電子元器件可靠性技術發展綜述

魏莎莎，李真

（1.中國電科芯片技術研究院，重慶 400060；2.中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

0 引言

在全球一體化的大趨勢下，龐大的市場和參差不齊的產品質量使得競爭越來越激烈，同時隨著我國軍工事業的快速發展，保證產品質量才是提高核心競爭力的關鍵。電子元器件作為現在該領域研究的重點，不僅決定了整個系統的質量，還是我國軍工事業發展的基石，由此可見，提高電子元器件的質量和可靠性研究至關重要。

在工程中，可靠性是指一個系統或電子元器件在規定的條件和規定的時間內履行其所需功能的能力。因此，定量可靠性預測與評估的基本任務是考慮電子元器件設計和工作環境，確定系統的失效時間分布函數和相關的可靠性需求。一些輸出度量如平均失效時間（MTTF：Mean Time to Failure），失效率都可以由失效時間分布函數導出。一種有效的系統可靠性預測與評估方法不僅可以識別失效，還可以進行靈敏度分析，定量確定不同部件對系統失效的影響。

鑒于目前及未來電子元器件的可靠性分析都是各個系統必不缺少的一步，而電子元器件的失效率給研究人員的可靠性分析帶來巨大的挑戰，本文面向電子元器件質量與可靠性發展進行了綜述。

1 國內外電子元器件可靠性發展現狀

以前人們對質量的認知僅僅停留在質量檢驗上，通過有效的檢驗方法能夠針對出廠之后的各項工序進行質量管理，不過隨著可靠性和產品質量的發展、社會經濟的發展，以及企業生產規模的擴大，傳統的檢驗技術已無法滿足產品可靠性的要求[1]。20 世紀50 年代后，美國提出質量管理的理念和技術，在產品研發和制作的過程中有效提高了產品的整體質量，也保證了技術的可靠性。Choi 等[2]通過加速壽命試驗（ALT：Accelerated Life Test）研究了瞬變電磁法的壽命分布和形狀參數，并討論了如何通過失效物理來提高瞬變電磁法的壽命；Squiller 等[3]提出了基于POF 的系統級可靠性評估程序，該程序確定了3 個主要子系統的主要故障機制，即：電源模塊、直流鏈接電容器和控制電路等。

我國電子元器件可靠性技術的發展較晚，20世紀70 年代，才開始在電子工業和航空工業中初步形成體系，并應用于軍工產品[4]。21 世紀前，我國在過程缺陷影響分析與控制的基礎上，研究了電子元器件PCM、REM 和SPC 的質量控制與可靠性測試與評價技術，使可靠性工程從測試階段上升到設計和生產階段，實現了從單純的測試與評價向為可靠性而設計和過程控制的發展。21 世紀以來，在HEMT 器件的退化機理及壽命評估、CMOS 電路ESD/EOS 加固設計和驗證、標準VDSM 加工平臺的工藝可靠性評價、多層布線VISI 的故障診斷與缺陷定位、微電路抗輻射特性的測試與評價、KGD的可靠性保證、其他基于POF 的可靠性技術失效機理模擬、可靠性設計驗證、加速應力測試和故障定位，以及微缺陷分析等方面取得了重要進展[4]。不僅如此，電子元器件、新材料、新工藝和軟件技術等各項新技術在裝備上的應用越來越普及，裝備的可靠性技術也經歷了跨越式的發展，從單一可靠性擴展到 “六性” 的范疇，包括可靠性、維修性、保障性、安全性、測試性和環境適應性。我國建立了電子元器件可靠性物理及其應用技術重點實驗室、可靠性與環境工程技術國防科技重點實驗室等國家級實驗室，簡稱具備大型綜合環境試驗能力的試驗室，標志著我國可靠性科研與應用水平進入了世界先進行列[5]。

2 電子元器件可靠性技術分析

2.1 可靠性預測方法

可靠性預測通常在產品開發生命周期的早期階段對采用特定的系統設計起著重要的作用。與競爭者相比，提供更高的可靠性是當今電子產品行業取得成就的重要組成部分。可靠性問題的概念必須從設計過程的最早起點開始實施，以實現高項目可靠性。電子可靠性預測方法通常分兩個階段進行[6]。

a）零件數量分析

需要系統的次要信息，通常在設計階段的初始階段使用，以獲得初步的可靠性估計。

b）零件應力分析

需要對系統有充分的了解，從而提高可靠性預測的準確性。選擇正確的可靠性預測方法是可靠性工程中的難題之一。

嚴格的分析是必須的，以確保系統的可靠性。在設計階段，系統設計者需要利用可靠性相關信息提前預測系統可靠性，以便在系統可靠性達不到目標可靠性時采取糾正措施。可靠性預測方法的需求性質根據系統開發生命周期的不同階段而不同，因此每個階段的預測方法也不同。可靠性預測的主要目的是：

a）檢驗可靠性要求是否可行；

b）找出一個特定的設計是否符合其規格；

c）對系統的不同設計和相應的可靠性評估進行比較；

d）評估保修費用和維修支持需求；

e）潛在危害評價；

f）為安全分析提供支持；

g）用于評估關鍵部件的保修期[7-8]。

2.1.1 自下而上的統計方法

自下而上的統計方法（BS：Bottom -up Statistical Methods）使用的預測模型來自于部件失效數據的統計曲線擬合，這些數據可能是在現場、實驗室或制造商那里收集的。假設系統或設備的故障原因與故障相互獨立的部件有內在聯系。BS 方法所采用的模型主要有零件計數分析模型和零件應力分析模型兩類。零件數量分析模型假設零件在典型的工作條件下工作，而零件應力分析模型需要輸入零件失效率模型λ 中包含的參數[9]微電路。BS方法使用的模型實例如式（1）～（4）所示。

a）零件計數分析模型

b）零件數量分析模型

式（1）～（4）中：

λG，λa——一般失效率或平均失效率，根據設備的復雜性和技術而定；

ΠO——質量因素，取決于器件的質量；

ΠL——器件因素，取決于器件的制造時間；

C1，C2——故障率常數，取決于設備的復雜性（電路、技術、封裝和引腳數）；

ΠB——封裝工藝因素；

ΠT——工藝與功能因素；

ΠS——封裝引腳因素；

Πt——溫度加速因子（穩態工作溫度）；

ΠV——電壓應力因子，取決于施加電壓與組件額定電壓的比值；

ΠE——環境因子，取決于對環境的表格描述。

BS 方法的另一個發展是使用PRISM 軟件[10]，PRISM 包括了溫度循環和焊點的失效率。該方法還可以進行簡單的相似度分析，利用現場經驗數據庫，用工藝分級因子對整體質量因子進行加權。這些因素取決于零部件、設計、制造、供應鏈、機械疲勞、管理和分析工具。這是一種與自頂向下相似性分析方法（TD：Top-down Similarity Analysis Methods）相結合的方法。一旦計算出每個部件的失效率，就可以通過將所有λ 加起來計算出電路板的可靠性。

2.1.2 自頂向下的相似性分析方法

基于專有數據庫的TD，使用已知可靠性水平的以前的系統或子系統與新設計的系統之間進行相似性分析。所有失效原因都要考慮，而不僅僅是部件的故障率，因此，失效原因分析是至關重要的。典型的TD 方法可概括為以下步驟[11-12]。

a）從字段中收集失效數據。

b）現場數據的評估（特別是設備/板失效原因，相關可靠性的計算）。

c）在電路卡組裝（CCA：Circuit Card Assembly）級別上，根據每個設備唯一CCA 的數量來確定失效率。

d）根據每個CCA 的零件和互連數，確定零件和互連級別的失效率。

e）根據物理模型類別，使用所有之前的信息創建失效率數據庫。

f）將現有的設計與擬議的設計或相似過程進行比較，步驟如下：

1）檢查可獲得現場數據的產品；

2）識別特征差異（例如設計、制造等）；

3）量化特征差異對每個物理模型類別的影響；

4）合并現場數據（每個物理模型類別的百分比、整體終端項目或裝配失敗率）；

5）計算新項目（單板、CCA 或設備）失效率：

式（5）中：λp——前一個項的字段失敗率；

Da——物理模型的分布百分比；

Fa——新項目和以前項目之間的差異因子；

n——物理模型類別的總數量。

2.1.3 自底向上物理失效分析方法

自底向上物理失效分析方法（BP：Bottom-up Physics-of-Failure Methods）需要對熱、機械、電氣和化學生命周期環境，以及導致現場失效的過程有全面的了解，以便應用適當的失效模型。

一種方法是在部件級別使用制造商的可靠性數據測試結果（高度加速應力測試、溫度濕度偏差和溫度循環等）。部件失效率是所有失效率（熱、濕度、電壓和熱循環）的總和，單板失效率是所有部件失效率的總和[13]。最高級別的BP 方法（CALCE軟件）通過針對組件或裝配的各個位置最常見的失效機制來預測板或組件的失效時間，所需信息包括材料特性、幾何形狀、環境和操作負載。同樣，在組件級別也可以使用相同的方法。

2.1.4 預測方法總結

一般來說，數據來源和環境越一般越好。然而，每種方法考慮的環境不同。BS 方法根據失效模式使用環境和負載擬合因子（對于有存儲或沒有存儲的操作模式），而BP 方法使用負載剖面。這是因為BS 方法的環境來自于失敗數據庫，可能會受到以下問題的阻礙：建立具有代表性的裝置需要大量的實驗數據；外在失效（如電氣過應力（EOS：Electrical Over Stress））和內在失效（如氧化弱）混合在一起，在沒有數學或物理論證的情況下被用來得到一個總體數據。

類似地，TD 方法需要定期更新他們的失效在役數據庫，這取決于公司的政策和投資。最終，需要分析所有的排除，跟蹤失效，并存儲每個級別（項目、設備、電路板和組件）的每個失效原因的失效率。

就BS 方法而言，PRISM 略有不同，允許進行不同類型的進一步輸入：可以在系統或子系統級別對設計、制造、供應和測試過程進行評估，以減輕總體結果（過程分級）。同樣，PRISM 也允許直接輸入環境和操作參數（溫度循環、沖擊、相對濕度和振動頻率）。然而，在大多數情況下，BS 方法的結果反映的是組件的可靠性，由于質量的提高和系統復雜性的增加，組件不再是系統可靠性的主要貢獻者（系統級失效被忽略）。

TD 方法的結果可以通過大量的測試和現場數據來完善。像CALCE 軟件這樣的BP 方法需要詳細的信息知識，這些信息可能被制造商認為是專有的。這些方法也需要大量的時間資源。為了選擇適合實際失效機制的模型，還需要預先了解失效產品的失效機制。同樣，也有大量的操作參數和環境參數的選擇，這也證明了定制方法的優勢。

2.2 可靠性分析

元器件可靠性分析是指用物理或化學手段，從結構設計、原材料選用和制造工藝等方面對元器件進行深層次的技術分析，從而為評價元器件可靠性提供客觀的證據。以下簡單列舉了幾種元器件可靠性分析方法[14]。

2.2.1 破壞物理分析

破壞物理分析（DPA：Destruction Physics Analysis）是對電子部件進行拆卸、測試和檢查，以驗證內部設計、材料、結構和工藝的過程。這一樣品檢驗過程用于幫助確保電子元件的制造符合要求的標準。DPA 也被有效地用于發現生產批量問題的過程缺陷。在DPA 中，零件要檢查各種各樣的設計、工藝和加工問題，這些問題可能不會在部件制造商之前進行的檢查、測試和篩選活動中顯示出來[15]。通過DPA 檢測到的異常和缺陷可能會在以后的某一天導致設備所使用的系統的退化或故障。DPA 是在從批次中隨機抽取的樣品上進行的，根據組件和包裝的類型，包括一系列不同的測試和檢查。其中包括：外部目檢、X 射線檢查、檢漏、粒子沖擊噪聲檢測（PIND：Particle Impact Noise Detection）、內部氣體成分分析、內部目檢、掃描電子顯微鏡（SEM：Scanning Electron Microscope）、鍵合強度和芯片剪切強度等檢查項目。

從已做DPA 試驗不合格項目統計中表明：可通過篩選淘汰的不合格品項目如外部目檢、PIND和檢漏所占比例為36.9%，而通過篩選不能剔除的缺陷，如內部目檢、剪切強度和鍵合強度等比例達到63.1%，由此可見無法通過篩選剔除的數量更多，這也進一步說明了開展DPA 的重要性[16]。

2.2.2 失效分析

失效分析是指進行調查以確定失效的原因，其目的通常是采取糾正措施來解決問題和減少進一步的失效。失效分析是在制造業的所有分支機構進行的，以防止未來的資產和產品失效，并保護人們和環境免受潛在的危險風險。

失效分析是收集和分析數據以確定失效原因的過程，通常以確定糾正措施或責任為目標。它在制造業的許多分支中都是一門重要的學科，例如：在電子工業領域，其是開發新產品和改進現有產品的重要工具。失效分析過程依賴于收集失效成分，使用各種各樣的方法（特別是顯微鏡和光譜學）以進行后續的失效原因檢查。

失效率（FR：Failure Rate），也稱故障率，是一個工程系統或零件失效的頻率，它以每單位時間內的失敗次數來表示，是可靠度工程中的重要參數。圖1 中展示了失效率曲線作為時間的函數，也稱為浴缸曲線[17]。浴缸曲線在時間上分為3 個不同的區域，分別是：

圖1 浴缸曲線

a）失敗率下降的第一個區域稱為嬰兒死亡率或初期失敗；

b）第二個區域，失效率相對不變，稱為有效壽命；

c）第三個也是最后一個區域，失效率增加，稱為磨損故障期。

然而實際上，報告中一般會使用平均失效間隔（MTBF：Mean Time between Failures）而不使用失效率來進行元器件的失效分析。若是失效率假設是定值的話，此做法是有效的（定值失效率的假設一般常用在復雜元件/系統，軍事或航天的一些可靠度標準中的也接受此假設），但是只有在浴缸曲線中平坦的部分（這也稱為可用生命期）才符合失效率是定值的情形，因此不適合將平均失效間隔去預估元件的生命期，因為會碰到浴缸曲線的損耗階段，失效率會大幅提高，生命期會比失效率推算的時間要短。

首選使用MTBF 數字的原因是，使用較大的正數（如2 000 h）比非常小的數字（如0.000 5/h）更直觀、更容易記憶。在需要管理失效率的系統中，特別是在安全系統中，MTBF 是一個重要的系統參數。MTBF 經常出現在工程設計要求中，并控制所需系統維護和檢查的頻率。在更新過程中，從失效中恢復的時間可以忽略，失效的可能性與時間保持恒定，失效率簡單地是MTBF 的乘逆。

3 電子元器件可靠性發展趨勢

3.1 高水平的失效分析

5G、車載電子和消費電子等模塊的快速興起，半導體和高可靠元器件市場需求迎來爆發式增長，不斷進步的制程、材料和封裝導致元器件失效分析的難度大大增加，技術更加復雜多樣化。近幾年，國內先進制程晶圓代工廠的業務蓬勃發展，帶來了大量的失效分析需求。但由于目前國內相關能力嚴重不足，晶圓級芯片失效分析業務需求大量外溢。再者，隨著電子元器件國產化的進程的展開，其整體水平上落后于國外的產品，因此提高失效分析水平也是可靠性分析的重中之重。因此，在未來對電子元器件的可靠性分析除了需要對晶圓級芯片的失效定位和故障排查技術，還包括幫助晶圓廠或設計公司確認芯片設計、工藝和制造設備參數設置問題，以及IC 芯片實際使用過程中功能性缺陷（如ESD 能力、抗閂鎖能力等）[18]。

3.2 可靠性預測方法的驗證

在研究可靠性設計與預測方法的同時，提高可靠性試驗的能力也是我們當下關注的重點。可靠性預測只能通過結合使用不同的方法來實現，這取決于設計、開發或制造階段。對在給定的產品開發階段使用哪種方法的描述，使用這種方法的原因，以及在整個過程中與各種應用方法相關聯的結果的交付，將確保滿足可靠性要求。進一步地，我們需要開展可靠性試驗[19]，驗證可靠性設計方案及可靠性預測，為不同的電子元器件的質量與可靠性提供試驗數據。當下要全面推廣目前已經成熟的仿真試驗、強化試驗、加速試驗、安全性分析和工藝可靠性鑒定等相關工作；在未來，針對無人化和智能化等新型裝備，開展新技術在可靠性工作中的研究與應用，如復雜環境適應性驗證技術、高可靠性指標驗證和臨近空間環境模擬與試驗等[20]。

4 結束語

科技不斷發展，在智能集成化越來越普遍的趨勢下，電子元器件的使用場景是無處不在的，提高電子元器件的可靠性必是大勢所趨。近年我國建立的一系列的國家重點實驗室使我國的科研和應用水平處在世界前列，因此，我們要不斷增強電子元器件的質量與可靠性技術，在未來不斷提高試驗水平、攻克技術難關。