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        如何選擇工業級電子元器件

        2020-04-11

        隨著工業、軍事和民用等部門對電子產品的質量要求日益提高,電子設備的可靠性問題受到了越來越廣泛的重視。對電子元器件進行篩選是提高電子設備可靠性的最有效措施之一??煽啃院Y選的目的是從一批元器件中選出高可靠的元器件,淘汰掉有潛在缺陷的產品。從廣義上來講,在元器件生產過程中各種工藝質量檢驗以及半成品、成品的電參數測試都是篩選,而我們這里所講的是專門設計用于剔除早期失效元器件的可靠性篩選。理想的篩選希望剔除所有的劣品而不損傷優品,但實際的篩選是不能完美無缺的,因為受篩選項目和條件的限制,有些劣品很可能漏過,而有些項目有一定的破壞性,有可能損傷優品。但是,可以采用各種方法盡可能地達到理想狀態。

        如何選擇工業級電子元器件

        元器件是整機的基礎,它在制造過程中可能會由于本身固有的缺陷或制造工藝的控制不當,在使用中形成與時間或應力有關的失效。為了保證整批元器件的可靠性,滿足整機要求,必須把使用條件下可能出現初期失效的元器件剔除。

        元器件的失效率隨時間變化的過程可以用類似“浴盆曲線”的失效率曲線來描述,早期失效率隨時間的增加而迅速下降,使用壽命期(或稱偶然失效期)內失效率基本不變。篩選的過程就是促使元器件提前進入失效率基本保持常數的使用壽命期,同時在此期間剔除失效的元器件。

        事物的好與壞的判別必須要有標準去衡量。判斷元器件的失效與否是由失效判別標準一一失效判據所確定的。失效判據是質量和可靠性的指標,有時也有成本的內涵,所以元器件失效不僅指功能的完全喪失,而且指電學特性或物理參數降低到不能滿足規定的要求。簡而言之,產品失去規定的功能稱為失效。

        20世紀60年代以來,我國陸續制定、修訂了一系列標準,開發各種試驗方法,開拓了旨在研究失效機理的可靠性物理這門新的學科,發展了失效模式、影響及危害性分析和故障樹兩種有效的分析方法。這些方法的使用,為提高元器件篩選的有效性和準確性提供了強大的理論工具。

        失效一般分為現場失效和試驗失效?,F場失效一般是在裝機以后出現的失效,因此,我們在元器件測試篩選過程中只考慮試驗失效。試驗失效主要是封裝失效和電性能失效。封裝失效主要依靠環境應力篩選來檢測。所謂環境應力篩選,即在篩選時選擇若干典型的環境因素,施加于產品的硬件上,使各種潛在的缺陷加速為早期故障,然后加以排除,使產品可靠性接近設計的固有可靠性水平,而不使產品受到疲勞損傷。在正常情況下是通過在檢測時施加一段時問的環境應力后,對外觀的檢查(主要是鏡檢,根據元器件的質量要求,采用放大10倍對元器件外觀進行檢測;也可以根據需要安排紅外線及X射線檢查),以及氣密性篩選來完成,當有特殊需要時,可以增加一些DPA(破壞性物理分析)等特殊測試;這些篩選項目對電性能失效模式不會產生觸發效果。所以,一般將封裝失效的篩選放在前面,電性能失效的篩選放在后面。

        電性能失效可以分為連結性失效、功能性失效和電參數失效。連結性失效指開路、短路以及電阻值大小的變化,這類失效在元器件失效中占有較大的比例。因為在元器件篩選測試過程中,由于過電應力所引起的大多為連結性失效,同時,連結性失效可以引發功能性失效和電參數失效,但是功能性失效和電參數失效不會引發連結性失效。主要原因是,當連結性失效模式被特定的篩選條件觸發時,往往出現的現象為元器件封裝涂覆發生銹蝕、外殼斷裂、引線熔斷、脫落或者與其他引線短路,主要表現為機械和熱應力損傷,但是有時并不表現為連結性故障,而是反映為金屬疲勞、鍵合強度不夠等問題,這些本身不會引發連結性失效,但是會引發功能性失效和電參數失效,需要通過功能性和電參數監測才能發現。但是,電路的功能性失效和電參數失效被特定的的篩選條件觸發時,出現的現象是某些特定的功能失效、電參數超差等。造成這些失效的主要原因在于:制造、設計中的缺陷以及生產工藝控制不嚴,使生產過程中各種生產要素如空氣潔凈度等級、超純水的質量監測、超純氣體和化學試劑達不到規定的要求;在運輸轉運過程中由于防靜電措施不到位也會發生靜電損傷。這些因素作用下半導體晶體會受到各種表面污染物的玷污,會使產品不能達到規定的質量等級要求。當受到特定的外部條件激發的情況下,就會產生功能性失效和電參數失效,但是這些功能性失效和電參數失效造成的影響往往只能造成元器件部分的功能失去作用,還不能使芯片的封裝和各部分的連結線出現燒毀、短路、開路等現象,所以電路的功能性失效和電參數失效與連結性失效不產生引發效果。

        在安排測試篩選先后次序時,有兩種方案:

        a)方案1:將不產生連環引發效果的失效模式篩選放在前面,將可以與其他失效模式產生連環引發效果的失效模式篩選放在后面。

        b)方案2:將可以與其他失效模式產生連環引發效果的失效模式篩選放在前面,將不產生連環引發效果的失效模式篩選放在后面。

        如果選擇方案1,會發現將可以與其他失效模式產生連環引發效果的失效模式篩選放在后面時,出現本身失效模式沒有被觸發、其他關聯的相關失效模式被觸發的情況時,這種帶有缺陷的元器件不能被準確地定位、剔除,因為該類失效模式的檢測已經在前面做過了。而選擇方案2就可以非常有效地避免上述問題的發生,使篩選過程優質、經濟和高效。

        因此,決定元器件測試篩選先后次序的原則是:

        a)失效概率最大的篩選方法首先做。

        b)當一種失效模式可以與其他失效模式產生關聯時,應將此失效模式的篩選放在前面。

        c)使用不同方法對同一種失效模式進行篩選時,首先考慮失效概率的分布,容易觸發失效的篩選方法首先進行。

        d)考慮經濟性,便宜的先做。

        e)考慮時間性,時間長的后做。

        f)測試順序的安排是后面的參數能夠檢查元器件經前面參數測試后可能產生的變化。對有耐電壓、絕緣電阻測試要求的元器件,耐壓在前、絕緣在后,功能參數最后測試;對有擊穿電壓和漏電流測試要求的元器件,擊穿電壓在前,漏電流在后,功能參數最后測試。

        1 元器件篩選的必要性

        電子元器件的固有可靠性取決于產品的可靠性設計,在產品的制造過程中,由于人為因素或原材料、工藝條件、設備條件的波動,最終的成品不可能全部達到預期的固有可靠性。在每一批成品中,總有一部分產品存在一些潛在的缺陷和弱點,這些潛在的缺陷和弱點,在一定的應力條件下表現為早期失效。具有早期失效的元器件的平均壽命比正常產品要短得多。電子設備能否可靠地工作基礎是電子元器件能否可靠地工作。如果將早期失效的元器件裝上整機、設備,就會使得整機、設備的早期失效故障率大幅度增加,其可靠性不能滿足要求,而且還要付出極大的代價來維修。因此,應該在電子元器件裝上整機、設備之前,就要設法把具有早期失效的元器件盡可能地加以排除,為此就要對元器件進行篩選。根據國內外的篩選工作經驗,通過有效的篩選可以使元器件的總使用失效率下降1 - v 2個數量級,因此不管是軍用產品還是民用產品,篩選都是保證可靠性的重要手段。

        2 篩選方案的設計原則

        定義如下:

        篩選效率 W=剔除次品數/實際次品數

        篩選損耗率 L=好品損壞數/實際好品數

        篩選淘汰率Q=剔降次品數/進行篩選的產品總數

        理想的可靠性篩選應使W=1,L=0,這樣才能達到可靠性篩選的目的。Q值大小反映了這些產品在生產過程中存在問題的大小。0值越大,表示這批產品篩選前的可靠性越差,亦即生產過程中所存在的問題越大,產品的成品率低。

        篩選項目選擇越多,應力條件越嚴格,劣品淘汰得越徹底,其篩選效率就越高,篩選出的元器件可靠性水平也越接近于產品的固有可靠性水平。但是要付出較高的費用、較長的周期,同時還會使不存在缺陷、性能良好的產品的可靠性降低。故篩選條件過高就會造成不必要的浪費,條件選擇過低則劣品淘汰不徹底,產品的使用可靠性得不到保證。由此可見,篩選強度不夠或篩選條件過嚴都對整批產品的可靠性不利。為了有效而正確地進行可靠性篩選,必須合理地確定篩選項目和篩選應力,為此,必須了解產品的失效機理。產品的類型不同,生產單位不同以及原材料及工藝流程不同時,其失效機理就不一定相同,因而可靠性篩選的條件也應有所不同。因此,必須針對各種具體產品進行大量的可靠性試驗和篩選摸底試驗,從而掌握產品失效機理與篩選項目間的關系。元器件篩選方案的制訂要掌握以下原則: ①篩選要能有效地剔除早期失效的產品,但不應使正常產品提高失效率。②為提高篩選效率,可進行強應力篩選,但不應使產品產生新的失效模式。③合理選擇能暴露失效的最佳應力順序。④對被篩選對象可能的失效模式應有所掌握。⑤為制訂合理有效的篩選方案,必須了解各有關元器件的特性、材料、封裝及制造技術。此外,在遵循以上五條原則的同時,應結合生產周期,合理制定篩選時間。

        3 幾種常用的篩選項目

        3.1 高溫貯存

        電子元器件的失效大多數是由于體內和表面的各種物理化學變化所引起,它們與溫度有密切的關系。溫度升高以后,化學反應速度大大加快,失效過程也得到加速。使得有缺陷的元器件能及時暴露,予以剔除。

        高溫篩選在半導體器件上被廣泛采用,它能有效地剔除具有表面沽污、鍵合不良、氧化層有缺陷等失效機理的器件。通常在最高結溫下貯存2 4 -1 6 8小時。

        高溫篩選簡單易行,費用不大,在許多元器件上都可以施行。通過高溫貯存以后還可以使元器件的參數性能穩定下來,減少使用中的參數漂移。各種元器件的熱應力和篩選時間要適當選擇,以免產生新的失效機理。

        3.2 功率電老煉

        篩選時,在熱電應力的共同作用下,能很好地暴露元器件體內和表面的多種潛在缺陷,它是可靠性篩選的一個重要項目。

        各種電子元器件通常在額定功率條件下老煉幾小時至168小時,有些產品,如集成電路,不能隨便改變條件,但可以采用高溫工作方式來提高工作結溫,達到高應力狀態,各種元器件的電應力要適當選擇,可以等于或稍高于額定條件,但不能引人新的失效機理。功率老煉需要專門的試驗設備,其費用較高,故篩選時間不宜過長。民用產品通常為幾個小時,軍用高可靠產品可選擇 1 0 0 .1 6 8小時,宇航級元器件可以選擇2 4 0小時甚至更長的周期。

        3.3 溫度循環

        電子產品在使用過程中會遇到不同的環境溫度條件,在熱脹冷縮的應力作用下,熱匹配

        性能差的元器件就容易失效。溫度循環篩選利用了極端高溫和極端低溫間的熱脹冷縮應力,能有效的剔除有熱性能缺陷的產品。元器件常用的篩選條件是-55 ~+1 2 5℃,循環5 ~10次。

        3.4 離心加速度

        離心加速度試驗又稱恒定應力加速度試驗。這項篩選通常在半導體器件上進行,把利用高速旋轉產生的離心力作用于器件上,可以剔除鍵合強度過弱、內引線匹配不良和裝架不良的器件,通常選用20000 g 離心加速度持續試驗一分鐘。

        3.5 監控振動和沖擊

        在對產品進行振動或沖擊試驗的同時進行電性能的監測常被稱為監控振動或監控沖擊試驗。這項試驗能模擬產品使用過程中的振動、沖擊環境,能有效地剔除瞬時短、斷路等機械結構不良的元器件以及整機中的虛焊等故障。在高可靠繼電器、接插件以及軍用電子設備中,監控振動和沖擊是一項重要的篩選項目。

        典型的振動條件是: 頻率2 0 ~ 2000 Hz ,加速度2~20 g ,掃描1~ 2周期,在共振點附近要多停留一段時間。典型的沖擊篩選條件是1500^ -3000g ,沖擊3 ~5 次,這項試驗僅適用于元器件。

        監控振動和沖擊需要專門的試驗設備,費用昂貴,在民用電子產品中一般不采用。

        除以上篩選項目外,常用的還有粗細檢漏、鏡檢、線性判別篩選、精密篩選等。

        4 半導體器件篩選方案設計

        半導體器件可以劃分為分立器件和集成電路兩大類。分立器件包括各種二極管、三極管、場效應管、可控硅、光電器件及特種器件; 集成電路包括雙極型電路、 MOS電路、厚膜電路、薄膜電路等器件。各種器件的失效模式和失效機理都有差異。不同的失效機理應采用不同的篩選項目,如查找焊接不良,安裝不牢等缺陷,可采用振動加速度; 查找元器件鍵合不牢,裝片不良,內引線配置不合適等缺陷,采用離心加速度; 查找間歇短路、間歇開路等缺陷,采用機械沖擊等。因此,不同器件的篩選程序不一定相同。如晶體管的主要失效模式有短路、開路、間歇工作、參數退化和機械缺陷等五種,每種失效模式又涉及到多種失效機理,這些都是制定合理的篩選程序的重要依據。

        a)外觀檢查:用10倍放大鏡檢查外形、引線及材料有無缺陷。

        b)溫度循環:使元器件交替暴露在規定的極限高溫和極限低溫下,連續承受規定條件和規定次數的循環,由冷到熱或由熱到冷的總轉移時問不超過1min,保持時間不小于10min。

        c)高溫壽命(非工作:按照國家標準規定的壽命試驗要求,使元器件在規定的環境條件下(通常是最高溫度)存儲規定的時間。

        d)電功率老煉:按降額條件達到最高結溫下的老煉目的,老煉功率按元器件各自規定的條件選取。

        e)密封性試驗:有空腔的元器件,先細檢漏,后粗檢漏。

        f)電參數測試(包括耐壓或漏電流等測試):按產品技術規范合同規定進行。

        g)功能測試:按產品技術規范合同規定進行。

        基于以上原理,優化了元器件測試篩選先后次序,按照失效模式的分類,對檢測篩選手段依據元器件測試篩選先后次序的原則進行排序

        4.1 二極管典型篩選程序

        常用的半導體二極管有整流、開關、穩壓、檢波和雙基極等類型,典型的篩選程序如下:

        ( 1 ) 高溫儲存: 鍺管100℃、硅管150℃, 96h。

        ( 2 ) 溫度循環: 鍺管-55℃-+85℃,5次; 硅管-55℃~+125℃,5次。

        ( 3 ) 敲變: 用硬橡膠錘敲3 ~ 5次,同時用圖示儀監視正向特性曲線。

        ( 4 ) 跌落: 在8 0 c m高度,按自由落體到玻璃板上5 ~ 1 5次。

        ( 5 ) 功率老煉: ①開關管: 1 。 5 倍額定正向電流, 1 2 小時; ②穩壓管: 1~1 。 5 倍額定功率,1 2 小時 ; ③檢波整流管: 1~1 。 5 倍額定電流, 1 2 小時; ④雙基極二極管: 額定功率老煉1 2小時。

        ( 6 ) 高溫反偏: 鍺管7 0 0 C,硅管1 2 5 0 C , 額定反向電壓2 小時,漏電流不超過規范值。

        ( 7 ) 高溫測試: 鍺管7 0℃,硅管1 2 5℃。

        ( 8 ) 低溫測試: -5 5℃。

        ( 9 ) 外觀檢查: 用顯微鏡或放大鏡檢查外觀質量,剔除玻璃碎裂等有缺陷的管子。

        4 .2 三極管典型篩選程序

        高溫儲存— 溫度循環— 跌落( 大功率管不做) — 功率老煉— 高低溫測試( 有要求時做) — 常溫測試— 粗細檢漏— 外觀檢查。

        ( 1 ) 高溫儲存: 鍺管1 0 0℃、硅管1 7 5 ℃, 9 6 小時。

        ( 2 ) 功率老化: 小功率管加功率至結溫Tjm,老煉2 4 小時,高頻管要注意消除有害的高頻振蕩,以免管子hFE退化。

        4 .3 半導體集成電路典型篩選程序

        高溫儲存— 溫度循環— ( 跌落) — 離心— 高溫功率老煉— 高溫測試— 低溫測試— 檢漏— 外觀檢查— 常溫測試。

        ( 1 ) 高溫儲存: 8 5 ~1 7 5 ℃, 9 6小時。

        ( 2 ) 離心:20000 g , 1 分鐘

        ( 3 ) 高溫功率老煉: 8 5℃, 9 6 小時,在額定電壓、額定負載下動態老煉。

        電子元器件的篩選重點應放在可靠性篩選上,具體的篩選程序可根據元器件的結構特點、失效模式及使用要求靈活制訂。

        篩選和質量控制是高可靠元器件生產中的重要環節。對于優質產品,通過篩選可使整批產品達到其固有的高可靠性。對于劣質產品,由于其固有的缺陷,就不可能篩選出高可靠產品。因此,在篩選前有必要對產品的質量和可靠性水平進行抽樣試驗評價,通過試驗和失效分析有助于制訂合理的篩選程序。