電子元器件可靠性評價與質(zhì)量控制策略研究

李雪 張?zhí)扃? 唐思宇

摘要：在電子產(chǎn)品的組成中，元器件是最基本的組成，也是最小的單元，產(chǎn)品是否具有較強的穩(wěn)定性和可靠性，與電子元器件的質(zhì)量密不可分，一旦元器件的可靠性下降，則電子產(chǎn)品的作用也就無從談起，所以對電子元器件的可靠性進行分析，使其能夠發(fā)揮自身的價值是非常重要的。因此，我們應(yīng)該對電子元器件的質(zhì)量進行分析和控制，確保其可以為電子產(chǎn)品所服務(wù)，能夠更好地服務(wù)于高科技產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，推動國民經(jīng)濟又好又快發(fā)展。

Abstract： In the composition of electronic products， components are the most basic， and the smallest unit. Whether the products have strong stability and reliability is inseparable with the quality of electronic components. Once the reliability of components declines， the role of electronic products will also diclines， so it is very important to analyze the reliability of electronic components so that they can exert their own value. Therefore， we should analyze and control the quality of electronic components to ensure that they can serve electronic products， better serve the production of high-tech products， and promote the sound and rapid development of the national economy.

關(guān)鍵詞：電子元器件;可靠性評價;質(zhì)量控制策略

Key words： electronic components;reliability evaluation;quality control strategy

中圖分類號：TN606? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0257-04

0? 引言

隨著電子產(chǎn)品及系統(tǒng)在各行各業(yè)的普及應(yīng)用，人們對電子元器件質(zhì)量的重視程度逐漸提高。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在使用電子產(chǎn)品的過程中出現(xiàn)的問題，大多都是由電子元器件的質(zhì)量不好所引起的，比如，在使用過程中的穩(wěn)定性不高，使用時間短，元器件的功能不能正常的發(fā)揮等。即使設(shè)計了一款非常完美的電子產(chǎn)品，研發(fā)生產(chǎn)的過程都是有著嚴格的管理，一旦電子元器件的質(zhì)量沒有很好的保障，再好的產(chǎn)品也會毀于一旦。所以，在進行電子產(chǎn)品的生產(chǎn)時，要注重電子元器件的質(zhì)量，對其進行可靠性的評價和相應(yīng)的質(zhì)量控制，這才是電子產(chǎn)品的根基，企業(yè)中要將該項工作做為重要的工作內(nèi)容來抓，而不單單是喊口號，要必須從觀念到行動做出徹底的改變。

1? 電子元器件的可靠性評價

電子元器件的可靠性評價，顧名思義指的是對電子元器件（元器件產(chǎn)品、半成品、樣品、設(shè)計圖形等）通過各種可靠性的評價方法，對其進行評價和測試，運用相關(guān)的工具和軟件技術(shù)來對其質(zhì)量進行評估。通過對電子元器件的可靠性評價，可以查找出不合格的元器件，從而保證元器件的質(zhì)量。

1.1 晶片級可靠性評價方法

晶片級可靠性評價方法，即WLR評價方法，指的是在芯片的生產(chǎn)中，對芯片的失效模式進行的評價，從根本上提高芯片的可靠性和質(zhì)量，其中運用的是工藝監(jiān)測的方式。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以對集成電路的電子效應(yīng)能力和與時間有關(guān)的擊穿的可靠性進行準確的、科學(xué)的評價。在熱電應(yīng)力的作用下，對芯片上金屬化層上的數(shù)據(jù)進行檢測，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，來評價系統(tǒng)電路的可靠性。

1.2 微電子測試結(jié)構(gòu)可靠性評價的方法

近些年，微電子測試結(jié)構(gòu)在集成電路生產(chǎn)中是常見的工藝監(jiān)測手段。在可靠性評價技術(shù)不斷發(fā)展的今天，微電子測試結(jié)構(gòu)也作為對集成電路可靠性評價的一種方式，它不僅可以應(yīng)用在電子產(chǎn)品的研發(fā)階段，還可以應(yīng)用在生產(chǎn)階段，在不同的階段進行不同的可靠性評價。對于不同器件的失效模式，再結(jié)合元器件的結(jié)構(gòu)特點，可以設(shè)計出不同的微電子結(jié)構(gòu)圖形，而這些測試結(jié)構(gòu)圖形，不僅僅能夠在工藝中進行測試，同時也可以將其進行封裝，并施加應(yīng)力來進行可靠性的試驗。通過測試所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合VLSI的結(jié)構(gòu)，最終進行可靠性評價。

1.3 表面貼裝MOSFET 產(chǎn)品失效案例分析

①失效現(xiàn)象：已經(jīng)測試合格的產(chǎn)品，經(jīng)過生產(chǎn)線貼裝后，電參數(shù)失效現(xiàn)象嚴重，產(chǎn)品短路，D、S之間漏電，失效率較高。

②分析思路：由于電子產(chǎn)品的芯片面積大，對產(chǎn)品的耐潮濕等級和氣密性也相對較高，所以在產(chǎn)品進行表面貼裝時，會遇到應(yīng)力匹配的問題。

③分析方法：模擬SMT生產(chǎn)條件對同封裝批次產(chǎn)品進行分析，采用超聲掃描儀（C-SAM）對產(chǎn)品進行離層掃描。

④分析結(jié)論：通過對經(jīng)過SMT工藝試驗的產(chǎn)品抽樣進行超聲掃描，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品載片區(qū)（PAD）與模塑料之間存在較為嚴重的離層現(xiàn)象（詳見圖1）。

對失效產(chǎn)品進行解剖，從圖2和圖3中可以看出，失效的芯片內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生裂紋。

從解剖結(jié)果來看，產(chǎn)品的表面進行貼裝后，經(jīng)過高溫芯片內(nèi)部發(fā)生了裂紋，從而最終影響了電參數(shù)。

2? 電子元器件的質(zhì)量控制策略

2.1 加強電子元器件的可靠性篩選

電子元器件的固有可靠性，其根源是產(chǎn)品的可靠性設(shè)計保證，在設(shè)計制造的過程中，由于多種因素的影響所致，使得生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不能完全按照預(yù)期所想。在眾多的成品中，會有少部分的成品存在問題，其在一定的應(yīng)力條件下，會出現(xiàn)早期失效。存在早期失效的元器件，其壽命也較短。電子成品的可靠性由元器件的可靠性所決定，一旦元器件的可靠性得不到很好的保證，則電子成品在工作的過程中會出現(xiàn)各種各樣的問題，從而提高了電子成品的失效率，可靠性下降，不能正常的進行工作。鑒于上述情況，在元器件的裝機前，要及早的發(fā)現(xiàn)早期失效的元器件，并將其進行剔除，以避免后期的電子產(chǎn)品損失，如何發(fā)現(xiàn)和篩選元器件的好壞，是一項重要的工作。對元器件進行篩選，可以從根本上降低失效率，從而保證元器件的可靠性，以下從幾方面對元器件的可靠性篩選進行了相關(guān)論述。

2.1.1 篩選方案的設(shè)計原則

在對篩選方案的設(shè)計原則上，要遵循以下五個方面：第一，篩選要能夠有效的剔除早期的失效產(chǎn)品;第二，進行強應(yīng)力篩選，提高篩選效率的同時，要保證產(chǎn)品的失效率，避免出現(xiàn)新的失效模式;第三，要科學(xué)的選擇應(yīng)力順序;第四，最大程度的掌握被篩選對象可能的失效模式;第五，在進行電子元器件篩選時，要在綜合考慮元器件的各項性能之后，方可提出相關(guān)篩選方案。

2.1.2 幾種常用的篩選項目

2.1.2.1 高溫貯存

在電子元器件的失效問題上，很大一部分的原因是因為溫度的變化，導(dǎo)致了元器件的內(nèi)部和表面產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，在達到一定的溫度時，化學(xué)反應(yīng)會加速，所以電子元器件的失效率也就隨之提高，一旦元器件的缺陷暴露，則會對其進行剔除。以下根據(jù)封裝形式的不同，提出了相應(yīng)的儲存溫度和時間，見表1。

2.1.2.2 電功率老煉

對元器件進行可靠性篩選時，由于電熱應(yīng)力的原因，元器件內(nèi)部和外部所潛在的缺陷會暴露無遺，所以對其進行電功率老煉，是可靠性篩選的有效手段。此種篩選方式，需要有專業(yè)的試驗設(shè)備，其成本費用相對較高，所以在進行篩選時，有一定的時間限制，可以通過不同的電子元器件進行時間的限定，一般情況下，民用產(chǎn)品是幾小時，軍用產(chǎn)品100-168小時，用于宇航事業(yè)的產(chǎn)品篩選時間為240小時以上。所以可以根據(jù)電子元器件的不同使用性質(zhì)，選擇合適的篩選條件。

2.1.2.3 溫度循環(huán)

電子產(chǎn)品在正常使用中，由于溫度的變化和溫度的循環(huán)，會產(chǎn)生熱脹冷縮的應(yīng)力，在該作用下，有的元器件的性能不夠就會失效。溫度的忽高忽低，導(dǎo)致了熱脹冷縮，這種情況下元器件熱性能差的產(chǎn)品就會被剔除。溫度循環(huán)條件見表2。

2.1.2.4 監(jiān)控振動和沖擊

在此試驗中，對產(chǎn)品在日后的使用中的震動和沖擊環(huán)境進行模擬，通過模擬測試發(fā)現(xiàn)其中結(jié)構(gòu)不良的元器件，并將其剔除。此項篩選試驗項目較為常用在軍用電子設(shè)備中。圖4是振動臺系統(tǒng)的工作原理圖。

2.2 加強電子元器件的破壞性物理分析（DPA）

由于在對電子元器件的缺陷進行篩選時，即使是進行了兩次篩選工作，仍然不能找到其缺陷和問題，鑒于這種情況，要通過對電子元器件進行破壞性物理分析技術(shù)，來找到電子元器件存在的缺陷，由此來提高元器件的可靠性。

電子元器件的破壞性物理分析，即DPA，是在美國的航天領(lǐng)域率先使用的，之后應(yīng)用在歐洲的航天系統(tǒng)中，近些年來，該技術(shù)已經(jīng)在某些行業(yè)中廣泛使用，且使用效果良好，所以在對電子元器件的缺陷進行篩選時，有必要使用破壞性物力分析技術(shù)，這對提高產(chǎn)品的整體性能起著決定性的作用。

2.3 加強電子元器件的失效分析

對電子元器件的失效進行分析，是針對已經(jīng)失效的電子元器件，對其進行解剖，采用多種手段找出失效的原因，并提出相應(yīng)的解決措施，以此避免元器件出現(xiàn)類似的問題，最終提高可靠性設(shè)計。

2.4 建立電子元器件的質(zhì)量跟蹤

在電子產(chǎn)品電裝完畢，對電子元器件進行試驗，要對元器件的質(zhì)量進行詳細的分析，同時有必要進行相關(guān)的試驗，以此來幫助分析和論證。通過試驗分析來判斷元器件的失效原因，找出其中存在的質(zhì)量問題，是元器件本身的質(zhì)量問題，還是設(shè)計過程出現(xiàn)的問題。一旦發(fā)現(xiàn)元件本身的質(zhì)量問題，要及時的提出質(zhì)量的標準，要求廠家進行改進和更換，與此同時在測試分析時，有必要加強監(jiān)控工作，以最大程度的保障元器件的質(zhì)量，以便更好的為最終的產(chǎn)品所服務(wù)。如果發(fā)現(xiàn)是設(shè)計過程中出現(xiàn)問題，應(yīng)該針對問題更改和完善設(shè)計，并引以為戒，在日后的設(shè)計中避免類似的設(shè)計。

3? 電子元器件的可靠性設(shè)計

電子元器件的可靠性設(shè)計，指的是在規(guī)定的條件下，電子產(chǎn)品可能會出現(xiàn)的失效問題，針對失效而采取的一系列的補救措施和設(shè)計技術(shù)，來彌補失效的問題，使其能夠正常的工作，以達到可靠性的設(shè)計標準。

可靠性設(shè)計是設(shè)計的核心內(nèi)容，可靠性設(shè)計是否合理，直接決定著最終產(chǎn)品的成敗與否，產(chǎn)品在使用階段、維修階段等所出現(xiàn)的問題，大多與設(shè)計初期的可靠性設(shè)計工作息息相關(guān)，所以，在進行可靠性設(shè)計時，必須要考慮到產(chǎn)品在整個生命周期中與可靠性有關(guān)的所有因素，只有將各種可能因素都考慮在內(nèi)，才可能在出現(xiàn)問題時能夠妥善的解決。其中產(chǎn)品設(shè)計可靠性相關(guān)的因素主要有內(nèi)部因素和外部環(huán)境因素兩種，其中內(nèi)部因素包含：誤操作、維修、防護、壽命等，外部環(huán)境因素包含：自然環(huán)境、儲存環(huán)境、運輸環(huán)境、人為因素等。

3.1 設(shè)計簡化技術(shù)

圖5是由1、2、3……n個部件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，串聯(lián)系統(tǒng)有著較高的可靠性。

其中Ri和？姿i分別為部件的可靠度和失效率，Rs和？姿s分別為系統(tǒng)的可靠度和失效率，由此得出以下兩組公式：

上述兩組公式說明，在系統(tǒng)中，部件的多少與系統(tǒng)的可靠性成反比，與失效率成正比，即部件越多失效率越高。所以根據(jù)兩組公式，得出了兩點內(nèi)容：第一，如果在不影響預(yù)定的功能的情況下，系統(tǒng)的一些不必要的零件可以省略，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠度，降低系統(tǒng)的失效率;第二，在對系統(tǒng)設(shè)計方案進行選擇上，要選擇系統(tǒng)部件較少的方案，以避免部件過多，而造成的后續(xù)損失。與此同時，也不要因為追求方案的簡單，過多的減少部件，要能夠保證預(yù)期設(shè)定的各項功能，如果想要用同一元件來完成較多功能時，要保證其可靠性，對其進行多次的驗證，才可以使用。

3.2 元器件的降額使用

對電子元器件的應(yīng)力分析可以看出，元器件的失效率和對其施加的應(yīng)力兩者之間成正比例關(guān)系，對元器件施加的應(yīng)力越大，則元器件的失效率越高，所以為了能夠延長元器件的使用壽命，必須要降低元器件上所施加的應(yīng)力，即對元器件采取降額使用。降額的方法，不是對所有的元器件都同樣適用，是要根據(jù)不同的器件類型采取不同的降額方法，在降額的過程中，也要考慮其系數(shù)，將降額系數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)，可以達到降額的根本目的，如果過分的降額，則提高了成本費用，取得的效果也不再合理的范圍。具體的電子元器件降額設(shè)計資料和數(shù)據(jù)可以參照GJB/Z299A-91，這里由于篇幅原因，不再列出。

3.3 冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是當(dāng)今應(yīng)用廣泛，實用性強，操作簡單的可靠性的設(shè)計方式，當(dāng)系統(tǒng)在進行可靠性的評價后，其結(jié)果不符合既定的要求，則設(shè)計人員在系統(tǒng)中的重要部位多加一個元件或者設(shè)備，當(dāng)此部位的元件失去作用時，附加出的元件可以繼續(xù)正常進行工作，而不耽誤整個系統(tǒng)的正常運行，此系統(tǒng)稱之為冗余系統(tǒng)，而這種設(shè)計稱之為冗余設(shè)計。圖6中，是較為簡單的冗余系統(tǒng)，由于兩個部件處于并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，所以一旦其中一個部件不能完成工作，另外一個部件的完整仍舊可以保證系統(tǒng)的正常使用。

這個系統(tǒng)的可靠度和失效率分別為：

系統(tǒng)的平均壽命為：

由上可得出，進行冗余設(shè)計，會對系統(tǒng)的壽命有所幫助，可以從一定程度上延長其壽命。冗余設(shè)計的方法眾多，都可以從不同程度上延長系統(tǒng)的使用壽命，這里由于篇幅有限，就不再一一論述。

3.4 熱設(shè)計

在設(shè)備的工作過程中，都有對溫度的要求，一旦溫度上升，電子元器件的功能會難以有效的發(fā)揮，從而導(dǎo)致元器件的質(zhì)量受損，所以在進行可靠性設(shè)計時，要考慮溫度的條件，即熱設(shè)計，要保證電子元器件在工作過程中避免處在高溫下，從而保證元器件的質(zhì)量。

4? 結(jié)束語

總之，隨著我國高新產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，高科技產(chǎn)品層出不窮，而其決定性作用的電子元器件的可靠性評價與質(zhì)量控制是一項重要的內(nèi)容，必須要引起行業(yè)的重點關(guān)注。制定相應(yīng)的使用要求和規(guī)范，對質(zhì)量進行嚴格的控制，嚴把質(zhì)量關(guān)，從根本上加強了電子整機裝備的的可靠性，降低使用成本與風(fēng)險，也間接為我國帶來良好的經(jīng)濟效益。

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