孔德昊

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，它被普遍地應(yīng)用于航空、航天、國(guó)防和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，電子元器件在電子設(shè)備系統(tǒng)中的影響力早已從以前的基礎(chǔ)技術(shù)躍升為核心技術(shù)[1-2]。電子設(shè)備是由元件組成的，而電子元件的質(zhì)量直接影響著電子設(shè)備的特性和穩(wěn)定性[3]。根據(jù)國(guó)內(nèi)和國(guó)際的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，70%的普通設(shè)備故障是由普通部件的故障造成的。對(duì)經(jīng)常發(fā)生故障的部件進(jìn)行分析表明，大約45%的故障是由部件的安裝方式引起的[4]。這一比例在最近幾年一直很高，需要加以注意。

考慮到所有設(shè)備普遍存在的高故障率，電子可靠性篩選是最適合電子元件的選擇方法，從機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)考慮電子元件的穩(wěn)定性[5-6]。穩(wěn)定性選擇是對(duì)沒有故障、特性良好的電子元件進(jìn)行的非破壞性實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于有潛在故障的電子元件，應(yīng)力激勵(lì)項(xiàng)能夠令其潛在故障被激活，從而導(dǎo)致故障，進(jìn)而使其電子元件被淘汰[7-8]。圖1～4 列舉了常用的電子元器件，分別為二極管、三極管、集成電路和電容。

圖1 二極管

圖2 三極管

圖3 集成電路

圖4 電容

1 元器件篩選的必要性

1.1 選擇穩(wěn)定性

從電子元器件的質(zhì)量上保證穩(wěn)定性，選擇穩(wěn)定性是檢測(cè)電子元器件穩(wěn)定性水平的重要途徑。選用穩(wěn)定性好、具有優(yōu)良特性、無(wú)常見故障的電子元件，進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，如果電子元件存在潛在缺點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)力測(cè)試將會(huì)激活其缺陷，進(jìn)而將其淘汰。通過(guò)在早期階段檢查有問(wèn)題的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著微電子元件的特性和集成度不斷提高，微電子元件在環(huán)境穩(wěn)定性方面的使用越來(lái)越突出，促使人們開展穩(wěn)定性研究，在使用電子元件的過(guò)程中尋找穩(wěn)定性，以完成緊迫而廣泛的任務(wù)。

1.2 非破壞性測(cè)試

為穩(wěn)定而選擇的元件可以在長(zhǎng)期使用中保持其優(yōu)良的性能，從而減少整個(gè)電子設(shè)備的常見故障率。在進(jìn)行穩(wěn)定性篩選時(shí)，應(yīng)更加注意應(yīng)用快速篩選來(lái)達(dá)到同樣的目的。應(yīng)選擇具有優(yōu)良特性的電子元件的穩(wěn)定性進(jìn)行非破壞性測(cè)試。這意味著好的部件實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)盡可能小，并應(yīng)反映在整個(gè)部件批次的特性中，即不影響部件的失效機(jī)制、失效模式和正常運(yùn)行。在此前提下，可以考慮增強(qiáng)篩查壓力，提高篩查效果，減少篩查時(shí)間。在目前的儀器設(shè)備下，一些常見的故障模式還不能進(jìn)行非破壞性測(cè)試，也不能通過(guò)傳統(tǒng)的篩選方式對(duì)其完全否定。如果選擇應(yīng)力太低，選擇就會(huì)失效；如果太高，正常的部件可能會(huì)被破壞，或者產(chǎn)生新的常見故障區(qū)域，減少部件壽命，必須進(jìn)行DPA。

2 篩選方案的設(shè)計(jì)原則

2.1 溫度原則

電子元件的選擇應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，即溫度為15～35 ℃，相對(duì)濕度為20%～80%，空氣壓力為8.66×104～10.66×104Pa。靜電敏感元件在整個(gè)復(fù)檢和選型過(guò)程中必須采取嚴(yán)格的靜電維護(hù)措施，以防止元件上靜電造成的任何危害。在重新檢查和選擇過(guò)程中，應(yīng)分析那些不能完全發(fā)揮作用的電路常見故障，分析結(jié)果應(yīng)被用來(lái)識(shí)別批次問(wèn)題，所有存在批次問(wèn)題的電路元件都應(yīng)被移除。如果不能確保測(cè)試元件的可焊性，在測(cè)試期間用高純度氮?dú)饩S護(hù)元件是很重要的。沒有經(jīng)過(guò)測(cè)試選擇的電路應(yīng)該用制定的選擇項(xiàng)目進(jìn)行單件測(cè)試。項(xiàng)目完成后，對(duì)整個(gè)選拔過(guò)程進(jìn)行評(píng)估，以確定選拔過(guò)程的條件是否適合后續(xù)的批量選拔。

2.2 應(yīng)力原則

用于選擇的應(yīng)力（機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和電應(yīng)力）一般不應(yīng)超過(guò)組件產(chǎn)品指南要求的限制。如果選擇強(qiáng)度不夠或選擇條件過(guò)于嚴(yán)格，則電子元件的穩(wěn)定性都會(huì)受到影響。電路選擇的原則是，增加的應(yīng)力不超過(guò)電路的極限應(yīng)力，也就是說(shuō)，所選擇的電路不會(huì)因?yàn)檫^(guò)度的應(yīng)力而被破壞。選擇應(yīng)力不能太低，因?yàn)榈偷倪x擇應(yīng)力不能充分消除某些故障，而高的選擇應(yīng)力則有可能破壞電路。因此，根據(jù)待選電路的詳細(xì)規(guī)格和技術(shù)準(zhǔn)則，事先確定施加在電路上的熱、電和機(jī)械應(yīng)力是至關(guān)重要的。

2.3 故障檢測(cè)原則

應(yīng)進(jìn)行常見故障剖析，以確定由于制造缺陷、常見設(shè)備故障和篩選過(guò)程中EOS 的超負(fù)荷而造成的常見故障。故障可分為“批量故障” 和“單個(gè)故障”，前者可以通過(guò)選擇來(lái)清除，后者只能通過(guò)批量來(lái)清除。對(duì)于選型過(guò)程中出現(xiàn)的典型部件共性故障或功能故障，應(yīng)將選型和共性故障剖析合并，以明確共性故障模式為批量，共性故障為批量共性故障。

3 幾種常用的篩選項(xiàng)目

3.1 高溫儲(chǔ)存

該實(shí)驗(yàn)研究了微電子元件在非電應(yīng)力條件下高溫儲(chǔ)存的影響。這種方法也可以作為分選操作或其他測(cè)試前的預(yù)處理。本實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備包括一個(gè)能夠保持所需溫度的溫控實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)能夠進(jìn)行所需端點(diǎn)測(cè)量的適度電子測(cè)試儀。

3.2 溫度循環(huán)系統(tǒng)

進(jìn)行這項(xiàng)測(cè)試是為了確定對(duì)極端高溫和低溫的抵抗力。被測(cè)設(shè)備不受電應(yīng)力的影響，溫度從低到高以恒定模式快速變化。一個(gè)周期包括第一個(gè)環(huán)節(jié)和第二個(gè)環(huán)節(jié)或適用的測(cè)試條件，必須不間斷地完成，才能算作一個(gè)周期。

3.3 恒定加速

穩(wěn)健加速抽吸，也稱為離心加速抽吸，需要高速增加離心力，而且要高到足以抽吸有鉛焊或切屑粘附故障的零件。穩(wěn)態(tài)加速度作為一個(gè)選擇項(xiàng)目，只應(yīng)在Y1方向（處理芯片移動(dòng)的方向）進(jìn)行測(cè)試。在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)加速試驗(yàn)時(shí)，必須使用合適的夾具，否則可能會(huì)損害被測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)。為了選擇集成電路的穩(wěn)態(tài)加速度，應(yīng)根據(jù)元件或封裝的凈重，采用合理的應(yīng)力強(qiáng)度。應(yīng)根據(jù)組件的最大功率，在中等應(yīng)力強(qiáng)度下選擇分立組件進(jìn)行穩(wěn)定加速。

3.4 PIND

PIND 是非航空元件的可選選擇項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，PIND 篩選對(duì)半導(dǎo)體元件腔體的高度施加適度的機(jī)械應(yīng)力，以消除元件上的移動(dòng)碎片。

3.5 老煉

應(yīng)用高溫分立元件的綜合老煉測(cè)試系統(tǒng)，半導(dǎo)體元件必須在測(cè)試方法或詳盡標(biāo)準(zhǔn)要求的溫度和時(shí)間下進(jìn)行老煉，并且需要進(jìn)行預(yù)老化測(cè)量。拒絕標(biāo)準(zhǔn)是適用的詳盡標(biāo)準(zhǔn)所要求的，必須滿足。

對(duì)于PWD-V 高功率電子管老煉設(shè)備，應(yīng)按要求進(jìn)行預(yù)老煉測(cè)量。失敗標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按適用的詳盡規(guī)范模式要求，必須符合規(guī)定。

對(duì)于SPIC-T 高溫老煉系統(tǒng)，應(yīng)在規(guī)定的溫度和時(shí)間內(nèi)進(jìn)行預(yù)老煉測(cè)量。拒絕標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在適用的詳盡標(biāo)準(zhǔn)中要求，并應(yīng)符合要求。必須在96 h 內(nèi)進(jìn)行老煉后測(cè)試，以明確設(shè)備的運(yùn)行情況是否令人滿意。

3.5 三溫測(cè)試

要測(cè)量的主要電氣參數(shù)和滿足各種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的要求可以根據(jù)商業(yè)上可用的規(guī)格模型、目錄和技術(shù)協(xié)議來(lái)指定。試驗(yàn)溫度分為室溫、高溫和低溫。

3.6 檢漏

密封性是一個(gè)重要的特點(diǎn)，即設(shè)備內(nèi)部的維護(hù)蒸汽不容易泄漏，外部的有害氣體也不能進(jìn)入。檢查設(shè)備密封性的方法有兩種，即：深入滲漏試驗(yàn)和粗略滲漏試驗(yàn)。程序是先做深入滲漏試驗(yàn)，再做粗略滲漏試驗(yàn)。必要時(shí)，超過(guò)一定體積（通常為1 cm3）的部件裂縫只能通過(guò)粗略的檢查來(lái)識(shí)別。

3.7 X 射線檢查

X 射線無(wú)損檢測(cè)是在設(shè)備密封后替代通常的顯微鏡檢查的合適方法。

4 導(dǎo)體器件篩選程序

在進(jìn)行了電子元件的可靠性和穩(wěn)定性選擇后，還需要考慮到經(jīng)濟(jì)性，避免盲目增加項(xiàng)目，有些選擇是沒有必要的。二極管的挑選技術(shù)早已非常成熟，但為了滿足更高的任務(wù)要求，本文將以2CK75 平面硅功率開關(guān)二極管為目標(biāo)來(lái)研究其篩選過(guò)程，這是一種適合航天器應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)分立半導(dǎo)體元件。它被安置在一個(gè)玻璃箱中，體積小，凈重低，維修時(shí)間短，反向電流低，溫度可靠性好。

程序篩選流程：

a）高溫儲(chǔ)存：取決于元件的Tstg（-55～175 ℃），TA=175 ℃。

b）溫度循環(huán)系統(tǒng)：溫度取決于組件Tstg（-55～175 ℃），5 次循環(huán)系統(tǒng)，時(shí)間為30 min。

c）高溫反向偏壓：溫度取決于元件Ta（-55～150 ℃），TA=125 ℃，IR2≤15 μA，VR=VRWM。

d）功率優(yōu)化：I=1.5 IF，室溫。

e）高溫測(cè)試：與元件有關(guān)的溫度Ta（-55～150 ℃），基于TA=125 ℃，恒溫0.5 h，VR=VRWM。

f）低溫測(cè)試：與元件有關(guān)的溫度Ta（-55～150 ℃），以TA=-55 ℃為參考，恒溫0.5 h，I=IF。

5 結(jié)束語(yǔ)

a）對(duì)于電子元件的選擇，選擇穩(wěn)定性應(yīng)該是首要考慮的問(wèn)題。實(shí)際的選擇程序可以根據(jù)部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、常見故障模式和應(yīng)用要求靈活制定。

b）選擇和高質(zhì)量的操作對(duì)可靠性組件非常重要。對(duì)于高質(zhì)量元件，篩分可以提高整個(gè)批次的材料可靠性。由于現(xiàn)有的劣質(zhì)產(chǎn)品，不能選擇質(zhì)量差的元件來(lái)獲得高可靠性。因此，事先確定元件質(zhì)量和穩(wěn)定性是很重要的，對(duì)常見故障的測(cè)試和分析可以幫助制定有效的篩選方法。

c）本文最后以常見的二極管電子元件為例來(lái)說(shuō)明電子可靠性篩選流程。