基于電子元器件可靠性測試數據的篩選決策模型構建

王佳樂，劉晨光

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

電子元器件的質量直接影響電子元器件的可靠性，只有具備較高的質量，才能有效滿足電子元器件的安全使用需求。電氣元器件作為電子系統中的關鍵組成部分，其在使用過程中經常會出現失效或者故障的情況，嚴重時還會導致電子設備發生相應的故障，造成嚴重的經濟損失。雖然電子元件結構較為復雜，并且失效模式類型較多，但是也存在相應的規律性，故電子元器件可靠性測試篩選模型的構建可有效判斷元器件失效類型，對于提升電子元器件可靠性有著十分重要的作用。對于電子元器件而言，其可靠性與整機的可靠性有著直接聯系，可靠性數據作為評價元器件可靠性的基礎數據，可為元器件的選型、設計等提供相應的參考[1]。基于此，本文分析了元器件失效模與受沖擊損傷量兩者之間的關系，并對可靠性模型的設計進行了分析，深入研究電子元器件的失效退化模式，為失效電子元器件可靠性數據篩選模型的構建提供依據。

1 可靠性數據篩選的重要性

在電子元件可靠性水平不斷提升的背景下，對元器件生產提出了更高要求，由于目前元器件的生產難以融合加工工藝與規范要求，導致在生產過程中存在相應的誤差，使得成品存在相應的缺陷[2]。有關研究表明，電子元器件加工失效率與時間存在相應的關系，如圖1 所示。

圖1 電子元器件的失效曲線

通過分析圖1 得知，在同一批生產的電子元器件中，生產前期會產生大量的失效情況，并且失效率呈現出一種逐漸下降的趨勢。當失效率達到A 臨界點時，將會逐漸進入偶然失效期[3]。此時，便可將電子元件的失效率控制在合理的變化范圍內。電子元器件篩選的可靠性過程，就是通過對電子元器件可靠性數據的篩選，便可從同一批生產的元器件中找出潛在故障。

2 模型設計

電子元器件失效率作為評價元器件可靠性的重要指標，在元器件總退化量超過其失效閡值時，電氣元器件會失效。因此，在構建電子元器件退化失效模型過程前，需計算電子元器件的退化量，計算公式可表示為：

式（1）中XS（t）表示總退化量、X（t）表示元器件本身退化量；Y（t）表示累積突增退化量。在元器件受到連續性退化進程的影響后，便會轉變為相應的線性退化，此時可將模型進行簡化處理，通過概率的方式，在（0，t]時間段內，構建電子元器件可靠性數據篩選模型[4]。

除此之外，由于受沖擊元器件的類型相對較多，并且元器件退化量與失效閾值之間存在相應的線性關系，通過上決策模型，可明確元器件的沖擊損傷量和電子元器件可靠性兩者的關系。

2.1 篩選條件及目標設計

由于電子元器件類型存在相應的差異，其生產材料、工藝等不同，使得電子元器件生產時失效機理不同，對應的偶然失效臨界點不同，嚴重影響篩選模型的構建。因此，在構建可靠性數據篩選模型前，需明確篩選對象、篩選應力類型等級以及對應的時間[5]。

2.2 時間的確認

在確認篩選時間前，首先需排除早期失效的元器件，并對早期失效產品的使用壽命進行有效評估，進而確保元器件的使用壽命大于篩選時間。其次，在判斷時間的過程中，需通過早期失效產品的篩選時間進行控制，并結合圖1 中的失效曲線分析電子元器件的使用周期[6]。

2.3 標準差及平均值設計

在分析電子元器件時，可通過開展相應的測試試驗獲取電子元器件的具體失效時間，并根據相應的公式計算平均值與標準差。

2.4 安全系數引入

在計算得到相應的平均值與標準差后，將其與電子元器件真實數值進行對比，并判斷兩者之間是否存在偏差，若存在，需對其進行優化調整。在篩選電子元器件壽命過程中，需充分掌握電子元器件的實效機理，從而借助高篩選應力、短時間的模式，降低電子元器件篩選過程中產生的成本，進而有效提升電子元器件篩選效率[7]。

3 電子元器件可靠性篩選技術分析

對于可靠性技術的研究，通常指分析、評估電子產品產生的故障原因后，通過相應的技術手段解決故障問題，進而有效提升電子產品的可靠性。

3.1 可靠性技術分析

在電子元器件可靠性數據篩選模型中，可靠性技術有著十分重要的作用，其可過濾電子產品中潛在的可靠性。但是，在模型設計過程中，需充分考慮功能與特征參數等指標要求，同時考慮電子器件可靠性與使用壽命中存在的潛在因素，進而防止電子器件出現失效的情況。

3.2 冗余設計

冗余設計具有實用性高、操作簡單等特點，在可靠性設計中應用較為廣泛，在將此種技術融入模型的設計中后，可有效解決附加元件對系統運行造成的不良影響，如圖2 所示。

圖2 冗余電源系統設計

從圖2 中可明確看出，在系統的開關電源模塊中，主要是將傳統二極管摒棄，進而實現冗余電源設計。此外，該系統主要是通過MOS 實現系統的冗余控制，這樣利用電源模塊自帶的遠端補償端子設計，可以實現并聯均流電路，使其起到良好的效果。除此之外，由于并聯電源模塊大致相似，故通過相應的優化設計便可實現容量擴充，進而實現冗余功能和均流功能。

3.3 電磁兼容設計

對于電子元器件而言，其緊密性相對較高，對工作環境以及自身的運行狀態提出了更高要求。對于電磁兼容設計而言，其主要指在同一電磁環境中，可實現系統、子系統、電子設備相關功能的共存，并且其兼容性主要存在與系統之間、系統內部等方面。電磁兼容的設計對電子元器件影響相對較大，通過電磁的兼容設計，可實現系統或子系統、電子設備自身功能的并存。因此，在電子元器件電子兼容設計過程中，首先需在系統的電子元器件和參考地方兩者之間構建起相應的導電通道。并在不同類型金屬元器件的表面構建相應的低阻通道，這樣不僅可有效降低不同元器件之間不同點位差造成的干擾，而且還可有效阻隔輻射電磁波的影響。本文通過對電子元器件的噪聲源電磁兼容問題進行分析，結合相應的噪聲分離網絡，設計了一種性能相對較高的傳導分離網絡。為驗證分離網絡的效果，需參考分離網絡主要應用場景，將特定電子元器件的傳導電磁干擾信號作為相應的測試對象，最后在比較加載EMI 濾波器前后的信號變化情況對傳導分離網絡的效果進行驗證。在此過程中，測試參數主要涉及差模干擾與共模干擾的信號頻譜。測試步驟如下：

首先，將220V 交流電通過LISN 受試端，向被測電子元器件供電，并使用示波器輸出的干擾信號，并借助計算機對濾波前后的差模和共模干擾信號頻譜進行處理。其次，在LISN 與被測電子元器件之間加入EMI 濾波器，借助計算機再次測量差模和共模干擾信號頻譜。其中，示波器輸入通道耦合為AC 耦合，垂直檔位設置為20mV/格，計算機測量程序作用在于控制水平檔位，測試結果如圖3所示。

圖3 傳導分離網絡測試結果

圖3 中，直線為標準參考線。從圖中可明確看出，在濾波前，被測電子元器件差模與共模干擾相對較為明顯，但是差模干擾較相對較強，幅度大約為10dB。如果考慮6dB 安全裕量的情況，此時差模傳導電磁干擾將出現超標的情況。在加入EMI 濾波后，傳導電磁干擾信號明顯降低，大約為10dB，由此得知在10kHz～1MHz 頻率范圍內，差模與共模干擾抑制效果較為顯著。此外，在對參考限制與實測信號的平均噪聲電平進行對比后發現，兩者幅值相差30dB，說明此種分離網絡可有效控制電子元器件產生的噪聲，說明該電磁兼容設計，在電子元器件篩選過程中發揮著十分重要的作用。

4 電子元件失效條件分析

本文通過高溫反偏試驗，分析電子元器件的失效條件，并觀察元器件在試驗過程中的退化情況，并對芯片的電流泄漏進行相應的驗證，檢測了電子元器件的高溫性能以可靠性水平，從而驗證了篩選模型的有效性。在失效性條件試驗方面，設置的試驗參數詳見表1。

表1 失效性條件測試參數

4.1 電子元件性能分析

電子元器件高溫反偏試驗前后數據參數變化情況詳見表2。

表2 元器件高溫反偏試驗前后數據參數變化

通過分析表2 中得知， 在試驗前，電子元器件的VF 值相對較高，為1468.7V，在試驗后，降低至1306.0V，變化趨勢相對穩定，變化幅度可忽略，說明此時電子元器件正向特性并未出現相應的退化現象。試驗前電子元器件的IR 值為65.0mA，試驗后升高至1237.0mA，反向漏電流增加量大約為1000%的變化幅度，說明電子元器件反向漏電存在較為嚴重的退化現象。綜合分析來看，高溫反偏會使電子元器件的漏電電流增加，并且會降低其耐壓值，進而導致電子元器件產生相應的退化，可在此結論的基礎上，構建相應的篩選模型。

4.2 電子元器件的噪聲特性失效條件分析

通過HTRB 系統對電子元器件失效條件分析，在偏置電流為10mA 或者80mA 的條件下，測試電子元器件的噪聲特性，在試驗開始前，在將電子元器件在溫度為175℃、反向偏壓為860V 的環境中暴露7 天，試驗結果詳見表3。

表3 電子元器件的噪聲特性變化

通過分析得知，在偏置電流為10mA 時，電子元器件的噪聲值、噪聲電壓均有增大的趨勢，隨著偏置電流的增加，其增加越明顯。同時，在高溫反偏應力的環境中，也會使電子元器件的噪聲特性增加，進而降低電子元器件的性能。

4.3 電子元器件篩選的可靠性模型表征參量研究

為確定電子元器件的表征參量，研究對每個參量的試驗前后變化率進行了計算。結合表2 中的數據得知，在高溫反偏應力的環境中，電子元器件試驗前后反向漏電電流摻量變化較為明顯，說明篩選模型的沖擊損失量可選定為高溫反偏量，并可在此基礎上構建相應篩選模型，準確反映電子元器件受沖擊損失量和其可靠性兩者之間的關系。

5 結語

針對電子元件可靠性測試問題，本文對電子元器件篩選的可靠性模型設計進行研究，并對篩選類型以及方案設計進行了相關分析，深入研究電子元器件的失效退化模式，為電子元器件可靠性測試篩選及模型的構建奠定了基礎，同時有效降低了電子元件的失效率。但是，本次研究還存在相應的不足，在后續的研究中會更為深入地進行分析。