淺談電子元器件可靠性檢測(cè)

【關(guān)鍵詞】電子元器件；可靠性檢測(cè)；二次篩選

引言

目前，我國(guó)電子元器件的生產(chǎn)工藝并不高，可靠性檢測(cè)是保證電子元器件可靠性的有效措施，是提高整批電子元器件可靠性水平的重要手段，經(jīng)由元器件檢測(cè)，規(guī)避早期失效產(chǎn)品所造成的影響。

一、電子元器件可靠性及其主要影響因素

（一）電子元器件可靠性概述

按照學(xué)界公認(rèn)的定義，電子元器件可靠性指的是在一定條件下，其能夠在規(guī)定時(shí)間與預(yù)期壽命期間內(nèi)按照其功能與性能的要求正常穩(wěn)定工作的能力。

在元器件生產(chǎn)過程中，難以按照工藝規(guī)范控制操作，設(shè)備狀況、人為因素、原材料等工藝條件不可避免會(huì)造成電子元器件在設(shè)計(jì)和制造上的缺陷，導(dǎo)致元器件提前失效，壽命遠(yuǎn)低于整批元器件的平均壽命，這些提前失效的元器件稱為“早期失效”。通過大量的使用和試驗(yàn)結(jié)果證明，大多數(shù)元器件的失效率與時(shí)間關(guān)系呈現(xiàn)“浴盆”形狀，簡(jiǎn)稱“浴盆”曲線，見圖1。從“浴盆”曲線可以看出，在早期失效期內(nèi)，元器件隨著工作時(shí)間的增加，失效率迅速降低，主要是由于設(shè)計(jì)、原材料和制造過程中的缺陷造成的。

失效率越過臨界點(diǎn)A，元器件的失效率進(jìn)入偶然失效期，也稱隨機(jī)失效期，這一階段元器件失效率較低，且穩(wěn)定在一個(gè)較小的數(shù)值上，這一階段，是元器件使用的良好階段，元器件可靠性指標(biāo)所描述的正是這一階段。在偶然失效期間，會(huì)有較低的失效率，主要原因是質(zhì)量缺陷、材料弱點(diǎn)、環(huán)境因素和使用不當(dāng)?shù)纫蛩厮鶎?dǎo)致。失效率越過臨界點(diǎn)B時(shí)，便進(jìn)入了元器件耗損失效期，元器件失效率隨著時(shí)間推移迅速增加，主要是由于元器件疲勞、老化等原因?qū)е隆?/p>

按照可靠性檢測(cè)方向以及檢測(cè)要求，可分為固有可靠性以及使用可靠性，基于元器件可靠性進(jìn)行系統(tǒng)化檢測(cè)與分析，有助于進(jìn)一步滿足用戶需求，延長(zhǎng)整機(jī)設(shè)備的使用壽命。

（二）影響電子元器件可靠性的主要因素

設(shè)計(jì)因素

由于電子元器件運(yùn)行中所面對(duì)的工況條件復(fù)雜，在方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮電應(yīng)力、熱應(yīng)力、元器件公差、電氣干擾等相關(guān)內(nèi)容影響，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)電子元器件維修保養(yǎng)、測(cè)試進(jìn)程等方面的關(guān)注與重視，使電子元器件的使用與維護(hù)成本實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步下降，滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。

生產(chǎn)工藝

在電子元器件生產(chǎn)制造過程當(dāng)中，所應(yīng)用到的生產(chǎn)工藝，如材料質(zhì)量、質(zhì)量工藝，質(zhì)量控制等，可能導(dǎo)致元器件的失效率增加，對(duì)性能與可靠性產(chǎn)生影響。因此，元器件可靠性需要生產(chǎn)廠針對(duì)性加強(qiáng)生產(chǎn)工藝流程的關(guān)注與重視程度，規(guī)避可靠性問題所帶來的影響。

環(huán)境因素

影響電子元器件的環(huán)境因素主要有電氣環(huán)境、機(jī)械環(huán)境、環(huán)境應(yīng)力等方面。其中，電氣環(huán)境因素指的是電子元器件受到電氣環(huán)境應(yīng)力的影響，如電壓、電流、靜電放電等，這些因素都會(huì)對(duì)元器件的可靠性產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致元器件性能下降或失效。機(jī)械環(huán)境包括振動(dòng)、沖擊、離心、腐蝕等，導(dǎo)致元器件焊點(diǎn)開裂、印制電路板變形、松動(dòng)等問題，使得元器件性能下降或失效。氣候環(huán)境因素包括恒定加速度、溫度循環(huán)、高溫貯存、熱沖擊、濕熱、鹽霧等，會(huì)使元器件內(nèi)部不同溫度特性材料的內(nèi)應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致元器件性能下降或失效。

二、電子元器件二次篩選檢測(cè)流程

（一）外觀檢測(cè)

作為電子元器件二次篩選與可靠性檢測(cè)過程當(dāng)中的關(guān)鍵一環(huán)，嚴(yán)格按照《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》（GJB548B-2005）對(duì)其進(jìn)行外觀檢測(cè)具有重要作用。技術(shù)團(tuán)隊(duì)與從業(yè)者需要綜合運(yùn)用千分尺、卡尺、量規(guī)、輪廓投影儀等相關(guān)設(shè)施設(shè)備針對(duì)目標(biāo)元器件的外殼、外形、尺寸、狀況、特殊引線形狀特征、伸出凹下部件尺寸以及其他關(guān)鍵性外形數(shù)據(jù)進(jìn)行量測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)元器件尺寸超出規(guī)定公差要求或極限值要求時(shí)，說明元器件可靠性不符合預(yù)期，需要及時(shí)進(jìn)行處理。

（二）電測(cè)試

除外觀檢測(cè)外，為確保目標(biāo)元器件在一般工作條件以及工作狀態(tài)下的可靠性與運(yùn)行壽命能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)其運(yùn)行過程當(dāng)中的電性能進(jìn)行全方位驗(yàn)證。在組織開展元器件二次篩選電測(cè)試時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格針對(duì)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行控制，將溫度控制為25℃左右的常溫狀態(tài)，同時(shí)將空間內(nèi)的相對(duì)濕度控制在20%～80%之間，針對(duì)不同類型的元器件，濕度控制應(yīng)有相應(yīng)變化，測(cè)試過程當(dāng)中還需要對(duì)通過設(shè)備的電壓、電流進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免因出現(xiàn)浪涌電壓等現(xiàn)象而導(dǎo)致元器件性能受到影響。

（三）溫度循環(huán)測(cè)試

在電子元器件的使用過程當(dāng)中，可能會(huì)面臨極高溫或極低溫等不同的溫度條件狀況，因此為保障元器件運(yùn)行壽命及其綜合性能，需要針對(duì)其在不同溫度狀態(tài)下的表現(xiàn)情況進(jìn)行全方位檢測(cè)與研究。在測(cè)試過程當(dāng)中，需要消除元器件本身所帶有的電應(yīng)力，同時(shí)按照一定規(guī)律以及變化特征針對(duì)電子元器件的運(yùn)行溫度進(jìn)行調(diào)整與控制，并要求目標(biāo)元器件能夠在規(guī)定溫度條件下完成工況循環(huán)，在測(cè)試過程當(dāng)中，還應(yīng)充分遵循篩選檢測(cè)技術(shù)條件中關(guān)于溫度循環(huán)試驗(yàn)提出的要求；同時(shí)，專業(yè)測(cè)試人員針對(duì)目標(biāo)元器件在不同溫度條件下的表現(xiàn)及其可能產(chǎn)生的缺陷現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)記錄，若出現(xiàn)變形、變色或表面裂紋等情況，則說明其可靠性無法滿足溫度循環(huán)測(cè)試要求。

（四）恒定加速度檢測(cè)

在針對(duì)以集成電路為代表的電子元器件進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，及時(shí)對(duì)元件結(jié)構(gòu)當(dāng)中可能出現(xiàn)的物理缺陷以及相關(guān)問題進(jìn)行定位與處置，能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)元器件使用壽命，充分保障其可靠性。因此，可開展元器件恒定加速度檢測(cè)工作，在檢測(cè)過程當(dāng)中，首先應(yīng)考慮到電子元器件的封裝工藝以及封裝模式，其中采用金屬封裝、陶瓷封裝等技術(shù)手段的元器件能夠滿足恒定加速度檢測(cè)需求，而采用其他封裝模式的電子元器件則不符合加速度檢測(cè)目標(biāo)。在檢測(cè)過程當(dāng)中，可結(jié)合元器件設(shè)計(jì)可靠性指標(biāo)以及電子元器件體量等要素，分別將恒定加速度設(shè)定為5000g與20000g，并針對(duì)檢測(cè)過后的電子元器件表現(xiàn)情況進(jìn)行檢查與分析，若元件未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)與機(jī)械層面的質(zhì)量問題，則說明其可靠性符合設(shè)計(jì)目標(biāo)以及預(yù)期要求，滿足客戶使用要求。

（五）粒子碰撞噪聲檢測(cè)

一些元器件在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能會(huì)存在可動(dòng)冗余，導(dǎo)致長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性受到影響。因此，為減少設(shè)計(jì)生產(chǎn)與制造過程中出現(xiàn)可動(dòng)冗余情況的元器件，可以針對(duì)元器件開展粒子碰撞噪聲檢測(cè)（PIND），從而規(guī)避長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的短路與故障風(fēng)險(xiǎn)。在檢驗(yàn)與測(cè)試過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)關(guān)注電子元器件的腔體高度狀況，并按照檢驗(yàn)方法要求對(duì)其施加一定的機(jī)械應(yīng)力，從而使元件內(nèi)部的可動(dòng)冗余得到有效抑制。

（六）老化

通過老化試驗(yàn)，一些電子元器件可能會(huì)出現(xiàn)顯著的老化現(xiàn)象，因此可通過老化試驗(yàn)檢測(cè)方法，對(duì)元器件的失效狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，并針對(duì)其潛在的缺陷以及性能問題進(jìn)行及時(shí)挖掘與系統(tǒng)化研究。在針對(duì)集成電路為主的電子元器件進(jìn)行老化試驗(yàn)時(shí)，可采用集成電路老化試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)其試驗(yàn)過程當(dāng)中的時(shí)間周期以及溫度狀況進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)集成電路的失效判定指標(biāo)進(jìn)行明確，使集成電路的性能與可靠性能夠得到相應(yīng)展現(xiàn)。

（七）氣密性檢測(cè)

在開展氣密性檢測(cè)的過程當(dāng)中，運(yùn)用示蹤氣體氦細(xì)檢漏方案針對(duì)集成電路的氣密性能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)與分析，從而保障其氣密性達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行氣密性檢測(cè)的同時(shí)，人員應(yīng)當(dāng)關(guān)注到集成電路的樣品封裝狀態(tài)以及受檢器件的表面特性，避免在檢測(cè)過程當(dāng)中誘發(fā)相應(yīng)隱患與風(fēng)險(xiǎn)。

（八）高溫貯存測(cè)試

為使集成電路的可靠性更加直觀展現(xiàn)，元器件應(yīng)針對(duì)其在高溫狀態(tài)下的貯存性能以及貯存壽命進(jìn)行測(cè)驗(yàn)與分析，同時(shí)明確集成電路的失效機(jī)理以及失效模型，為相關(guān)元器件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與制造過程提供參考依據(jù)。在試驗(yàn)過程當(dāng)中，應(yīng)將目標(biāo)受檢元件放置于恒定的高溫狀態(tài)下，并規(guī)定相應(yīng)的測(cè)試時(shí)間以及測(cè)試周期，在此基礎(chǔ)上針對(duì)元器件所暴露出的缺陷與問題進(jìn)行及時(shí)識(shí)別，從而強(qiáng)化檢測(cè)效果。在進(jìn)行高溫貯存試驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制電子元器件的貯存溫度范圍、區(qū)域內(nèi)溫度均勻性、溫度變化速率以及整個(gè)測(cè)驗(yàn)空間等相關(guān)指標(biāo)，從而避免試驗(yàn)空間內(nèi)部各項(xiàng)要素之間的互相干擾，保障最終結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

（九）聲學(xué)掃描檢測(cè)

為進(jìn)一步明確集成電路等電子元器件貯存與運(yùn)行過程當(dāng)中可能產(chǎn)生的各項(xiàng)缺陷與性能問題，可運(yùn)用掃描聲學(xué)顯微鏡等技術(shù)手段對(duì)其可靠性進(jìn)行全方位掃描與檢測(cè)，從而直觀掌握元器件使用過程當(dāng)中所產(chǎn)生的裂紋、空洞、分層、雜質(zhì)等缺陷，使其設(shè)計(jì)思路以及生產(chǎn)工藝得到針對(duì)性優(yōu)化與改進(jìn)。在依托掃描聲學(xué)顯微鏡針對(duì)封裝電路開展掃描檢測(cè)的過程當(dāng)中，可借助超聲脈沖信號(hào)對(duì)受測(cè)目標(biāo)元件所返回的聲波信息進(jìn)行收集與記錄，能全面了解和掌握電子元器件的粘接質(zhì)量與可能存在的缺陷情況，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)對(duì)大批量電路元件的篩查與選擇，有效加快了二次篩選工作的開展效率與開展速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)次品的有效剔除。

三、二次篩選流程設(shè)計(jì)

為明確電子元器件二次篩選試驗(yàn)流程，現(xiàn)以集成電路二次篩選程序?yàn)槔M(jìn)行分析與探討。按照電路類別進(jìn)行劃分，可主要分為單片集成電路以及混合集成電路等兩種主要類別，其中，單片集成電路電參數(shù)測(cè)試應(yīng)滿足產(chǎn)品手冊(cè)要求，溫度循環(huán)條件為10次，恒定加速度設(shè)定為Y1方向，條件為E或D，外部目檢時(shí)需選用10倍放大鏡或顯微鏡，老煉溫度應(yīng)控制在125℃以上。混合集成電路電參數(shù)測(cè)試、老煉溫度條件等與單片集成電路一致，密封篩選與檢測(cè)時(shí)按照試驗(yàn)條件差異可分為細(xì)檢漏與粗檢漏兩種。

四、保障電子元器件可靠性的具體措施

在電子元器件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程當(dāng)中，如何保障其貯存與使用過程中的可靠性始終是技術(shù)團(tuán)隊(duì)需要面對(duì)的重要挑戰(zhàn)，從業(yè)者應(yīng)積極采取措施對(duì)電子元件可靠性的影響要素進(jìn)行系統(tǒng)化挖掘與分析，并給出相應(yīng)的解決方案以及解決措施，使得電子元器件的可靠性得到保障。

（一）優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在以集成電路為代表的電子元器件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮到元器件的用途、生產(chǎn)規(guī)模、運(yùn)行周期、運(yùn)行環(huán)境等相關(guān)指標(biāo)的要求，同時(shí)對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面優(yōu)化與改進(jìn)，使其機(jī)械結(jié)構(gòu)、空間布局、運(yùn)行方式等能夠符合電子元器件的使用特征，全面加強(qiáng)電子元器件的綜合可靠性，使其生產(chǎn)效益以及壽命得到充分強(qiáng)化與提升。

（二）正確開展選型

在針對(duì)高溫環(huán)境下元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的同時(shí)，應(yīng)對(duì)元件結(jié)構(gòu)、粘接固定方式、涂覆加工流程等進(jìn)行全面優(yōu)化，確保其元件的耐高溫性能，避免出現(xiàn)相應(yīng)的質(zhì)量問題以及壽命問題。

（三）強(qiáng)化質(zhì)量監(jiān)督

生產(chǎn)制造過程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)其質(zhì)量監(jiān)督工作，全面提升對(duì)質(zhì)量監(jiān)督以及可靠性管理的關(guān)注與重視程度，使元件生產(chǎn)、使用和運(yùn)行過程當(dāng)中可能出現(xiàn)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)得到有效抑制，使其組裝工藝能夠達(dá)到相應(yīng)技術(shù)目標(biāo)，充分提升元件連接牢固度、密封性及其耐環(huán)境腐蝕能力等指標(biāo)。

（四）開展二次篩選

二次篩選是元器件可靠性保障的有效措施。目前，基于我國(guó)電子元器件設(shè)計(jì)、制造和工藝等方面的現(xiàn)狀，以及進(jìn)口元器件采購(gòu)中的諸多不可控因素，電子元器件二次篩選已成為誘發(fā)電子元器件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中潛在的缺陷，有效剔除早期失效產(chǎn)品，提高整機(jī)系統(tǒng)的可靠性測(cè)試過程當(dāng)中必不可少的一環(huán)。通過一系列針對(duì)性的試驗(yàn)，能夠充分提高元器件的使用可靠性，有效保障進(jìn)口元器件產(chǎn)品的質(zhì)量可控性，使裝備整體可靠性能夠在二次篩選過程中得到進(jìn)一步強(qiáng)化與提升。

結(jié)語

在當(dāng)下各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程當(dāng)中，電子元器件發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是裝備用元器件。關(guān)注電子元器件可靠性的主要影響因素，按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定要求明確電子元器件可靠性篩選檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并能夠從實(shí)際出發(fā)，給出相應(yīng)的優(yōu)化策略和優(yōu)化方案，強(qiáng)化生產(chǎn)制造質(zhì)量監(jiān)督，提升元器件固有可靠性；正確開展型號(hào)選型，關(guān)注環(huán)境防護(hù)、開展二次篩選．提高元器件使用可靠性，從而提升以集成電路為代表的電子元器件的綜合可靠性。