杜進(jìn)橋，雷曉敏，王宗標(biāo)，皮志武，李傳業(yè)

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷突破，類(lèi)型各異的電子系統(tǒng)在各行各業(yè)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用并迅速普及。電子系統(tǒng)以電子元器件為基本單元，通過(guò)拓?fù)溥B接構(gòu)成整體框架用于實(shí)現(xiàn)特定功能。數(shù)據(jù)表明，在電子系統(tǒng)的使用過(guò)程中，電子元器件物料的質(zhì)量不可靠是造成整機(jī)失效的主要原因[1]。由此可見(jiàn)，電子元器件物料作為整機(jī)的組成部分決定著一個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。在工業(yè)生產(chǎn)中，同一應(yīng)用場(chǎng)合可選用的電子元器件的種類(lèi)繁多，要保證在眾多型號(hào)中選取較優(yōu)物料，對(duì)于電子元器件物料的可靠性評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

1 電子元器件可靠性評(píng)價(jià)方法

所謂電子元器件的可靠性評(píng)價(jià)[2]，指的是對(duì)元器件產(chǎn)品、半成品、樣品和設(shè)計(jì)圖形等電子元器件通過(guò)各種可靠性評(píng)價(jià)手段，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和測(cè)試，運(yùn)用相關(guān)工具或軟件技術(shù)對(duì)電子元器件進(jìn)行可靠性評(píng)估。通過(guò)對(duì)同一類(lèi)型不同型號(hào)的電子元器件進(jìn)行物料可靠性評(píng)價(jià)，形成評(píng)價(jià)等級(jí)，從而指導(dǎo)整機(jī)產(chǎn)品的物料選型，確保系統(tǒng)的可靠性。

2 基于可靠性試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法

現(xiàn)提出面向電子元器件物料的評(píng)價(jià)方法，通過(guò)開(kāi)展可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，從電子元器件關(guān)鍵參數(shù)一致性、工藝適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)分析、熱性能分析和耐久性5個(gè)考核項(xiàng)出發(fā)開(kāi)展評(píng)價(jià)，從而對(duì)比出不同型號(hào)物料之間可靠性的優(yōu)劣程度，為整機(jī)電子元器件物料優(yōu)選及檢驗(yàn)提供依據(jù)。

2.1 質(zhì)量一致性

電子元器件在從制造直至測(cè)試出廠的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量控制的一致性，對(duì)器件的可靠性有著至關(guān)重要的影響[3]。參數(shù)的一致性反映了生產(chǎn)過(guò)程中的控制水平，構(gòu)成質(zhì)量一致性的重要內(nèi)容。對(duì)于電子元器件物料評(píng)價(jià)，提取能夠有效地表征質(zhì)量一致性的參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量一致性評(píng)價(jià)。

2.2 工藝適應(yīng)性

電子元器件在苛刻條件下完成良好焊接和組裝，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能并確?？煽啃允谦@得良好產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。從工藝適應(yīng)性出發(fā)，通過(guò)電子元器件可焊性、耐熱性能、潮敏等級(jí)評(píng)價(jià)和引出端強(qiáng)度等方面的內(nèi)容[4]，評(píng)價(jià)電子元器件經(jīng)過(guò)電子組裝后，是否容易出現(xiàn)工藝缺陷。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

電子元器件制造過(guò)程中引入工藝相關(guān)的缺陷和不足，尤其是批次性問(wèn)題一般會(huì)通過(guò)器件內(nèi)外部的結(jié)構(gòu)、物理特性、宏觀或微觀形貌特征表現(xiàn)出來(lái)。針對(duì)該類(lèi)情況，通過(guò)對(duì)器件的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行解剖分析、物理性能進(jìn)行測(cè)試、形貌進(jìn)行觀察，可逐步地提取其結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)等設(shè)計(jì)基線信息，暴露工藝缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷，定性地評(píng)價(jià)工藝水平。

2.4 熱性能分析

熱性能綜合反映電子元器件的傳熱性能和熱效率狀態(tài)[5]。通過(guò)測(cè)試電子元器件與其熱性能相關(guān)的參數(shù)而達(dá)到評(píng)價(jià)目的。

2.5 耐久性

耐久性是指電子元器件能夠無(wú)故障地使用較長(zhǎng)時(shí)間的能力[6]，該指標(biāo)考核特定環(huán)境應(yīng)力下器件的耐退化能力，這種退化包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)的退化和功能參數(shù)的退化。通過(guò)測(cè)試電子元器件環(huán)境試驗(yàn)后的功能參數(shù)，考核其耐久性。

上述5類(lèi)考核項(xiàng)是針對(duì)不同的電子元器件，可包含不同類(lèi)型的考核點(diǎn)，通過(guò)可靠性試驗(yàn)與測(cè)試，以打分的方式對(duì)電子元器件的物料優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體方式如式（1）-（2）所示，按照權(quán)重對(duì)每一個(gè)考核點(diǎn)進(jìn)行評(píng)分，并綜合所有可靠性試驗(yàn)的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，得到電子元器件的總體質(zhì)量可靠性評(píng)價(jià)：

式（1）中：Wi——根據(jù)考核點(diǎn)的重要程度分配的加權(quán)因子；

Pi——每一項(xiàng)的評(píng)分；

Q0——每個(gè)考核點(diǎn)的總得分即原始分；

Qs——該類(lèi)電子元器件總體質(zhì)量可靠性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)分，通過(guò)分?jǐn)?shù)即可完成對(duì)電子元器件物料的評(píng)價(jià)。

3 IGBT物料可靠性評(píng)價(jià)

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor），是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。IGBT作為電力電子的重要大功率主流器件之一，被廣泛地應(yīng)用于家用電器、交通運(yùn)輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。本次可靠性試驗(yàn)針對(duì)某整機(jī)產(chǎn)品中使用的IGBT物料進(jìn)行評(píng)價(jià)，用于指導(dǎo)整機(jī)產(chǎn)品中的器件選型。

3.1 試驗(yàn)方案

針對(duì)IGBT物料，結(jié)合上一章提到的基于可靠性試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法，從5個(gè)方面對(duì)IGBT器件進(jìn)行可靠性考核，分別對(duì)應(yīng)A、B、C、D、E 5組試驗(yàn)樣品。具體的試驗(yàn)項(xiàng)目與流程如圖1所示。

圖1 IGBT物料評(píng)價(jià)方案測(cè)試項(xiàng)目與試驗(yàn)流程

結(jié)合IGBT的特性與使用條件，參考現(xiàn)有的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出具體的考核項(xiàng)如表1所示。

表1 IGBT物料的具體考核項(xiàng)要求

鑒于每一項(xiàng)功能性能或物理性能對(duì)整機(jī)的可靠性的影響程度是不一樣的，因此結(jié)合市場(chǎng)使用后失效機(jī)理統(tǒng)計(jì)情況，可以得到各個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，具體的權(quán)重分配如表2所示。

表2 分值分配及權(quán)重分配

本次評(píng)價(jià)包含不同生產(chǎn)廠商、不同型號(hào)的6種IGBT物料，命名為型號(hào)1～6。依照整機(jī)電路使用中的物料的典型使用條件，得到本次IGBT物料評(píng)價(jià)方法的評(píng)分參考，具體如表3所示。每個(gè)考核點(diǎn)給出評(píng)分區(qū)間：優(yōu)（10～9分）、高于平均（8～7分）、平均（6～4分）、差（3～0分），考核項(xiàng)的具體考核點(diǎn)評(píng)分依據(jù)按照參考標(biāo)準(zhǔn)給出統(tǒng)一的評(píng)分要求。

表3 IGBT物料評(píng)分參考

試驗(yàn)中，約定重大缺陷項(xiàng)，一旦發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)此類(lèi)問(wèn)題，無(wú)論其他項(xiàng)目得分為何，都不建議選用，評(píng)價(jià)結(jié)論為“重大缺陷：該IGBT存在重大缺陷，不建議使用”。在評(píng)價(jià)考核過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵或特殊信息，有必要提醒設(shè)計(jì)人員以改良設(shè)計(jì)或避免出現(xiàn)誤用。在評(píng)價(jià)考核點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)可靠性問(wèn)題的缺陷，但通過(guò)一定的設(shè)計(jì)手段可以控制，提出警告供設(shè)計(jì)人員參考，評(píng)價(jià)結(jié)論中應(yīng)指出警告點(diǎn)。對(duì)于在評(píng)價(jià)考核點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的容易導(dǎo)致制程可靠性問(wèn)題，但通過(guò)一定的過(guò)程控制可以解決的缺陷，應(yīng)提出制程警告供工藝人員參考。對(duì)于在評(píng)價(jià)考核點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的可能導(dǎo)致可靠性問(wèn)題的缺陷，若基于現(xiàn)有的信息尚不能做出結(jié)論性判斷，則需要進(jìn)一步地搜集信息并跟蹤制程和市場(chǎng)反饋。此類(lèi)問(wèn)題視嚴(yán)重程度，或在評(píng)價(jià)結(jié)論部分提出，或在評(píng)價(jià)報(bào)告的補(bǔ)充信息部分提出。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)并給出每項(xiàng)考核點(diǎn)的評(píng)分，按照約定權(quán)重轉(zhuǎn)化為每種物料類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)分。6種不同型號(hào)的IGBT物料評(píng)價(jià)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 不同型號(hào)的IGBT評(píng)價(jià)結(jié)果匯總

從表4中可以得到通過(guò)可靠性試驗(yàn)對(duì)不同型號(hào)IGBT物料的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，具體到每一項(xiàng)考核點(diǎn)的評(píng)分，該結(jié)果清晰有力。

4 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品的集成化和小型化對(duì)電子元器件物料的高質(zhì)量與高可靠性提出了更深一步的要求。電子元器件物料評(píng)價(jià)水平的高低進(jìn)一步地影響著整機(jī)的性能和可靠性的優(yōu)劣。因此，更加全面與深入的可靠性評(píng)價(jià)方法成為了整機(jī)選型強(qiáng)有力的支撐工具?；诳煽啃栽囼?yàn)的電子元器件物料評(píng)價(jià)方法，從元器件組裝與使用等方面出發(fā)，更加全面地對(duì)電子元器件進(jìn)行物料評(píng)價(jià)，可為整機(jī)可靠性的提升奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)能夠反饋到電子元器件生產(chǎn)廠商，形成可靠性提升反饋閉環(huán)，最終達(dá)到可靠性全面提升的效果。