《電子元器件篩選技術.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《電子元器件篩選技術.doc（8頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

儀表與電氣系統(tǒng)的可靠性設計 電子元器件篩選技術 摘要：電子元器件是電子設備的基礎，是保證電子設備高可靠性的基本資源，其可靠性直接影響設備的工作效能的充分發(fā)揮。電子元器件是電子設備、系統(tǒng)的基礎。隨著電子技術的發(fā)展，電子元器件在設備中應用數量逐漸增多，對電子元器件的可靠性也提出了越來越高的要求。本文介紹電子元器件的篩選技術。 關鍵詞：電子元器件；可靠性；篩選 1、 電子元器件篩選的目的和作用 電子元器件篩選是設法在一批元器件中通過檢驗和試驗剔除那些由于原材料、設備、工藝等（包括人的因素）方面潛在的不良因素所造成的有缺陷的元器件——早期失效元器件，而把具有一定特性的合格器件挑出來。檢驗包括在規(guī)定 環(huán)境下的目視檢查、功能測量等，某些功能測試是在強應力下進行的。 電子元器件失效機理在元器件制造出來之后就已經固定。所以，可靠性篩選不能改變其失效機理，不能改變單個元器件的固有可靠性水平。但是，通過篩選，課剔除早期失效元器件，從而提高成批元器件總體的可靠性水平?；蛘哒f，篩選不能提高元器件的固有可靠性，只能提高使用可靠性。 可靠性篩選對性能良好的元器件應該是一種非破壞性試驗，即試驗應力對好元器件的損傷要盡可能小。反映在整批元器件特性上，就是不應影響其失效機理、失效模式和正常工作。在此前提下，可考慮加大應力進行篩選，以提高篩選效果和縮短篩選時間。篩選的目的是有效地剔除早期失效產品，使失效率降低到可接受的水平。 元器件篩選是提高電子元器件使用可靠性的有效手段。元器件經過篩選可以發(fā)現(xiàn)并剔除在制造、工藝、材料方面的缺陷和隱患。元器件篩選對空空導彈這樣在飛行任務期間沒有可能維修、可靠性指標要求又很高的產品尤為重要。 2、 電子元器件篩選分類 電子元器件按照篩選性質分類可以分為四大類： ①檢查篩選：顯微鏡檢查篩選；紅外線非破壞性檢查篩選；X射線非破壞性檢查篩選。 ②密封性篩選：液浸檢漏篩選；氦質譜檢漏篩選；放射性示蹤檢漏篩選；濕度實驗篩選。 ③環(huán)境應力篩選：振動、沖擊、離心加速度篩選；溫度沖擊篩選。 ④壽命篩選：高溫儲存篩選；功率老化篩選。 按照生產過程分類可以分為生產工藝篩選；成品篩選；裝調篩選（即用模擬整機使用狀態(tài)的篩選裝置進行動態(tài)篩選）。 按照篩選的復雜程度可以分為五類: ①分布截尾篩選：對元器件參數性能的分類； ②應力強度篩選：對元器件施加一定強度的應力后進行測量分選； ③老煉篩選：在規(guī)定的時間內對元器件施加各種應力后進行測試篩選； ④線性鑒別篩選：類似于老煉篩選，但要運用數理統(tǒng)計技術進行判別； ⑤精密篩選：在接近元器件使用條件下進行長期老煉并多次精確地測量參數變化量進行挑選和預測。 3、 二次篩選 篩選根據需要可以分為一次篩選和二次篩選。一次篩選簡稱為篩選。通常指在元器件生產廠進行的篩選，其目的是淘汰有缺陷的產品、根據使用要求，篩去不符合要求的產品。元器件使用廠有時根據使用的需要再進行一次篩選，往往稱為二次篩選。二次篩選的目的主要有： a. 使用廠認為在生產廠進行的篩選應力不夠，不足以淘汰足夠的早期失效器件。因此，經篩選后的元器件失效率達不到要求，從而進行二次篩選。但對某些器件（如磁控管），當篩選應力過大，反而會縮短使用壽命。因此，在選擇二次篩選的實驗項目和試驗應力時，需區(qū)別對待，慎重選擇。 b. 元器件生產廠的產品針對廣泛領域的用戶，因此，一次篩選的目標帶有普遍性。當使用廠由于特定的使用環(huán)境或要消除特定失效模式時，就要進行含針對性試驗項目的二次篩選。 c. 二次篩選的某些試驗項目也帶有檢驗的目的。當某批某個項目失效比例高，或出現(xiàn)不該有的失效模式，就往往要研究該批器件的整批質量問題。 不論一次篩選，二次篩選都必須按使用要求選擇合適的實驗項目和篩選順序，組成既經濟又有效的篩選規(guī)范。因此了解各實驗項目的作用、有無破壞性和費用等因素是十分重要的。特別對二次篩選，由于使用對象更為明確，篩選目的更為具體。當了解各項試驗方法的作用和費用后，針對性的訂出一個二次篩選規(guī)范是經濟有效地方法。 能用作各類元器件篩選的試驗項目很多。詳細介紹對使用最普遍，對失效率評估作用最大的方法。 為了降低二次篩選的風險，對于已能滿足要求的元器件應盡量不做承受電應力、機械應力、熱應力的篩選項目，僅做一些必要的檢查性和測試性的篩選項目。對于必須做二次篩選的元器件；電應力、熱應力、機械應力的選取在任何情況下不得超過元器件的最大額定值。 4、 電子元器件篩選方法 4.1 老煉 4.1.1 半導體元器件失效規(guī)律 老煉篩選的重要依據是失效規(guī)律。半導體失效規(guī)律從來都認為是遵循浴盆曲線。但近十余年來國內外都對其有不同看法。下面介紹浴盆曲線和其他有關論點。 1. 浴盆曲線簡介 a. 基本論點 浴盆曲線因失效率隨工作時間的變化曲線似浴盆而得名。這變化曲線可分為三段，如圖所示： 第一段稱為早期失效期。失效率較高，但隨時間很快下降。失效原因被認為是設計制造中的缺陷造成。 第二段稱偶然失效期。失效率最低，且基本上不隨時間而變化。這是產品最佳工作時期，失效原因被認為是各種隨機因素造成。 第三段稱為衰老期，或損耗期。失效率顯著上升，失效原因被認為是老化、磨損等原因。 產品失效率浴盆曲線 b. 根據浴盆曲線理論制訂篩選條件 ⑴ 求拐點B：老化到B點是最佳篩選點，使用時（B點以后）失效率最低，且剩留的使用時間（BC段）最長。 ⑵ 如老煉時間較長（過B點較多），則將會縮短使用時間，這顯然是不合適的。 c. 浴盆曲線與實際的矛盾之處 ⑴ 拐點找不到。失效率總隨時間下降，只是速率不同而已。 ⑵ 三個不同階段的失效機理雷同。例如電遷移失效在不同使用時間都有可能出現(xiàn)，其他失效機理亦然。 ⑶ 從國內外文獻中均未見到有說服力的半導體器件進入衰老期的例子。 ⑷ 浴盆曲線理論沒有強調設計、生產對可靠性的影響。 由于浴盆曲線理論與事實矛盾，應用該理論在制訂篩選條件時遇到很大阻力。當要采用較長時間的老化（如240h或更長時間），根據浴盆曲線理論必然提出：這樣做會縮短使用壽命。這樣就無法制訂出正確的篩選規(guī)范。 2. 新失效率曲線簡介 新的失效率理論和曲線有很多種，這里介紹一種。 新失效率曲線 新失效率曲線如上圖，其特點有： I 失效率及其下降速率隨使用時間增加而下降。 II在足夠長時間內不出現(xiàn)失效率曲線上翹的衰老期。“足夠長”是指在一般使用任務中均不必考慮這個時期。 III不同設計、生產水平對應不同的失效率曲線。圖中ABC三條不同的曲線，反映出設計、生產水平的不同。A的設計生產水平最高，C最差。 IV如果要求篩選后失效率低于λ1，則對不同設計生產水平的產品需要老煉的時間不同。對水平高的A，只需要老煉tA時間。對水平低的C，則需要老煉tC時間。而tC>tA。 V如要求篩選后失效率更低，如要求不高于λ2（λ2<λ1）。則老煉時間也要增加，這時對A曲線需tA時間。老煉時間越長，器件的失效率越低。 VI并不是所有工藝水平的產品都能達到所要求的低失效率。對C工藝，老煉時間再長，甚至把產品完全淘汰完了，也達不到λ2水平。 4.1.2 老煉試驗簡述 老煉試驗簡單地說就是使元器件在一定環(huán)境溫度下工作一段時間。環(huán)境溫度有室溫、高溫。對小功率器件，一般采用高溫以加速老煉。對功率器件，有采用常溫甚至用散熱器散熱的。元器件工作方式則有靜態(tài)（反偏）、動態(tài)等。下面主要敘述動態(tài)老煉。 動態(tài)老煉模擬了器件使用狀態(tài)，因此比較能反映使用過程的實際情況。器件在工作時將出現(xiàn)大部分失效模式，在動態(tài)老煉時均能真實反映。且根據老煉控制點的PDA控制可以判斷經篩選后電路失效率是否低。因此，老煉是很重要的元器件篩選試驗，但試驗費用較高。 動態(tài)老煉時間和老煉溫度的選擇，老煉試驗的應力主要由老煉時間和老練溫度、老煉負載來確定。按新失效率曲線理論是可以找到失效率低于要求的合適老煉時間的。但不同工藝水平，為達到一定的失效率所要求的老煉時間不同。因此每批都去求最佳老煉時間，既不經濟也無必要。 當然按照新失效率曲線，老煉時間越長，電路越可靠，但成本也越高。因此無限增加老煉時間也是不可取的。 此外老煉應力除和老煉時間有關外，也和溫度有關，溫度高則應力強，老煉加速。即可用較少時間達到同樣目的。溫度和時間的對應關系有不同說法。GJB548中對微電路的一張對應表： 動態(tài)老練溫度和老煉時間對照表 環(huán)境溫度 至少老煉時間（h） 備注 S級 B級 100 352 僅用于混合微電路 110 260 僅用于混合微電路 120 190 僅用于混合微電路 125 240 160 130 208 138 140 160 105 150 120 80 顯然，老練溫度高，老煉時間可以縮短，從而降低試驗成本。但溫度高，也帶來工作上的困難。如高溫下焊錫軟化（軟化所需溫度遠低于融化點）限制、老煉板壽命下降等。 對大功率器件還需考慮最高結溫的限制。 綜上所述，我們對不同質量級別要求的器件，統(tǒng)一規(guī)定了老煉時間和老煉溫度。如對微電路，國內一般取老煉溫度為85℃或125℃。美軍標和國軍標都采用125℃。對分立器件，有的采用150℃。對單片微電路的S級，老煉時間取240h，對B級為160h。對混合微電路K級為320h，H級為160h等。對批質量水平，采用PDA技術進行鑒別和控制。 動態(tài)老煉的負載的選擇，老煉負載，即指器件輸出端所帶的負載。老煉應力和負載大小有很大的關系。負載大，應力大。因此負載大小應盡量接近真實。如使用有容性和感性負載則應同樣在篩選中實現(xiàn)或模擬。關于一塊微電路中多個電路的共用電阻性負載是這樣規(guī)定的： 一塊微電路中有時含多個簡單電路（如四二與非門即四個二輸入端與非門電路封裝在一個管殼里）。如每個電路要焊兩個負載電阻，則含n個電路的集成塊需要2n個電阻，使老煉板制作增加難度。一般的做法是將n個同類電路輸出端共接一個電阻，且阻值降為1/n。 這樣做固然大大簡化老煉板的制作。但缺點是各個電路參數不可能絕對相同，因此會發(fā)生”搶電流“現(xiàn)象，而使各個電路負載不勻。有的過輕，有的過重。 美標MIL-STD-883C的1994年8月修改通知中明確規(guī)定：1985年1月31日以后再不允許共用負載電阻。國軍標GJB548已把這個規(guī)定寫了進去。由于這和傳統(tǒng)做法有較大不同，希望做試驗時注意這個規(guī)定。 反偏老煉，是一種加特殊偏置的老煉試驗方法，僅用于MOS等對表面態(tài)較為敏感的器件。所加偏置應能使盡可能多的PN結處于反偏。其作用是使PN結在高溫反偏條件下能高效的把可動離子“趕”到界面從而促使有缺陷的器件盡早失效。反偏老煉的費用低于動態(tài)老煉。 在GJB548中規(guī)定，只有S級才采用這項試驗，并取老煉時間為72h。但在很多產品詳細規(guī)范中規(guī)定，對B級也必須作。對 元器件用戶來說，所使用器件如對可動離子造成的失效機理比較敏感，則本試驗可作為二次篩選的一個試驗項目。 老煉后的冷卻及測試，一般要求在老煉后，器件冷卻到殼溫不高于30℃，才允許器件斷電。這主要是考慮在高溫無電廠作用下，可動離子會作無規(guī)則運動，從而使已失效了的性能恢復正常，掩蓋了曾失效的現(xiàn)象。 一般要求在試驗結束后96h內將被測電路測完。不能測完的部分重作24h的老煉后再測試。對批量小的電路限制測試完的時間還應壓縮，效果會更好些。對反偏老煉后的冷卻及測試時間應嚴格按規(guī)定進行。 4.2 高溫存儲篩選 高溫存儲技術要求低，費用省，有時效果還不錯。存儲溫度過高，時間過長對封裝有破壞性。主要失效模式之一是引腿鍍層微裂，失去保護引腿材料的作用。美軍標對該試驗項目的應力，即存儲溫度和時間已逐步限制。對微電路已采用150℃、24h。而國內有些標準采用了高溫度（烘箱達高溫不困難）、長時間，且自認為超美軍標應力水平，這種看法是錯誤的。 對同一應力強度，提高了存儲溫度就需要減少存儲時間。對集成電路而言GJB548表明，存儲溫度和時間有下列對應關系。 存儲溫度（℃） 存儲時間（h） 100 1000 125 168 150 24 175 6 對成熟電路高溫存儲試驗的篩選率接近于零。即本試驗項目篩選效果很差。老煉試驗是對元器件工作壽命的一種加速試驗。而高溫存儲把水汽這個會對封裝起作用的室溫存儲環(huán)境因素排除掉了，因此有人用高溫存儲來反推存儲壽命。 4.3 PDA控制 PDA意為“批允許不合格率”。PDA不是試驗方法而是試驗技術。PDA技術的引入使篩選的作用有了一個質的飛躍。在引入前，篩選只是100％的“過篩”，不合格的全篩下去，合格的當然要交付使用，但這些合格器件的失效率仍是個未知數。PDA技術能部分解決這個問題。應用它能分辨出某批電路將來使用時失效率將較低，而某批電路“過篩”后的“合格”品失效率仍高，仍然必須整批報廢。 PDA控制技術對提高產品可靠性效果顯著，所花成本不高，現(xiàn)已被廣泛采用。但若對其原理了解不夠和使用方法不當就會限制這個技術的使用效果。 首先要選定某一試驗項目為進行PDA控制的實驗項目，該試驗項目稱為PDA控制點（常選在老煉試驗項目）。然后確定控制值即PDA值。該值根據可靠性要求而定，如S級選3％，B級選5％等。PDA值越低，則通過篩選后的器件批失效率越低。當然該值也與應力強度有關，如同樣的老煉溫度經48h的老煉和168h老煉相比，雖然PDA同樣達到5％，但經168h老煉的器件批失效率低。 計算批缺陷率P1值，經規(guī)定的控制點（如功率老煉）篩選后，失效數為r1，則定義批缺陷率P1為： P1=r1N 其中N為在該控制點參加該試驗項目篩選的器件總數。如果P1值大，則該批拒收。如P1值不大，則通過該試驗。 缺陷率P1值直接反映試驗前該批元器件的可靠性水平，即和該批器件中含某一個（或某一些）缺陷的次品率W1成正比。證明如下： 總數為N的樣品中，和r1同失效模式的次品率設為W1.按定義，W1為： w1=R1N 式中，R1為和r1同類缺陷的實際次品數。令B1為篩選率，則： B1=r1R1 將B1值、W1值代入整理得批缺陷率P1為： P1=r1N=R1B1N=B1W1 對某一特定試驗項目，B1為常數。于是：P1∝W1即批缺陷率P1與次品率成正比。 4.4 其他篩選方法 除了上面介紹的三種篩選方法之外還有常用的篩選方法如離心試驗、檢漏試驗、測試電參數法、溫度循環(huán)和目檢等。 4.5 各種篩選方法的比較 序號 篩選方法 擬篩的缺陷 效果 費用 備注 1 老煉試驗 金屬化、硅塊、氧化物、參數漂移 極好 高 2 溫度循環(huán) 封裝、密封、熱失配、龜裂 很好 低 對采用引線的元器件最有效 3 密封試驗 封裝、密封 很好 較高 4 目檢 引線、金屬化、氧化物、污染微粒子、芯片鍵合、引線鍵合 好 低中等 高可靠性元件必做項目 5 X光檢驗 芯片鍵合、引線、微粒子、制造缺陷、密封、封裝、污染 好 中等 可在封裝后檢查芯片鍵合質量，但對硅鋁費用較高 6 離心加速度試驗 引線、芯片鍵合、引線鍵合、襯底龜裂 好 較高 7 高溫貯存試驗 電氣穩(wěn)定性、金屬化、硅塊、腐蝕 一般 低 對新研器件效果較好 5、 典型篩選程序 高溫儲存——溫度循環(huán)——（跌落）——離心——高溫功率老煉——高溫測試——低溫測試——檢漏——外觀檢查——常溫測試。 A. 高溫儲存：85~175℃，96小時。 B. 離心：20000g，1分鐘。 C. 高溫功率老煉：85℃，96小時，在額定電壓、額定負載下動態(tài)老煉。 6、 總結 電子元器件篩選作為提高元器件使用可靠性的手段，發(fā)揮著重要和特殊的作用，在目前和今后的一段時期內將繼續(xù)保留，它的作用已被多數整機生產廠所認可。隨著國內電子行業(yè)的發(fā)展，我們應該不斷研究新的電子元器件的篩選方法，為元器件使用的可靠性提供重要保障。