shù)一致性、工藝適應性、結(jié)構(gòu)分析、熱性能分析和耐久性5個考核項出發(fā)開展評價，從而對比出不同型號物料之間可靠性的優(yōu)劣程度，為整機電子元器件物料優(yōu)選及檢驗提供依據(jù)。

2.1 質(zhì)量一致性

電子元器件在從制造直至測試出廠的整個生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制的一致性，對器件的可靠性有著至關(guān)重要的影響[3]。參數(shù)的一致性反映了生產(chǎn)過程中的控制水平，構(gòu)成質(zhì)量一致性的重要內(nèi)容。對于電子元器件物料評價，提取能夠有效地表征質(zhì)量一致性的參數(shù)，對其進行質(zhì)量一致性評價。

2.2 工藝適應性

電子元器件在苛刻條件下完成良好焊接和組裝，實現(xiàn)相應的功能并確?？煽啃允谦@得良好產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。從工藝適應性出發(fā)，通過電子元器件可焊性、耐熱性能、潮敏等級評價和引出端強度等方面的內(nèi)容[4]，評價電子元器件經(jīng)過電子組裝后，是否容易出現(xiàn)工藝缺陷。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

電子元器件制造過程中引入工藝相關(guān)的缺陷和不足，尤其是批次性問題一般會通過器件內(nèi)外部的結(jié)構(gòu)、物理特性、宏觀或微觀形貌特征表現(xiàn)出來。針對該類情況，通過對器件的封裝結(jié)構(gòu)進行解剖分析、物理性能進行測試、形貌進行觀察，可逐步地提取其結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)等設計基線信息，暴露工藝缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷，定性地評價工藝水平。

2.4 熱性能分析

熱性能綜合反映電子元器件的傳熱性能和熱效率狀態(tài)[5]。通過測試電子元器件與其熱性能相關(guān)的參數(shù)而達到評價目的。

2.5 耐久性

耐久性是指電子元器件能夠無故障地使用較長時間的能力[6]，該指標考核特定環(huán)境應力下器件的耐退化能力，這種退化包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)的退化和功能參數(shù)的退化。通過測試電子元器件環(huán)境試驗后的功能參數(shù)，考核其耐久性。

上述5類考核項是針對不同的電子元器件，可包含不同類型的考核點，通過可靠性試驗與測試，以打分的方式對電子元器件的物料優(yōu)劣進行評價。具體方式如式（1）-（2）所示，按照權(quán)重對每一個考核點進行評分，并綜合所有可靠性試驗的評價項目，得到電子元器件的總體質(zhì)量可靠性評價：

式（1）中：Wi——根據(jù)考核點的重要程度分配的加權(quán)因子；

Pi——每一項的評分；

Q0——每個考核點的總得分即原始分；

Qs——該類電子元器件總體質(zhì)量可靠性評價的標準分，通過分數(shù)即可完成對電子元器件物料的評價。

3 IGBT物料可靠性評價

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor），是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場效應管（MOS）組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件，兼有高輸入阻抗和低導通壓降兩個方面的優(yōu)點。IGBT作為電力電子的重要大功率主流器件之一，被廣泛地應用于家用電器、交通運輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。本次可靠性試驗針對某整機產(chǎn)品中使用的IGBT物料進行評價，用于指導整機產(chǎn)品中的器件選型。

3.1 試驗方案

針對IGBT物料，結(jié)合上一章提到的基于可靠性試驗的評價方法，從5個方面對IGBT器件進行可靠性考核，分別對應A、B、C、D、E 5組試驗樣品。具體的試驗項目與流程如圖1所示。

圖1 IGBT物料評價方案測試項目與試驗流程

結(jié)合IGBT的特性與使用條件，參考現(xiàn)有的對應標準，總結(jié)出具體的考核項如表1所示。

表1 IGBT物料的具體考核項要求

鑒于每一項功能性能或物理性能對整機的可靠性的影響程度是不一樣的，因此結(jié)合市場使用后失效機理統(tǒng)計情況，可以得到各個評價項目對應的權(quán)重值，具體的權(quán)重分配如表2所示。

表2 分值分配及權(quán)重分配

本次評價包含不同生產(chǎn)廠商、不同型號的6種IGBT物料，命名為型號1～6。依照整機電路使用中的物料的典型使用條件，得到本次IGBT物料評價方法的評分參考，具體如表3所示。每個考核點給出評分區(qū)間：優(yōu)（10～9分）、高于平均（8～7分）、平均（6～4分）、差（3～0分），考核項的具體考核點評分依據(jù)按照參考標準給出統(tǒng)一的評分要求。

表3 IGBT物料評分參考

試驗中，約定重大缺陷項，一旦發(fā)現(xiàn)并確認此類問題，無論其他項目得分為何，都不建議選用，評價結(jié)論為“重大缺陷：該IGBT存在重大缺陷，不建議使用”。在評價考核過程中發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵或特殊信息，有必要提醒設計人員以改良設計或避免出現(xiàn)誤用。在評價考核點發(fā)現(xiàn)的容易導致設計可靠性問題的缺陷，但通過一定的設計手段可以控制，提出警告供設計人員參考，評價結(jié)論中應指出警告點。對于在評價考核點發(fā)現(xiàn)的容易導致制程可靠性問題，但通過一定的過程控制可以解決的缺陷，應提出制程警告供工藝人員參考。對于在評價考核點發(fā)現(xiàn)的可能導致可靠性問題的缺陷，若基于現(xiàn)有的信息尚不能做出結(jié)論性判斷，則需要進一步地搜集信息并跟蹤制程和市場反饋。此類問題視嚴重程度，或在評價結(jié)論部分提出，或在評價報告的補充信息部分提出。

3.2 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗方案進行試驗并給出每項考核點的評分，按照約定權(quán)重轉(zhuǎn)化為每種物料類型的標準分。6種不同型號的IGBT物料評價結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 不同型號的IGBT評價結(jié)果匯總

從表4中可以得到通過可靠性試驗對不同型號IGBT物料的評價分數(shù)，具體到每一項考核點的評分，該結(jié)果清晰有力。

4 結(jié)束語

產(chǎn)品的集成化和小型化對電子元器件物料的高質(zhì)量與高可靠性提出了更深一步的要求。電子元器件物料評價水平的高低進一步地影響著整機的性能和可靠性的優(yōu)劣。因此，更加全面與深入的可靠性評價方法成為了整機選型強有力的支撐工具?；诳煽啃栽囼灥碾娮釉骷锪显u價方法，從元器件組裝與使用等方面出發(fā)，更加全面地對電子元器件進行物料評價，可為整機可靠性的提升奠定堅實的基礎，同時能夠反饋到電子元器件生產(chǎn)廠商，形成可靠性提升反饋閉環(huán)，最終達到可靠性全面提升的效果。