電子元器件的可靠性篩選研究

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

隨著電子信息技術的快速發(fā)展，它被普遍地應用于航空、航天、國防和社會經(jīng)濟等各個領域，電子元器件在電子設備系統(tǒng)中的影響力早已從以前的基礎技術躍升為核心技術[1-2]。電子設備是由元件組成的，而電子元件的質量直接影響著電子設備的特性和穩(wěn)定性[3]。根據(jù)國內(nèi)和國際的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，70%的普通設備故障是由普通部件的故障造成的。對經(jīng)常發(fā)生故障的部件進行分析表明，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，從機電系統(tǒng)的特點出發(fā)考慮電子元件的穩(wěn)定性[5-6]。穩(wěn)定性選擇是對沒有故障、特性良好的電子元件進行的非破壞性實驗，而對于有潛在故障的電子元件，應力激勵項能夠令其潛在故障被激活，從而導致故障，進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

從電子元器件的質量上保證穩(wěn)定性，選擇穩(wěn)定性是檢測電子元器件穩(wěn)定性水平的重要途徑。選用穩(wěn)定性好、具有優(yōu)良特性、無常見故障的電子元件，進行無損檢測，如果電子元件存在潛在缺點，通過應力測試將會激活其缺陷，進而將其淘汰。通過在早期階段檢查有問題的設備，可以實現(xiàn)更大的經(jīng)濟和社會效益。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越突出，促使人們開展穩(wěn)定性研究，在使用電子元件的過程中尋找穩(wěn)定性，以完成緊迫而廣泛的任務。

1.2 非破壞性測試

為穩(wěn)定而選擇的元件可以在長期使用中保持其優(yōu)良的性能，從而減少整個電子設備的常見故障率。在進行穩(wěn)定性篩選時，應更加注意應用快速篩選來達到同樣的目的。應選擇具有優(yōu)良特性的電子元件的穩(wěn)定性進行非破壞性測試。這意味著好的部件實驗應力應盡可能小，并應反映在整個部件批次的特性中，即不影響部件的失效機制、失效模式和正常運行。在此前提下，可以考慮增強篩查壓力，提高篩查效果，減少篩查時間。在目前的儀器設備下，一些常見的故障模式還不能進行非破壞性測試，也不能通過傳統(tǒng)的篩選方式對其完全否定。如果選擇應力太低，選擇就會失效；如果太高，正常的部件可能會被破壞，或者產(chǎn)生新的常見故障區(qū)域，減少部件壽命，必須進行DPA。

2 篩選方案的設計原則

2.1 溫度原則

電子元件的選擇應在實驗室條件下進行，即溫度為15～35 ℃，相對濕度為20%～80%，空氣壓力為8.66×104～10.66×104Pa。靜電敏感元件在整個復檢和選型過程中必須采取嚴格的靜電維護措施，以防止元件上靜電造成的任何危害。在重新檢查和選擇過程中，應分析那些不能完全發(fā)揮作用的電路常見故障，分析結果應被用來識別批次問題，所有存在批次問題的電路元件都應被移除。如果不能確保測試元件的可焊性，在測試期間用高純度氮氣維護元件是很重要的。沒有經(jīng)過測試選擇的電路應該用制定的選擇項目進行單件測試。項目完成后，對整個選拔過程進行評估，以確定選拔過程的條件是否適合后續(xù)的批量選拔。

2.2 應力原則

用于選擇的應力（機械應力、熱應力和電應力）一般不應超過組件產(chǎn)品指南要求的限制。如果選擇強度不夠或選擇條件過于嚴格，則電子元件的穩(wěn)定性都會受到影響。電路選擇的原則是，增加的應力不超過電路的極限應力，也就是說，所選擇的電路不會因為過度的應力而被破壞。選擇應力不能太低，因為低的選擇應力不能充分消除某些故障，而高的選擇應力則有可能破壞電路。因此，根據(jù)待選電路的詳細規(guī)格和技術準則，事先確定施加在電路上的熱、電和機械應力是至關重要的。

2.3 故障檢測原則

應進行常見故障剖析，以確定由于制造缺陷、常見設備故障和篩選過程中EOS 的超負荷而造成的常見故障。故障可分為“批量故障” 和“單個故障”，前者可以通過選擇來清除，后者只能通過批量來清除。對于選型過程中出現(xiàn)的典型部件共性故障或功能故障，應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 幾種常用的篩選項目

3.1 高溫儲存

該實驗研究了微電子元件在非電應力條件下高溫儲存的影響。這種方法也可以作為分選操作或其他測試前的預處理。本實驗所需的設備包括一個能夠保持所需溫度的溫控實驗室和一個能夠進行所需端點測量的適度電子測試儀。

3.2 溫度循環(huán)系統(tǒng)

進行這項測試是為了確定對極端高溫和低溫的抵抗力。被測設備不受電應力的影響，溫度從低到高以恒定模式快速變化。一個周期包括第一個環(huán)節(jié)和第二個環(huán)節(jié)或適用的測試條件，必須不間斷地完成，才能算作一個周期。

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)加速度作為一個選擇項目，只應在Y1方向（處理芯片移動的方向）進行測試。在進行穩(wěn)態(tài)加速試驗時，必須使用合適的夾具，否則可能會損害被測設備的結構。為了選擇集成電路的穩(wěn)態(tài)加速度，應根據(jù)元件或封裝的凈重，采用合理的應力強度。應根據(jù)組件的最大功率，在中等應力強度下選擇分立組件進行穩(wěn)定加速。

3.4 PIND

PIND 是非航空元件的可選選擇項目，根據(jù)實際應用，PIND 篩選對半導體元件腔體的高度施加適度的機械應力，以消除元件上的移動碎片。

3.5 老煉

應用高溫分立元件的綜合老煉測試系統(tǒng)，半導體元件必須在測試方法或詳盡標準要求的溫度和時間下進行老煉，并且需要進行預老化測量。拒絕標準是適用的詳盡標準所要求的，必須滿足。

對于PWD-V 高功率電子管老煉設備，應按要求進行預老煉測量。失敗標準應按適用的詳盡規(guī)范模式要求，必須符合規(guī)定。

對于SPIC-T 高溫老煉系統(tǒng)，應在規(guī)定的溫度和時間內(nèi)進行預老煉測量。拒絕標準應在適用的詳盡標準中要求，并應符合要求。必須在96 h 內(nèi)進行老煉后測試，以明確設備的運行情況是否令人滿意。

3.5 三溫測試

要測量的主要電氣參數(shù)和滿足各種設備標準的要求可以根據(jù)商業(yè)上可用的規(guī)格模型、目錄和技術協(xié)議來指定。試驗溫度分為室溫、高溫和低溫。

3.6 檢漏

密封性是一個重要的特點，即設備內(nèi)部的維護蒸汽不容易泄漏，外部的有害氣體也不能進入。檢查設備密封性的方法有兩種，即：深入滲漏試驗和粗略滲漏試驗。程序是先做深入滲漏試驗，再做粗略滲漏試驗。必要時，超過一定體積（通常為1 cm3）的部件裂縫只能通過粗略的檢查來識別。

3.7 X 射線檢查

X 射線無損檢測是在設備密封后替代通常的顯微鏡檢查的合適方法。

4 導體器件篩選程序

在進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)濟性，避免盲目增加項目，有些選擇是沒有必要的。二極管的挑選技術早已非常成熟，但為了滿足更高的任務要求，本文將以2CK75 平面硅功率開關二極管為目標來研究其篩選過程，這是一種適合航天器應用的國產(chǎn)分立半導體元件。它被安置在一個玻璃箱中，體積小，凈重低，維修時間短，反向電流低，溫度可靠性好。

程序篩選流程：

a）高溫儲存：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）高溫測試：與元件有關的溫度Ta（-55～150 ℃），基于TA=125 ℃，恒溫0.5 h，VR=VRWM。

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

5 結束語

a）對于電子元件的選擇，選擇穩(wěn)定性應該是首要考慮的問題。實際的選擇程序可以根據(jù)部件的結構特點、常見故障模式和應用要求靈活制定。

b）選擇和高質量的操作對可靠性組件非常重要。對于高質量元件，篩分可以提高整個批次的材料可靠性。由于現(xiàn)有的劣質產(chǎn)品，不能選擇質量差的元件來獲得高可靠性。因此，事先確定元件質量和穩(wěn)定性是很重要的，對常見故障的測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說明電子可靠性篩選流程。