電子元器件可靠性評價與質量控制策略研究

李雪 張天琪 唐思宇

摘要：在電子產品的組成中，元器件是最基本的組成，也是最小的單元，產品是否具有較強的穩定性和可靠性，與電子元器件的質量密不可分，一旦元器件的可靠性下降，則電子產品的作用也就無從談起，所以對電子元器件的可靠性進行分析，使其能夠發揮自身的價值是非常重要的。因此，我們應該對電子元器件的質量進行分析和控制，確保其可以為電子產品所服務，能夠更好地服務于高科技產品的生產制造，推動國民經濟又好又快發展。

Abstract： In the composition of electronic products， components are the most basic， and the smallest unit. Whether the products have strong stability and reliability is inseparable with the quality of electronic components. Once the reliability of components declines， the role of electronic products will also diclines， so it is very important to analyze the reliability of electronic components so that they can exert their own value. Therefore， we should analyze and control the quality of electronic components to ensure that they can serve electronic products， better serve the production of high-tech products， and promote the sound and rapid development of the national economy.

關鍵詞：電子元器件;可靠性評價;質量控制策略

Key words： electronic components;reliability evaluation;quality control strategy

中圖分類號：TN606? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0257-04

0? 引言

隨著電子產品及系統在各行各業的普及應用，人們對電子元器件質量的重視程度逐漸提高。根據相關數據顯示，在使用電子產品的過程中出現的問題，大多都是由電子元器件的質量不好所引起的，比如，在使用過程中的穩定性不高，使用時間短，元器件的功能不能正常的發揮等。即使設計了一款非常完美的電子產品，研發生產的過程都是有著嚴格的管理，一旦電子元器件的質量沒有很好的保障，再好的產品也會毀于一旦。所以，在進行電子產品的生產時，要注重電子元器件的質量，對其進行可靠性的評價和相應的質量控制，這才是電子產品的根基，企業中要將該項工作做為重要的工作內容來抓，而不單單是喊口號，要必須從觀念到行動做出徹底的改變。

1? 電子元器件的可靠性評價

電子元器件的可靠性評價，顧名思義指的是對電子元器件（元器件產品、半成品、樣品、設計圖形等）通過各種可靠性的評價方法，對其進行評價和測試，運用相關的工具和軟件技術來對其質量進行評估。通過對電子元器件的可靠性評價，可以查找出不合格的元器件，從而保證元器件的質量。

1.1 晶片級可靠性評價方法

晶片級可靠性評價方法，即WLR評價方法，指的是在芯片的生產中，對芯片的失效模式進行的評價，從根本上提高芯片的可靠性和質量，其中運用的是工藝監測的方式。通過監測數據，可以對集成電路的電子效應能力和與時間有關的擊穿的可靠性進行準確的、科學的評價。在熱電應力的作用下，對芯片上金屬化層上的數據進行檢測，通過分析相關數據，來評價系統電路的可靠性。

1.2 微電子測試結構可靠性評價的方法

近些年，微電子測試結構在集成電路生產中是常見的工藝監測手段。在可靠性評價技術不斷發展的今天，微電子測試結構也作為對集成電路可靠性評價的一種方式，它不僅可以應用在電子產品的研發階段，還可以應用在生產階段，在不同的階段進行不同的可靠性評價。對于不同器件的失效模式，再結合元器件的結構特點，可以設計出不同的微電子結構圖形，而這些測試結構圖形，不僅僅能夠在工藝中進行測試，同時也可以將其進行封裝，并施加應力來進行可靠性的試驗。通過測試所得到的相關數據，結合VLSI的結構，最終進行可靠性評價。

1.3 表面貼裝MOSFET 產品失效案例分析

①失效現象：已經測試合格的產品，經過生產線貼裝后，電參數失效現象嚴重，產品短路，D、S之間漏電，失效率較高。

②分析思路：由于電子產品的芯片面積大，對產品的耐潮濕等級和氣密性也相對較高，所以在產品進行表面貼裝時，會遇到應力匹配的問題。

③分析方法：模擬SMT生產條件對同封裝批次產品進行分析，采用超聲掃描儀（C-SAM）對產品進行離層掃描。

④分析結論：通過對經過SMT工藝試驗的產品抽樣進行超聲掃描，發現產品載片區（PAD）與模塑料之間存在較為嚴重的離層現象（詳見圖1）。

對失效產品進行解剖，從圖2和圖3中可以看出，失效的芯片內部已經發生裂紋。

從解剖結果來看，產品的表面進行貼裝后，經過高溫芯片內部發生了裂紋，從而最終影響了電參數。

2? 電子元器件的質量控制策略

2.1 加強電子元器件的可靠性篩選

電子元器件的固有可靠性，其根源是產品的可靠性設計保證，在設計制造的過程中，由于多種因素的影響所致，使得生產出來的產品不能完全按照預期所想。在眾多的成品中，會有少部分的成品存在問題，其在一定的應力條件下，會出現早期失效。存在早期失效的元器件，其壽命也較短。電子成品的可靠性由元器件的可靠性所決定，一旦元器件的可靠性得不到很好的保證，則電子成品在工作的過程中會出現各種各樣的問題，從而提高了電子成品的失效率，可靠性下降，不能正常的進行工作。鑒于上述情況，在元器件的裝機前，要及早的發現早期失效的元器件，并將其進行剔除，以避免后期的電子產品損失，如何發現和篩選元器件的好壞，是一項重要的工作。對元器件進行篩選，可以從根本上降低失效率，從而保證元器件的可靠性，以下從幾方面對元器件的可靠性篩選進行了相關論述。

2.1.1 篩選方案的設計原則

在對篩選方案的設計原則上，要遵循以下五個方面：第一，篩選要能夠有效的剔除早期的失效產品;第二，進行強應力篩選，提高篩選效率的同時，要保證產品的失效率，避免出現新的失效模式;第三，要科學的選擇應力順序;第四，最大程度的掌握被篩選對象可能的失效模式;第五，在進行電子元器件篩選時，要在綜合考慮元器件的各項性能之后，方可提出相關篩選方案。

2.1.2 幾種常用的篩選項目

2.1.2.1 高溫貯存

在電子元器件的失效問題上，很大一部分的原因是因為溫度的變化，導致了元器件的內部和表面產生了化學反應，在達到一定的溫度時，化學反應會加速，所以電子元器件的失效率也就隨之提高，一旦元器件的缺陷暴露，則會對其進行剔除。以下根據封裝形式的不同，提出了相應的儲存溫度和時間，見表1。

2.1.2.2 電功率老煉

對元器件進行可靠性篩選時，由于電熱應力的原因，元器件內部和外部所潛在的缺陷會暴露無遺，所以對其進行電功率老煉，是可靠性篩選的有效手段。此種篩選方式，需要有專業的試驗設備，其成本費用相對較高，所以在進行篩選時，有一定的時間限制，可以通過不同的電子元器件進行時間的限定，一般情況下，民用產品是幾小時，軍用產品100-168小時，用于宇航事業的產品篩選時間為240小時以上。所以可以根據電子元器件的不同使用性質，選擇合適的篩選條件。

2.1.2.3 溫度循環

電子產品在正常使用中，由于溫度的變化和溫度的循環，會產生熱脹冷縮的應力，在該作用下，有的元器件的性能不夠就會失效。溫度的忽高忽低，導致了熱脹冷縮，這種情況下元器件熱性能差的產品就會被剔除。溫度循環條件見表2。

2.1.2.4 監控振動和沖擊

在此試驗中，對產品在日后的使用中的震動和沖擊環境進行模擬，通過模擬測試發現其中結構不良的元器件，并將其剔除。此項篩選試驗項目較為常用在軍用電子設備中。圖4是振動臺系統的工作原理圖。

2.2 加強電子元器件的破壞性物理分析（DPA）

由于在對電子元器件的缺陷進行篩選時，即使是進行了兩次篩選工作，仍然不能找到其缺陷和問題，鑒于這種情況，要通過對電子元器件進行破壞性物理分析技術，來找到電子元器件存在的缺陷，由此來提高元器件的可靠性。

電子元器件的破壞性物理分析，即DPA，是在美國的航天領域率先使用的，之后應用在歐洲的航天系統中，近些年來，該技術已經在某些行業中廣泛使用，且使用效果良好，所以在對電子元器件的缺陷進行篩選時，有必要使用破壞性物力分析技術，這對提高產品的整體性能起著決定性的作用。

2.3 加強電子元器件的失效分析

對電子元器件的失效進行分析，是針對已經失效的電子元器件，對其進行解剖，采用多種手段找出失效的原因，并提出相應的解決措施，以此避免元器件出現類似的問題，最終提高可靠性設計。

2.4 建立電子元器件的質量跟蹤

在電子產品電裝完畢，對電子元器件進行試驗，要對元器件的質量進行詳細的分析，同時有必要進行相關的試驗，以此來幫助分析和論證。通過試驗分析來判斷元器件的失效原因，找出其中存在的質量問題，是元器件本身的質量問題，還是設計過程出現的問題。一旦發現元件本身的質量問題，要及時的提出質量的標準，要求廠家進行改進和更換，與此同時在測試分析時，有必要加強監控工作，以最大程度的保障元器件的質量，以便更好的為最終的產品所服務。如果發現是設計過程中出現問題，應該針對問題更改和完善設計，并引以為戒，在日后的設計中避免類似的設計。

3? 電子元器件的可靠性設計

電子元器件的可靠性設計，指的是在規定的條件下，電子產品可能會出現的失效問題，針對失效而采取的一系列的補救措施和設計技術，來彌補失效的問題，使其能夠正常的工作，以達到可靠性的設計標準。

可靠性設計是設計的核心內容，可靠性設計是否合理，直接決定著最終產品的成敗與否，產品在使用階段、維修階段等所出現的問題，大多與設計初期的可靠性設計工作息息相關，所以，在進行可靠性設計時，必須要考慮到產品在整個生命周期中與可靠性有關的所有因素，只有將各種可能因素都考慮在內，才可能在出現問題時能夠妥善的解決。其中產品設計可靠性相關的因素主要有內部因素和外部環境因素兩種，其中內部因素包含：誤操作、維修、防護、壽命等，外部環境因素包含：自然環境、儲存環境、運輸環境、人為因素等。

3.1 設計簡化技術

圖5是由1、2、3……n個部件組成的串聯系統，串聯系統有著較高的可靠性。

其中Ri和？姿i分別為部件的可靠度和失效率，Rs和？姿s分別為系統的可靠度和失效率，由此得出以下兩組公式：

上述兩組公式說明，在系統中，部件的多少與系統的可靠性成反比，與失效率成正比，即部件越多失效率越高。所以根據兩組公式，得出了兩點內容：第一，如果在不影響預定的功能的情況下，系統的一些不必要的零件可以省略，這樣可以提高系統的可靠度，降低系統的失效率;第二，在對系統設計方案進行選擇上，要選擇系統部件較少的方案，以避免部件過多，而造成的后續損失。與此同時，也不要因為追求方案的簡單，過多的減少部件，要能夠保證預期設定的各項功能，如果想要用同一元件來完成較多功能時，要保證其可靠性，對其進行多次的驗證，才可以使用。

3.2 元器件的降額使用

對電子元器件的應力分析可以看出，元器件的失效率和對其施加的應力兩者之間成正比例關系，對元器件施加的應力越大，則元器件的失效率越高，所以為了能夠延長元器件的使用壽命，必須要降低元器件上所施加的應力，即對元器件采取降額使用。降額的方法，不是對所有的元器件都同樣適用，是要根據不同的器件類型采取不同的降額方法，在降額的過程中，也要考慮其系數，將降額系數控制在合理的范圍內，可以達到降額的根本目的，如果過分的降額，則提高了成本費用，取得的效果也不再合理的范圍。具體的電子元器件降額設計資料和數據可以參照GJB/Z299A-91，這里由于篇幅原因，不再列出。

3.3 冗余設計

冗余設計是當今應用廣泛，實用性強，操作簡單的可靠性的設計方式，當系統在進行可靠性的評價后，其結果不符合既定的要求，則設計人員在系統中的重要部位多加一個元件或者設備，當此部位的元件失去作用時，附加出的元件可以繼續正常進行工作，而不耽誤整個系統的正常運行，此系統稱之為冗余系統，而這種設計稱之為冗余設計。圖6中，是較為簡單的冗余系統，由于兩個部件處于并聯的結構，所以一旦其中一個部件不能完成工作，另外一個部件的完整仍舊可以保證系統的正常使用。

這個系統的可靠度和失效率分別為：

系統的平均壽命為：

由上可得出，進行冗余設計，會對系統的壽命有所幫助，可以從一定程度上延長其壽命。冗余設計的方法眾多，都可以從不同程度上延長系統的使用壽命，這里由于篇幅有限，就不再一一論述。

3.4 熱設計

在設備的工作過程中，都有對溫度的要求，一旦溫度上升，電子元器件的功能會難以有效的發揮，從而導致元器件的質量受損，所以在進行可靠性設計時，要考慮溫度的條件，即熱設計，要保證電子元器件在工作過程中避免處在高溫下，從而保證元器件的質量。

4? 結束語

總之，隨著我國高新產業的不斷發展，高科技產品層出不窮，而其決定性作用的電子元器件的可靠性評價與質量控制是一項重要的內容，必須要引起行業的重點關注。制定相應的使用要求和規范，對質量進行嚴格的控制，嚴把質量關，從根本上加強了電子整機裝備的的可靠性，降低使用成本與風險，也間接為我國帶來良好的經濟效益。

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