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(qiáng)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(duì)電子元器件的可靠性進(jìn)行分析，使其能夠發(fā)揮自身的價(jià)值是非常重要的。因此，我們應(yīng)該對(duì)電子元器件的質(zhì)量進(jìn)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(dòng)國民經(jīng)濟(jì)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(píng)價(jià);質(zhì)量控制策略

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

中圖分類號(hào)：TN606? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(duì)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(shí)間短，元器件的功能不能正常的發(fā)揮等。即使設(shè)計(jì)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(yán)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(huì)毀于一旦。所以，在進(jìn)行電子產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)，要注重電子元器件的質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行可靠性的評(píng)價(jià)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(xiàng)工作做為重要的工作內(nèi)容來抓，而不單單是喊口號(hào)，要必須從觀念到行動(dòng)做出徹底的改變。

1? 電子元器件的可靠性評(píng)價(jià)

電子元器件的可靠性評(píng)價(jià)，顧名思義指的是對(duì)電子元器件（元器件產(chǎn)品、半成品、樣品、設(shè)計(jì)圖形等）通過各種可靠性的評(píng)價(jià)方法，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和測(cè)試，運(yùn)用相關(guān)的工具和軟件技術(shù)來對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)電子元器件的可靠性評(píng)價(jià)，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(jí)可靠性評(píng)價(jià)方法

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

1.2 微電子測(cè)試結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)的方法

近些年，微電子測(cè)試結(jié)構(gòu)在集成電路生產(chǎn)中是常見的工藝監(jiān)測(cè)手段。在可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，微電子測(cè)試結(jié)構(gòu)也作為對(duì)集成電路可靠性評(píng)價(jià)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(jìn)行不同的可靠性評(píng)價(jià)。對(duì)于不同器件的失效模式，再結(jié)合元器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出不同的微電子結(jié)構(gòu)圖形，而這些測(cè)試結(jié)構(gòu)圖形，不僅僅能夠在工藝中進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也可以將其進(jìn)行封裝，并施加應(yīng)力來進(jìn)行可靠性的試驗(yàn)。通過測(cè)試所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合VLSI的結(jié)構(gòu)，最終進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

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(cè)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(yán)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(duì)產(chǎn)品的耐潮濕等級(jí)和氣密性也相對(duì)較高，所以在產(chǎn)品進(jìn)行表面貼裝時(shí)，會(huì)遇到應(yīng)力匹配的問題。

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

④分析結(jié)論：通過對(duì)經(jīng)過SMT工藝試驗(yàn)的產(chǎn)品抽樣進(jìn)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(yán)重的離層現(xiàn)象（詳見圖1）。

對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jì)保證，在設(shè)計(jì)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(huì)有少部分的成品存在問題，其在一定的應(yīng)力條件下，會(huì)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(huì)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(jìn)行工作。鑒于上述情況，在元器件的裝機(jī)前，要及早的發(fā)現(xiàn)早期失效的元器件，并將其進(jìn)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(xiàng)重要的工作。對(duì)元器件進(jìn)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(duì)元器件的可靠性篩選進(jìn)行了相關(guān)論述。

2.1.1 篩選方案的設(shè)計(jì)原則

在對(duì)篩選方案的設(shè)計(jì)原則上，要遵循以下五個(gè)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(jìn)行強(qiáng)應(yīng)力篩選，提高篩選效率的同時(shí)，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(duì)象可能的失效模式;第五，在進(jìn)行電子元器件篩選時(shí)，要在綜合考慮元器件的各項(xiàng)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(xiàng)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?yàn)闇囟鹊淖兓?，?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(dá)到一定的溫度時(shí)，化學(xué)反應(yīng)會(huì)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(huì)對(duì)其進(jìn)行剔除。以下根據(jù)封裝形式的不同，提出了相應(yīng)的儲(chǔ)存溫度和時(shí)間，見表1。

2.1.2.2 電功率老煉

對(duì)元器件進(jìn)行可靠性篩選時(shí)，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(huì)暴露無遺，所以對(duì)其進(jìn)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(yàn)設(shè)備，其成本費(fèi)用相對(duì)較高，所以在進(jìn)行篩選時(shí)，有一定的時(shí)間限制，可以通過不同的電子元器件進(jìn)行時(shí)間的限定，一般情況下，民用產(chǎn)品是幾小時(shí)，軍用產(chǎn)品100-168小時(shí)，用于宇航事業(yè)的產(chǎn)品篩選時(shí)間為240小時(shí)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(huì)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(huì)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(huì)被剔除。溫度循環(huán)條件見表2。

2.1.2.4 監(jiān)控振動(dòng)和沖擊

在此試驗(yàn)中，對(duì)產(chǎn)品在日后的使用中的震動(dòng)和沖擊環(huán)境進(jìn)行模擬，通過模擬測(cè)試發(fā)現(xiàn)其中結(jié)構(gòu)不良的元器件，并將其剔除。此項(xiàng)篩選試驗(yàn)項(xiàng)目較為常用在軍用電子設(shè)備中。圖4是振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的工作原理圖。

2.2 加強(qiáng)電子元器件的破壞性物理分析（DPA）

由于在對(duì)電子元器件的缺陷進(jìn)行篩選時(shí)，即使是進(jìn)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(duì)電子元器件進(jìn)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(duì)電子元器件的缺陷進(jìn)行篩選時(shí)，有必要使用破壞性物力分析技術(shù)，這對(duì)提高產(chǎn)品的整體性能起著決定性的作用。

2.3 加強(qiáng)電子元器件的失效分析

對(duì)電子元器件的失效進(jìn)行分析，是針對(duì)已經(jīng)失效的電子元器件，對(duì)其進(jìn)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(jì)。

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(duì)電子元器件進(jìn)行試驗(yàn)，要對(duì)元器件的質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)的分析，同時(shí)有必要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，以此來幫助分析和論證。通過試驗(yàn)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(jì)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(shí)的提出質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，要求廠家進(jìn)行改進(jìn)和更換，與此同時(shí)在測(cè)試分析時(shí)，有必要加強(qiáng)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(jì)過程中出現(xiàn)問題，應(yīng)該針對(duì)問題更改和完善設(shè)計(jì)，并引以為戒，在日后的設(shè)計(jì)中避免類似的設(shè)計(jì)。

3? 電子元器件的可靠性設(shè)計(jì)

電子元器件的可靠性設(shè)計(jì)，指的是在規(guī)定的條件下，電子產(chǎn)品可能會(huì)出現(xiàn)的失效問題，針對(duì)失效而采取的一系列的補(bǔ)救措施和設(shè)計(jì)技術(shù)，來彌補(bǔ)失效的問題，使其能夠正常的工作，以達(dá)到可靠性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

可靠性設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，可靠性設(shè)計(jì)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(jì)初期的可靠性設(shè)計(jì)工作息息相關(guān)，所以，在進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮到產(chǎn)品在整個(gè)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(shí)能夠妥善的解決。其中產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(hù)、壽命等，外部環(huán)境因素包含：自然環(huán)境、儲(chǔ)存環(huán)境、運(yùn)輸環(huán)境、人為因素等。

3.1 設(shè)計(jì)簡化技術(shù)

圖5是由1、2、3……n個(gè)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(diǎn)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(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(shí)，也不要因?yàn)樽非蠓桨傅暮唵?，過多的減少部件，要能夠保證預(yù)期設(shè)定的各項(xiàng)功能，如果想要用同一元件來完成較多功能時(shí)，要保證其可靠性，對(duì)其進(jìn)行多次的驗(yàn)證，才可以使用。

3.2 元器件的降額使用

對(duì)電子元器件的應(yīng)力分析可以看出，元器件的失效率和對(duì)其施加的應(yīng)力兩者之間成正比例關(guān)系，對(duì)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(duì)元器件采取降額使用。降額的方法，不是對(duì)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(dá)到降額的根本目的，如果過分的降額，則提高了成本費(fèi)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(jì)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(jì)

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

這個(gè)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(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)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(jì)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(jì)

在設(shè)備的工作過程中，都有對(duì)溫度的要求，一旦溫度上升，電子元器件的功能會(huì)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(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮溫度的條件，即熱設(shè)計(jì)，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(píng)價(jià)與質(zhì)量控制是一項(xiàng)重要的內(nèi)容，必須要引起行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。制定相應(yīng)的使用要求和規(guī)范，對(duì)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，從根本上加強(qiáng)了電子整機(jī)裝備的的可靠性，降低使用成本與風(fēng)險(xiǎn)，也間接為我國帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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