淺談電子元器件可靠性評(píng)價(jià)與質(zhì)量控制策略

張全 賀卿 發(fā)紅 唐旭

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院， 西安， 710000）

電子設(shè)備由各種各樣的電子元器件 （以下簡(jiǎn)稱元器件） 組成， 一旦其中某一個(gè)元器件發(fā)生了故障， 則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電子設(shè)備不能正常工作。 當(dāng)元器件組裝完成為一個(gè)電子設(shè)備、 形成產(chǎn)品到使用者手中后， 需要面對(duì)外界不同的影響因素 （如外界溫度變化、 使用時(shí)間、 充電電流是否穩(wěn)定等）， 這些可能會(huì)對(duì)元器件造成不好的影響， 從而導(dǎo)致故障產(chǎn)生， 影響設(shè)備的正常使用。

可靠性分析是在產(chǎn)品出廠前對(duì)產(chǎn)品發(fā)生故障的原因進(jìn)行分析的一種手段， 可降低產(chǎn)品的不合格率， 提高產(chǎn)品的可靠性， 減少由于不合格產(chǎn)品所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。 元器件發(fā)生故障的原因不僅僅是由外界因素所決定， 還與它自身有著重要的關(guān)系。 元器件本身可靠性的決定因素包括生產(chǎn)方式、 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等， 同一規(guī)格的器件也可能有著不同的可靠性。 因此我們?cè)陂_(kāi)展元器件的可靠性分析時(shí)需要從多方面進(jìn)行考慮。

1 元器件可靠性評(píng)價(jià)的主要方式

1.1 芯片級(jí)可靠性評(píng)價(jià)

由于現(xiàn)在人們對(duì)電子設(shè)備的要求越來(lái)越高，組成電子設(shè)備的元器件也從原來(lái)的大體積逐步趨向于電子集成化、 微型化及芯片化， 傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電子工業(yè)的水平。于是人們發(fā)展了芯片級(jí)可靠性評(píng)價(jià)方法， 這種評(píng)價(jià)是在設(shè)備成品封裝之前進(jìn)行的， 對(duì)組成設(shè)備的主要半導(dǎo)體芯片進(jìn)行檢測(cè)。 同時(shí)， 按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)軍標(biāo)或美軍標(biāo)） 還要對(duì)芯片進(jìn)行一系列可靠性驗(yàn)證試驗(yàn) （如劃片后抽樣封裝進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)、 對(duì)芯片表面形貌進(jìn)行掃描電鏡等） 甚至是上千小時(shí)的加速壽命試驗(yàn)， 來(lái)驗(yàn)證其可靠性。 進(jìn)一步， 還要對(duì)失效芯片進(jìn)行失效分析， 通過(guò)分析不同的失效模式， 獲得大量的可靠性數(shù)據(jù)。 通過(guò)這些數(shù)據(jù)確定芯片的熱效應(yīng)能力和擊穿時(shí)間的可靠性。 因?yàn)檫@種評(píng)價(jià)手段是在器件的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行的， 因此它可以及時(shí)地進(jìn)行反饋， 從而使得工作人員能夠及時(shí)更換元器件， 實(shí)施改進(jìn)措施。 但是不足之處在于， 這種檢測(cè)方式對(duì)芯片和集成電路的損壞是不可挽回的， 并且不能檢測(cè)封裝過(guò)程中對(duì)元器件帶來(lái)的影響。

1.2 微電子結(jié)構(gòu)測(cè)試可靠性評(píng)價(jià)

這種可靠性評(píng)價(jià)方法的主要手段在于針對(duì)不同設(shè)備、 集成電路中所有可能存在對(duì)設(shè)備造成影響的薄弱環(huán)節(jié)， 設(shè)計(jì)出針對(duì)不同器件、 不同階段的失效模式進(jìn)行測(cè)試 （如在不同的使用工況下產(chǎn)生的失效， 不同的電場(chǎng)、 磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的失效等） 進(jìn)而得到一系列數(shù)據(jù)， 根據(jù)這些數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)與測(cè)試結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系， 對(duì)器件進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。 這種方法除了在電子產(chǎn)品的研發(fā)階段以及生產(chǎn)階段都可以使用外， 還可以對(duì)這種微電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝作業(yè)， 通過(guò)施加應(yīng)力可以進(jìn)行可靠性分析。 因此這種方法已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)電子元器件生產(chǎn)過(guò)程中最為常見(jiàn)的一種評(píng)價(jià)手段。

2 元器件的質(zhì)量控制策略

元器件可靠性的決定因素主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面： ①元器件自身所具備的條件， 這種條件是器件固有的， 比如元器件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、 生產(chǎn)方式及所構(gòu)成器件的材料質(zhì)量等因素； ②元器件組成完電子設(shè)備之后， 使用者在使用過(guò)程中元器件所受到的外界因素， 例如使用設(shè)備的時(shí)間、 充電的電流、 所處環(huán)境的溫度等。 這兩個(gè)方面時(shí)時(shí)刻刻都在影響著電子元器件的可靠性， 筆者認(rèn)為應(yīng)采取以下質(zhì)量控制策略。

2.1 對(duì)元器件進(jìn)行使用前篩選

由于元器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中都存在著不確定的因素， 因此， 一些元器件在出廠時(shí)便會(huì)有少許一部分具有隱患的器件[1]。 這些雖然在前期使用沒(méi)有問(wèn)題， 但是使用壽命卻不如正常器件。 使用這些可靠性不高的元器件， 對(duì)電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)造成影響。 因此在組裝電子設(shè)備的過(guò)程中， 我們需要對(duì)元器件進(jìn)行篩選， 剔除那些存在缺陷的器件， 使用可靠性高的元器件[2]。只有這樣， 才能保障電子設(shè)備在今后使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。 如何對(duì)元器件進(jìn)行篩選呢？ 這就需要針對(duì)器件本身的結(jié)構(gòu)和使用方式等綜合考慮， 選取有針對(duì)性的篩選項(xiàng)目和篩選應(yīng)力。

2.2 對(duì)元器件進(jìn)行破壞性物理分析

在電子設(shè)備組裝過(guò)程中， 盡管我們已經(jīng)對(duì)元器件使用傳統(tǒng)的篩選方法進(jìn)行了篩選， 但是仍然不能保證所使用的元器件的可靠性。 因此人們發(fā)展出了對(duì)元器件進(jìn)行破壞性物理分析的方法， 又稱良品分析。 這種方法是在元器件交付使用前先抽取一批器件交由第三方權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)， 通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行照相、 外觀檢查、 射線檢查、 超聲波檢查、 碰撞試驗(yàn)等共20 個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。從這些試驗(yàn)內(nèi)容里進(jìn)行選取， 選擇適合檢測(cè)元器件所需的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容， 從而對(duì)元器件進(jìn)行篩選， 以保證元器件的可靠性， 為電子設(shè)備的穩(wěn)定性打下良好的基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)元器件進(jìn)行破壞性物理分析， 我們可以初步判斷出元器件所存在的問(wèn)題： 是由生產(chǎn)過(guò)程中造成的， 還是在本身設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中就存在問(wèn)題？ 若是在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題， 則應(yīng)該及時(shí)聯(lián)系廠家， 要求生產(chǎn)廠家進(jìn)行更換， 避免經(jīng)濟(jì)損失， 同時(shí)在檢測(cè)過(guò)程中， 加強(qiáng)對(duì)過(guò)程中的監(jiān)督環(huán)節(jié)， 保證質(zhì)量。 若是在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，則要跟設(shè)計(jì)部門進(jìn)行及時(shí)的反饋， 讓設(shè)計(jì)部門及時(shí)地解決發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題， 完善器件的設(shè)計(jì)， 并且在今后的設(shè)計(jì)過(guò)程中， 吸取教訓(xùn)， 避免再發(fā)生類似問(wèn)題。 保證器件的使用可靠性。

2.3 完善元器件的生產(chǎn)基線管控

用、 研雙方充分協(xié)商， 建立元器件過(guò)程確認(rèn)文件 （PID）， 固化元器件生產(chǎn)基線。 借鑒國(guó)外先進(jìn)的元器件質(zhì)量管理經(jīng)驗(yàn)， 推行建立過(guò)程確認(rèn)文件 （PID）， 實(shí)現(xiàn)元器件過(guò)程文件細(xì)化、量化。 按照 “PID 主文件、 過(guò)程管理、 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、 操作指南、 記錄表格” 等5 類文件開(kāi)展建設(shè)。 嚴(yán)格控制元器件的狀態(tài)變化， 按照 “論證充分、 各方認(rèn)可、 試驗(yàn)驗(yàn)證、 審批完備、 落實(shí)到位” 的總體原則， 實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件生產(chǎn)基線的全面管控。

2.4 建立風(fēng)險(xiǎn)管理體系

風(fēng)險(xiǎn)管理已成為一個(gè)熱門話題， 風(fēng)險(xiǎn)管理體系的一個(gè)重要作用就是預(yù)防。 要充分識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，可以從技術(shù)角度和管理角度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

目前在制造行業(yè)運(yùn)用最廣泛的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)有： ①失效模式和效應(yīng)分析； ②故障樹(shù)分析； ③可靠性預(yù)計(jì)。 在管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面要不斷完善風(fēng)險(xiǎn)管理體系， 通過(guò)管理評(píng)審、 內(nèi)部審核、階段性總結(jié)報(bào)告、 產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的分析等方式進(jìn)行體系的有效管控。 從而使元器件在穩(wěn)定、 可靠的區(qū)間運(yùn)行。

2.5 合理規(guī)范使用元器件

當(dāng)元件器交付使用之后， 我們也需要對(duì)元器件合理的使用進(jìn)行規(guī)范， 每一個(gè)元器件都有它獨(dú)有的使用方法。 例如加電時(shí)， 不能超出元器件的電壓閾值。 同時(shí)元器件的貯存也要滿足貯存要求。 只有使用正確的使用方法， 才能夠避免對(duì)器件造成損害， 保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。 使用方需要制定合理的使用及維護(hù)計(jì)劃， 定期地檢查器件， 一旦發(fā)現(xiàn)存在隱患， 需要及時(shí)進(jìn)行檢查更換， 保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

隨著現(xiàn)代科技水平的提高， 元器件的可靠性評(píng)價(jià)發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。 本文總結(jié)了元器件可靠性評(píng)價(jià)的主要方式， 結(jié)合現(xiàn)代質(zhì)量管理理念， 從元器件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段開(kāi)始不斷完善可靠性評(píng)價(jià)方法和技術(shù)， 在短時(shí)間內(nèi)評(píng)估元器件的可靠性， 使電子設(shè)備用到的元器件都能穩(wěn)定工作。