電子元器件可靠性試驗

吳俊

（浙江兆晟科技股份有限公司 浙江省杭州市 310023）

質(zhì)量（Quaility）與可靠性(Reliability)可以說是產(chǎn)品的生命，好的品質(zhì)和耐久性是產(chǎn)品的核心競爭力。開展質(zhì)量與可靠性工作盡管這幾年得到長足進步，但相比一些大行業(yè)和通用技術(shù)，尤其是在國內(nèi)它還是處在起步階段。質(zhì)量一般通過測試，判斷是否符合各項性能指標和合格率，比較容易理解和做到?？煽啃怨ぷ髟趺撮_展就比較棘手，要評價一個產(chǎn)品生命周期有多長，能使用多久，驗證什么，如何去驗證和去哪里驗證是一般碰到的三個問題。本文就電子元器件可靠性試驗進行簡要概述，旨在提高元器件可靠性試驗手段、方法的認知，并開展可靠性失效機理、失效模型的研究。

1 試驗標準

在長期的研究分析、設(shè)計制造和使用過程中，對其材料、設(shè)計制造工藝、使用和驗證方法等方面研究，建立了比較完善的可靠性評估模型和試驗驗證方法。在此基礎(chǔ)上制定出各種各樣的標準，使得這些工作變得不再盲目，變得有章可循。解決了我們驗證什么、如何去驗證的兩個問題。

1.1 標準體系

元器件尤其是半導體器件在西方發(fā)達國家開展得比較早，研發(fā)、設(shè)計、制造等經(jīng)過半個多世紀發(fā)展且相對要成熟得多，由此形成統(tǒng)一的標準體系。主要有：美國軍用標準；JEDEC 標準；GJB 國家軍用標準；IEC 國際電工委員會標準；IEEE 國際電氣和電子工程師協(xié)會標準；JIS日本工業(yè)標準等。上述標準有各自的側(cè)重行業(yè)或領(lǐng)域，作為我們從事電子產(chǎn)品可靠性的工程師，掌握和應(yīng)用前面三大標準已經(jīng)比較全面了。

1.2 標準體系的應(yīng)用

每個標準體系都有其側(cè)重的行業(yè)或應(yīng)用場景。就可靠性試驗標準而言，軍工行業(yè)等領(lǐng)域比較傾向于MIL 美軍標和GJB 國軍標，GJB 標準基本是從MIL 標準對應(yīng)過來的；半導體行業(yè)比較傾向于JEDEC 標準。

2 電子元器件壽命

電子元器件作為電子產(chǎn)品的重要組成部分，電子元器件的可靠性水平?jīng)Q定了電子產(chǎn)品的可靠性程度。在進行可靠性試驗之前，我們有必要了解一下元器件的壽命周期和不同時期的失效情況。和自然界萬事萬物一樣，元器件也有壽命并在不同時期失效率相差較大。半導體器件壽命周期內(nèi)失效率可以用典型的“浴盤曲線”來表示。失效率隨使用時間變化分為三個階段：早期失效期、偶然失效期、耗損失效期。

3 可靠性試驗和失效分析

可靠性試驗的目的主要有：

（1）發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程中因設(shè)計、材料和工藝問題和缺陷，提高產(chǎn)品可靠性水平；

（2）產(chǎn)品老煉篩選，剔除不合格品和早期失效器件，提高產(chǎn)品使用可靠性；

（3）例行試驗，評估產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程中是否達到規(guī)定要求；

（4）評價產(chǎn)品使用壽命?？煽啃栽囼灠丛囼?zāi)康姆譃椋簤勖囼?加速壽命試驗、老煉篩選試驗、鑒定試驗/例行試驗、可靠性增長試驗等；按試驗方式又分為：電應(yīng)力試驗、熱應(yīng)力試驗和機械應(yīng)力試驗。就客戶試驗?zāi)康亩?，元器件設(shè)計單位試驗的主要目的分為使用壽命評估、可靠性增長、例行試驗和用戶質(zhì)量要求等級的老煉篩選（行業(yè)里俗稱“一篩”）；元器件使用單位試驗的目的主要是器件可靠性驗證和老煉篩選（行業(yè)里俗稱“二篩”），來提高器件使用可靠性；第三方檢測機構(gòu)的目的主要幫助客戶解決元器件壽命試驗、失效分析和老煉篩選，就目前國內(nèi)而言主要集中在為客戶提供老煉篩選服務(wù)。

失效分析原因主要分為與材料有關(guān)的失效、工藝有關(guān)的失效和電學有關(guān)的失效。將失效分析應(yīng)用于器件設(shè)計部門、器件生產(chǎn)廠家和使用單位，為研發(fā)設(shè)計部門提供設(shè)計驗證和設(shè)計改進建議，從而加速產(chǎn)品的研發(fā)速度，為生產(chǎn)部門提供材料、工藝和制造中的問題，有助于提高產(chǎn)品合格率和可靠性，為使用者提供可靠性設(shè)計數(shù)據(jù)，提高整機的合格率和可靠性。

4 電應(yīng)力試驗

可靠性試驗按性質(zhì)來劃分，可分為破壞性試驗和非破壞性試驗兩大類。從事的壽命試驗為破壞性試驗，得到試驗結(jié)果和目的后被試器件就不再使用了；老化篩選為非破壞性試驗，試驗的目的是剔除不合格或早期失效的器件，提高器件使用的可靠性。絕大部分機型和試驗方式都是建立在上述兩種試驗方式的基礎(chǔ)上，都是根據(jù)試驗對象、目的、標準和要求來進行具體的應(yīng)用。

4.1 壽命試驗

壽命試驗主要目的在于設(shè)計驗證其可靠性水平、可靠性增長、例行/鑒定試驗和壽命評價，是一項破壞性試驗。壽命試驗的核心是給器件施加電應(yīng)力、熱應(yīng)力的應(yīng)力水平。一般我們工作中必須掌握和應(yīng)用三個公式即：Tj=Ta+Rth(a-j)×PW、Tj=Tc+Rth(c-j)×PW、Tj=Ts+Rth(s-j)×PW（Tj 代表結(jié)溫；Ta 代表環(huán)境溫度；TC 代表器件殼溫；Ts 代表散熱器溫度；Rth(a-j)代表半導體PN 結(jié)至環(huán)境的熱阻；Rth(c-j)代表半導體PN 結(jié)至管殼的熱阻；Rth(s-j)）代表半導體PN結(jié)至散熱器的熱阻；PW 代表器件施加得耗散功率）。以上三個公式的應(yīng)用場景主要取決于試驗時的散熱方式，對于沒有散熱器的被試器件DUT（一般為小功率器件），無論是實驗室環(huán)境還是高溫環(huán)境，均采用第一個公式；對于有條件檢測被試器件DUT（一般為小功率器件）殼溫Tc 的，采用第二個公式；對于檢測被試器件DUT（一般為小功率器件）散熱器溫度Ts 的，采用第三個公式。

4.2 高/低溫壽命試驗

半導體器件高溫壽命試驗是針對小功率器件的壽命試驗的應(yīng)用，由于小功率器件施加的電應(yīng)力不足以使器件的結(jié)溫Tj 達到150℃，靠環(huán)境溫度的熱應(yīng)力Ta 來保證期間試驗結(jié)溫Tj 達到150℃。有一些特殊的應(yīng)用場景需要做嚴酷的高溫壽命試驗，如：測井、汽車等行業(yè)就需要考察器件的高溫工作壽命或加速壽命試驗。高溫壽命試驗主要考察失效機理：電子遷移、氧化層破裂、相互擴散、不穩(wěn)定性、離子沾污等。

半導體器件低溫壽命試驗以前應(yīng)用就比較少，主要是它不太符合應(yīng)力試驗的機理。存在需求主要考慮到半導體器件嚴酷的應(yīng)用場景，如：汽車電子低溫非工作狀態(tài)時可能在-40℃，汽車啟動后有些器件工作溫度高達150℃或更高200℃（引擎?zhèn)鞲锌刂破骷?。所以有用戶提出半導體的高低溫壽命試驗，加劇的溫度變化對半導體材料和工藝提出更高的要求。

4.3 間歇/動態(tài)壽命試驗

間歇壽命試驗或功率循環(huán)試驗是一種疲勞試驗，屬于破壞性試驗，如：二/三極管的間歇壽命試驗、功率器件的功率循環(huán)試驗等。以功率循環(huán)試驗為例：當下熱門的汽車功率電子IGBT，必須設(shè)計為可達到數(shù)千小時的工作時間和上百萬次功率循環(huán)，承受高達200℃的溫度。IGBT 功率循環(huán)試驗主要驗證鍵合線疲勞壽命和散熱工藝，據(jù)國外專業(yè)雜志報道，功率器件引線鍵合造成的失效占到半導體器件失效的49%，可見鍵合線的可靠性對整個模塊的可靠性的影響是非常關(guān)鍵的。

動態(tài)壽命試驗主要是模擬器件動態(tài)工作狀態(tài)和集成度很高的IC 電路，如：微波器件的脈沖/射頻壽命試驗、集成電路的動態(tài)壽命試驗等。以集成電路的動態(tài)壽命試驗為例：由于IC 的集成度原來越高，邏輯越來越復雜，壽命試驗中除了重點關(guān)注輸入輸出外，總是希望更多的晶體管工作起來，動態(tài)激勵信號的輸入實現(xiàn)了這一目的。

4.4 高溫反偏試驗

高溫反偏是半導體器件可靠性中最敏感和最容易失效項目，也成為業(yè)界最關(guān)注可靠性試驗項目。高溫反偏試驗后最主要的表征就是DUT 參數(shù)退化甚至失效，其主要原因是器件芯片和封裝生產(chǎn)過程中沾污的可動金屬離子在高溫反偏的高溫高壓環(huán)境下移動而重新分布，造成器件參數(shù)退化甚至失效。另外還有考核器件封裝后的水汽含量，尤其是塑封器件，由于材料和工藝問題過高的水汽含量在高溫反偏試驗時會造成漏電流增大，甚至形成局部熱點致使器件失效。

4.5 高加速壽命試驗

高加速壽命試驗、高加速應(yīng)力試驗、高加速應(yīng)力篩選是由美國軍方延伸出來的設(shè)計質(zhì)量驗證和制造質(zhì)量驗證的試驗方法。高加速應(yīng)力試驗在環(huán)境試驗方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在加電壽命試驗方面也得到推廣，在這方面主要有高溫高濕下的壽命試驗和高溫反偏試驗，如：溫度85℃/濕度85%的雙85 高溫高濕試驗。直接評估器件壽命是非常困難的，因此通過試驗手段來獲取，如加速壽命測試方法：將器件放在高于正常值的應(yīng)力條件下工作，得到加速后的器件壽命，再根據(jù)退化或失效機制，推出正常工作條件下的壽命。在設(shè)計研發(fā)階段，可靠性試驗用于幫助確認最佳的設(shè)計方案和工藝方案；在生產(chǎn)階段則用于監(jiān)控工藝的穩(wěn)定性；在成品階段則一般是用于進行可靠性的鑒定和驗收。

4.6 存儲器周期耐久性試驗/數(shù)據(jù)保持力試驗

存儲器周期耐久試驗是通過數(shù)據(jù)寫入存儲器存儲單元，在擦除數(shù)據(jù)，重復這個過程多次，來評估非揮發(fā)性存儲器在多次讀寫算后的持久性能。數(shù)據(jù)保持力試驗主要是在重復讀寫之后加速非揮發(fā)性存儲器存儲節(jié)點的電荷損失。具體的試驗條件和估算結(jié)果可參考：MIT-STD-883E Method 1003。

4.7 老煉篩選試驗

老煉篩選試驗是提高產(chǎn)品使用可靠性十分有效的手段，剔除不合格或早期失效器件提高器件使用可靠性。元器件的承制方，交付產(chǎn)品時必須進行100%的老煉篩選，就是我們俗稱的“一篩”；元器件訂貨方，按產(chǎn)品質(zhì)量大綱要求驗收和監(jiān)督，俗稱下廠驗收和“藍篩”時有必要進行二次篩選，簡稱“二篩”；對于很難采購的進口元器件，采購工業(yè)級器件進行升級篩選，俗稱“升篩”。元器件老煉篩選是根據(jù)國情開展的一項十分重要的工作，這項工作在電子元器件行業(yè)已經(jīng)卓有成效的推行了三十多年并且做出了重要貢獻。

5 環(huán)境試驗

環(huán)境試驗在元器件、部件和整機可靠性中都處在舉足輕重的作用和地位。美國國防部可靠性分析中心發(fā)布的《產(chǎn)品可靠性藍皮書》中指出飛行記載設(shè)備有52%以上是由環(huán)境因素引起的，其中溫度因素占42%、振動因素占27%、濕度因素占19%，三者占52%的88%。因此對產(chǎn)品可靠性影響環(huán)境試驗應(yīng)力是溫度、振動和濕度，可見其試驗得重要性。所以一般環(huán)境可靠性試驗都要求上述三種試驗，對于一些特殊產(chǎn)品如使用在高海拔的產(chǎn)品還應(yīng)增加低氣壓（真空度）應(yīng)力試驗。

6 結(jié)束語

國內(nèi)可靠性基礎(chǔ)研究、失效機理、驗證標準方法、數(shù)據(jù)分析和軟件評估等很多方面的大量工作主要集中在航天為代表的十大軍工集團、廣州五所和北京航空航天大學等科研院校單位。隨著中國經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型升級和中國制造2025 的推進，電子產(chǎn)業(yè)迎來前所未有的好時機，與之相關(guān)的電子元器件可靠性要求和失效分析工作必將會開展得更系統(tǒng)、更深入。