電子元器件質量與可靠性技術的研究探討

王文棟

（中國電子科技集團第二十研究所，陜西西安 710000）

0.引言

隨著全球經濟一體化發(fā)展水平的提高，我國市場環(huán)境競爭也越來越激烈，不管是歷史時間還是現實情況分析，企業(yè)要在激烈的競爭環(huán)境中提高自身占有率，就要不斷提高產品質量。隨著改革開放進程的加快，我國軍事行業(yè)的迅猛發(fā)展，推動了我國社會經濟的發(fā)展和進步。電子元器件作為武裝的重要組成之一，其質量直接關系到了武裝整體系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，必須給予電子元器件質量的高度關注。在當前的生產環(huán)境下，提高質量的技術主要用于事后檢驗，這種方式只能發(fā)現質量不達標的產品，但是無法避免廢品的產生，導致企業(yè)的生產成本無法得到良好的控制，給企業(yè)帶來不良的影響。本文針對電子元器件質量和可靠性技術的應用現狀進行分析，并且對可靠性設計、分析、評估技術等進行全面分析，分析新型元器件以及可靠性技術的發(fā)展趨勢。

1.國內外電子元器件的質量及可靠性技術發(fā)展趨勢

以前人們對質量管理的認知僅僅停留在質量檢驗上，通過有效的檢驗方法能夠針對出廠之后的各項工序進行質量管理，不過隨著可靠性和產品質量的發(fā)展、社會經濟的發(fā)展以及企業(yè)生產規(guī)模的擴大，傳統(tǒng)的檢驗技術無法滿足產品可靠性的要求。進入到20世紀50年代后，全面質量管理的理念和技術被提出，在產品研發(fā)和制作的過程中應用有效提高了產品的整體質量，也保證了技術的可靠性。我國電子元器件可靠性技術提高的發(fā)展較晚，20世紀70年代才開始在電子工業(yè)和航空工業(yè)中初步形成可靠性研究體系，并將其應用于軍工產品。

近年來，半導體技術的發(fā)展對電子元器件可靠性技術提出了一定的要求，最常見的問題包括：電性能不可預測性、環(huán)境以及機械實驗的不可模型性以及傳統(tǒng)試驗方法的不適用性等，給可靠性技術的研究帶來極大的挑戰(zhàn)。不管是我國還是國外針對電子元器件可靠性技術的分析，將可靠性技術與電子器件設計結合起來，能夠將失效物理以及電路設計結合起來，可靠性技術也不僅僅是一個附屬品，同時由于各種可靠性研究和評估技術的發(fā)展，也形成了很多新的可靠性分析方法[1]。

2.關于電子元器件可靠性技術的研究

2.1 可靠性設計技術

可靠性設計作為可靠性工程的重點內容，直接影響著電子元器件的安全性和穩(wěn)定性，在企業(yè)產品研發(fā)中是最值得關注的問題之一。在可靠性建設階段，需要滿足功能和特性參數的要求，還要考慮到產品使用壽命與可靠性之間的關系。

（1）產品可靠性需求分析及可靠性設計原則。為了設計出可靠性更加完善的產品，首先就要采集以及分析產品的相關環(huán)境信息，主要思想原則要根據產品的典型任務內容、提取環(huán)境特點、挖掘內在條件的基礎上形成產品可靠性設計要求，并且對產品樣件的測試大綱以及可靠性設計提供基礎。不僅如此，電子元器件自身設計、應用的材料、生產過程都對其可靠性帶來一定的影響，因此需要幾個方面提高產品的可靠性：1）采用失效數據統(tǒng)計分析以及失效樣本分析，明確電子產品質量與可靠性的失效類型。隨著電子元器件大小的減小，電遷移、TDDB以及熱載流子等失效機理也越來越多，要給予可靠性設計的高度重視。2）針對元器件結構、圖紙設計、工藝技術等采用有效的可靠性設計技術。比如說，在單片集成電路設計環(huán)節(jié)要盡可能降低工作電驢，以免電遷移失效。版圖設計階段還要注意互聯(lián)線的寬度，控制電流的密度。組裝工藝要提高散熱性能，以免工作中溫度升高。3）性能參數與可靠性之間發(fā)生矛盾，要先考慮產品的可靠性條件。比如說，大功率半導體器件，在芯片與底座之間使用鉬片以加強緩沖、也能提高粘連的穩(wěn)定性，提高串聯(lián)電阻，避免飽和壓降的提高[2]。

（2）電子元器件的選擇及管控。電子元器件是構成電子產品的重要元素，電子元器件的類型選擇直接關系到電子產品的整體質量和可靠性，通過有效的手段進行管控：1）采用質量過關的電子元器件，并且針對現有的元器件做好歸類管理，構建優(yōu)質元器件庫。2）制定完善的物料管理系統(tǒng)，加強對新物料的篩選和管理。3）根據電路工作參數、整機的使用環(huán)境，選擇符合要求的電子元器件，提高電子產品的可靠性。

（3）常用的可靠性設計對策。1）降額設計。電子元器件由于自身材料、制造工藝、結構對外應力有極強的耐受力，不過若是外應力超過了元器件自身的承受壓力，那么就會發(fā)生損壞。間隔設計，就是將元器件使用中采用比額定值低的狀態(tài)下的設計技術。有效地降額能夠減少電子器件的失效率，從而保證產品的可靠性。根據專家的而研究，在強輻射、低氣壓、低溫等特殊環(huán)境下，考慮電氣設備高原降額的基礎上，根據5000m等級水平就逆變器的功率開展降額設計[3]。2）熱設計。電子設備中使用的電子元器件密度明顯提高，電子元器件之間傳導、輻射、對流形成的熱效應也是導致電子元器件發(fā)生故障的主要原因。根據分析可知，電子元器件的溫度提高2℃，可靠性就會下降10%，電子元器件的溫度達到了50℃，電子產品的使用壽命會明顯降低。因此可以通過有效的設計手段虧功能指電子元器件的溫度升高。根據專家的研究，針對便攜式密封機的熱行為實施數據模擬，獲取密封機箱中各元器件的溫度分布，通過熱阻較小、傳輸效率較高的熱管進行熱量傳遞，能夠實現芯片冷卻，提高冷卻的效果。3）亢余設計?？河嘣O計目前被廣泛應用，具有實用性高、操作簡單的特點。設計人員經常會在關鍵的部位使用電子元器件，但是若電子元器件失去了作用，附件元件可以代替開展工作，不會對整體系統(tǒng)的運行造成影響。根據專家的研究，開關電源模塊摒棄了傳統(tǒng)的亢余電源設計，采用MOS管進行亢余管理，通過電源模塊的遠端補償sense端設計均流電路，獲得極高的效果。有并聯(lián)電源模塊的地位是相同的，因此這些模塊都可以成為主電源，通過有效的設計能夠擴充容量，發(fā)揮亢余的功能。4）電磁兼容設計。電磁兼容設計就是在同樣的磁環(huán)境中，能夠實現系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設備功能的并存。電磁兼容性包括系統(tǒng)內和系統(tǒng)間2個方面，是評估電子產品可靠性的重要指標。電磁兼容設計的方法為：系統(tǒng)電器元件、參考地之間要構建導電通道，在各個金屬元器件表面構建低阻通道，減少元器件由于電位差而造成干擾，通過有效的屏蔽措施阻隔輻射電磁波[4]。5）三防設計。氣候環(huán)境中包括很多不可控的因素：濕度、鹽霧、霉菌，電子產品具有極高的精密性，要考慮工作環(huán)境對電子產品帶來的影響，針對影響因素制定有效的三防措施。根據安裝在艦載直升機的某個信號處理機，考慮海洋環(huán)境的濕熱、高熱、鹽霧的特點，會導致電路發(fā)生腐蝕或發(fā)霉。為了保證信號處理機能夠正常的投入工作，就要在設計初期嚴格落實三防措施，通過選擇抗腐蝕材料、在材料表面涂抹防腐蝕物質等提高安全性。然后通過試驗測試信號處理機的防護性能分析，在高熱、濕熱、鹽霧的狀態(tài)下依然能夠正常工作，三防設計能夠有效滿足處理機在惡劣環(huán)境下的工作需求。

2.2 可靠性試驗技術

在電子產品研制中，設計環(huán)節(jié)成為了決定產品質量和可靠性的重要流程，測試、試驗作為評估設計的關鍵手段，只有通過可靠性試驗獲取有效數據，并且針對數據進行分析、處理，才能確定產品的可靠性。（1）可靠性試驗應用的目的?？煽啃栽囼灥哪康木褪窃u估設計是否能夠滿足可靠性的相關要求，但是無法對產品是否合格進行評估?？煽啃栽囼炦€有一個目的在于找到且排除設計制造中存在的問題，制定有效的解決對策，提高電子產品的可靠性。（2）可靠性試驗的相關分類?？煽啃栽囼瀾秒A段，要先落實產品研制的流程，半導體器件在開發(fā)的不同階段要采用不同的可靠性試驗，分類方法也各有不同，最常用的就是統(tǒng)計可靠性試驗以及工程可靠性試驗。工程可靠性試驗中還包括環(huán)境篩選試驗、可靠性增長試驗等，有利于提高產品的可靠性。統(tǒng)計可靠性試驗為了獲取產品在特殊條件下的可靠性指標，為設計、生產、應用提供有力數據。不僅如此，可靠性試驗應用階段還有很多不同分類，比如可以根據環(huán)境的不同劃分為不同應力條件下的現場試驗和模擬試驗；根據不同的實驗特點劃分為破壞性實驗和非破壞性試驗；根據實驗項目的劃分包括環(huán)境試驗、壽命試驗、加速試驗等[5]。

2.3 可靠性技術

電子元器件可靠性分析技術包括物理措施和化學措施，從結構、原材料選擇、制造工藝上對電子元器件進行深層次設計，為評估電子元器件的可靠性提供基礎。（1）破壞性物理分析。這一技術主要用于驗證電子元器件設計、結構、材料及質量是否滿足相關要求，根據電子元器件生產批次進行抽樣檢查，并且在樣品分析前后實施完善的檢驗和分析。破壞性物理分析能夠判斷是否會產生危害并且導致電子元器件的批次出現質量問題。我國航天行業(yè)在20世紀80年代實施了DPA措施，提高了電子元器件的質量，促進產品質量不斷提高。根據郁振華[6]等人研究，采用了銅絲鍵合塑封器件DPA的評判標準，確定了開封技術的工藝流程和參數。（2）失效分析。產品失效作為制造行業(yè)生產中最常見的問題，失效分析是必不可少的工作。失效分析技術針對設計到應用中失去功效的電子元器件，通過性能、化學、物理等多個方面查找失效的原因，明確失效模式和失效機理，制定合理的糾正措施，從而達到提高電子元器件質量、減少元器件失效率的作用。根據研究，通過二次電池電芯失效分析方法，技術流程包括失效背景信息收集、外觀檢查、無損檢測獲取電化學信息、拆解電芯等，從而對電子元器件的樣品實施測試。二次電池電芯失效分析方法能夠對失效原因、失效機理進行分析，有效提高分析人員的工作效率，形成失效分析數據庫，對促進行業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎[7]。（3）結構分析。電子元器件的可靠性技術是指在規(guī)定的環(huán)境下完成有效的任務，從某種程度上來說直接決定了元器件的可靠性，可靠性與結構設計有密切的關系，結構設計中還包括制造材料、工藝流程等，不管任何一個環(huán)節(jié)出現問題，工藝結構都會出現問題，阻礙了電子元器件的可靠性，進而會對電子產品的整體效能產生影響。在電子元器件前全面了解其結構和工藝上存在的問題，能夠減少電子元器件的損失，形成可靠性評估方法。

2.4 可靠性評估技術

元器件可靠性評估技術的內容包括元器件成品、半成品、樣片等，通過一定的應力且記錄過程變化數據，最后通過梳理統(tǒng)計工具、模擬仿真軟件評估電子產品使用壽命。（1）電子元器件的壽命試驗。其目的判斷電子元器件的壽命影響因素，通過實驗能夠獲取關于壽命的相關參數。試驗前要準備數量生產條件相同、未使用過的電子元器件，在模擬環(huán)境中工作記錄數據，然后分析電子元器件的失效率、平均壽命等。（2）元器件加速壽命試驗。隨著我國制造行業(yè)的發(fā)展，對產品質量也提出了極高的要求，制造行業(yè)面臨極大的工作壓力，不僅要做到保持價格穩(wěn)定，還要提高產品質量。加速壽命試驗的應用，能夠在可靠性試驗的情況下加強實驗應力水平，保證元器件能夠正常工作，快速獲取電子產品的壽命特點。

3.結語

隨著科學技術的發(fā)展，先進技術的應用也推動了電子元器件的適用范圍，那么提高電子元器件在惡劣環(huán)境中的使用質量是必需的手段。我們要致力于提高電子元器件的質量及可靠性技術，促進自主研發(fā)的電子元器件廣泛應用在各個領域中，并且要針對航天行業(yè)中的電子元器件進行適當管理，產品設計的質量管理中也要給予相應指導，提高航天行業(yè)電子元器件的應用質量。