電子元器件可靠性試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)

雷蕾

摘 要：在現(xiàn)代電子科技發(fā)展速度不斷加快的環(huán)境下，電子產(chǎn)品的種類和規(guī)模得到快速擴(kuò)充，功能和應(yīng)用場(chǎng)景更加多元化。在組成電子產(chǎn)品的單元中，基本的元件就是電子元器件，其可靠性對(duì)整件電子產(chǎn)品的可靠性有著重大影響，鑒于此，我國在相關(guān)研究領(lǐng)域不斷探索優(yōu)化、提升電子元器件可靠性的方式。本文進(jìn)行分析電子元器件可靠性試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電子元器件;可靠性試驗(yàn);測(cè)試系統(tǒng)

由于現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景和產(chǎn)品規(guī)模發(fā)展擴(kuò)大，作為組成現(xiàn)代電子世界的最基本組成部分，電子元器件也在相應(yīng)提升其性能。在電子元器件的發(fā)展中，重視電子元器件可靠性具有重要的意義。可靠性試驗(yàn)屬于一種較高效率的試驗(yàn)技術(shù)手段，通俗的講，即是在給電子元器件施加強(qiáng)化環(huán)境應(yīng)力的基礎(chǔ)上，能夠?qū)a(chǎn)品某些不足、缺陷進(jìn)行清晰的顯示將其失效模式進(jìn)行有效的激發(fā)。電子元器件的組成系統(tǒng)中，可靠性試驗(yàn)的關(guān)鍵功效即為將元器件中各種故障提前暴露，然后針對(duì)性的深入分析該故障機(jī)理。電子元器件設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的故障分布，具有很明顯的“浴盆曲線”特性，所以在設(shè)計(jì)初期即開始實(shí)施可靠性試驗(yàn)，投入產(chǎn)出比更高。在電子元器件研發(fā)設(shè)計(jì)的初級(jí)，較好的運(yùn)用可靠性試驗(yàn)，可以有效的掌握在各種外界環(huán)境條件下的產(chǎn)品的故障表現(xiàn)，及時(shí)反饋給技術(shù)部門進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，防止有隱藏缺陷的元器件大面積的應(yīng)用。

1 電子元器件可靠性試驗(yàn)和測(cè)試系統(tǒng)

1.1可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)通常是建立在失效物理理論，以及采取施加強(qiáng)化環(huán)境應(yīng)力方式基礎(chǔ)上的激發(fā)出產(chǎn)品失效的試驗(yàn)方式，能夠?qū)a(chǎn)品在設(shè)計(jì)、工藝、材料方面潛在的薄弱環(huán)節(jié)充分的顯示出來。可靠性試驗(yàn)相較于傳統(tǒng)的試驗(yàn)，其核心即為施加高于產(chǎn)品正常使用應(yīng)力的荷載應(yīng)力，將產(chǎn)品的隱藏缺陷進(jìn)行有效的激發(fā)，及時(shí)的掌握住不良的問題并針對(duì)性的設(shè)計(jì)改進(jìn)，進(jìn)而促使產(chǎn)品在工作應(yīng)力極限范圍消除隱患。

將可靠性試驗(yàn)應(yīng)用于電子元器件的測(cè)試中，主要是采取階梯性地提升電氣元器件工作應(yīng)力及工作環(huán)境應(yīng)力，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)電子元件中的隱藏故障，然后展開失效原因分析，并反饋給前端技術(shù)部門進(jìn)行設(shè)計(jì)、工藝等方面的改進(jìn)。可靠性試驗(yàn)通常是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及研發(fā)周期的初期階段進(jìn)行，發(fā)揮分析、反饋?zhàn)饔谩⑦M(jìn)而完善設(shè)計(jì)提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2可靠性試驗(yàn)剖面

可靠性試驗(yàn)首先應(yīng)當(dāng)建立試驗(yàn)剖面，確定試驗(yàn)剖面最重要的有兩個(gè)方面，一是明確參試品的失效模式和失效機(jī)理，二是明確參試品的使用環(huán)境和應(yīng)力施加方式。

在確定可靠性試驗(yàn)剖面之前，首要工作就是分析電子元器件的失效模式和失效機(jī)理，失效模式和失效機(jī)理的確定，對(duì)確定可靠性試驗(yàn)剖面應(yīng)力條件具有十分重要的指導(dǎo)意義。失效模式和失效機(jī)理的確定方式通常可采用收集與該批次電子元器件具有相似設(shè)計(jì)原理，或具有相似功能、性能的其他電子元器件的歷史測(cè)試資料對(duì)比得出;也可以通過“頭腦風(fēng)暴法”，通過對(duì)該元器件設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用場(chǎng)景的廣泛分析，通過以上兩種方式，得出待試產(chǎn)品的初步失效模式和失效機(jī)理。

其次需要試驗(yàn)人員對(duì)于電子元器件使用環(huán)境熟悉了解，按照電子元器件使用的應(yīng)力條件和工作環(huán)境，結(jié)合已初步明確的失效模式，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)在試驗(yàn)中如何施加各項(xiàng)應(yīng)力，最終形成相應(yīng)可靠性試驗(yàn)應(yīng)力參數(shù)。

最后按照影響待測(cè)電子元器件的各項(xiàng)應(yīng)力參試設(shè)計(jì)可靠性試驗(yàn)剖面，在設(shè)計(jì)可靠性試驗(yàn)剖面的過程中，影響電子元器件的幾項(xiàng)重要應(yīng)力條件應(yīng)著重考慮：

1）溫度應(yīng)力。溫度是導(dǎo)致電子元器件的故障重要影響因子，溫度及溫度循環(huán)主要激發(fā)的故障模式有：參試漂移、器件短路、器件結(jié)構(gòu)分層、裂紋、內(nèi)部結(jié)擊穿、引線松張或斷裂、電遷移、熱匹配差、浪涌電流等等。

2）振動(dòng)應(yīng)力。振動(dòng)是影響電子元器件在實(shí)際使用效能的另一個(gè)重要因子中，主要是通過外力激發(fā)元器件內(nèi)部使元器件產(chǎn)生故障，振動(dòng)激發(fā)的失效模式主要有：產(chǎn)生干擾信號(hào)，產(chǎn)生干擾電壓、電流影響器件工作點(diǎn);使器件工作性能超差或工作模式混亂;使元器件結(jié)構(gòu)破壞造成短路、開路、松脫、晶體缺陷等。

3）濕度應(yīng)力。由于物理特性的原因，濕度應(yīng)力通常與高溫一同出現(xiàn)，造成高溫高濕的應(yīng)用環(huán)境。高溫高濕主要激發(fā)的故障模式有：材料表面強(qiáng)度、硬度、彈性變化;加速金屬腐蝕而造成的介電特性改變;加速有機(jī)材料分解而形成的表面變形、氣泡、長(zhǎng)霉;濕度增高導(dǎo)致的短路等。

4）電壓應(yīng)力。超出正常使用條件的電壓應(yīng)力對(duì)于激發(fā)電壓敏感器件的故障具有良好的效果，一般來說，高壓有利于暴露二極管、晶體管等半導(dǎo)體器件的故障，低壓有利于暴露繼電器等開關(guān)電路的故障。電壓應(yīng)力測(cè)試激發(fā)的主要故障模式有：間歇失效、冷卻回火、性能降低、內(nèi)部導(dǎo)線短路、絕緣極限擊穿等。

要綜合考慮到影響產(chǎn)品使用的應(yīng)力條件，根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境，通過科學(xué)的分析，確定單一應(yīng)力或者兩種以上組合應(yīng)力的施加方式，最終明確可靠性試驗(yàn)剖面。

1.3可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

現(xiàn)代電子產(chǎn)品通常研制、生產(chǎn)周期較短，而傳統(tǒng)的環(huán)境模擬可靠性試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)且費(fèi)用昂貴，為了快速且有效滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品發(fā)展需求，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是通過提高環(huán)境應(yīng)力來快速激發(fā)潛伏或間歇性故障的測(cè)試方法，其主要依托于失效物理分析，在產(chǎn)品的早期研制工作中發(fā)現(xiàn)、糾正故障。電子元器件的研制、生產(chǎn)處在整個(gè)電子產(chǎn)品生命周期的早期，故對(duì)電子元器件階段開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，往往起到更加立竿見影的效果。

在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中，應(yīng)力的施加是采取步進(jìn)式的方式進(jìn)行的，應(yīng)力可以是單一的環(huán)境應(yīng)力，也可以是多種環(huán)境應(yīng)力的組合，在應(yīng)力施加的過程中，應(yīng)力增量的選擇和各應(yīng)力量級(jí)的停滯施加是兩個(gè)比較關(guān)鍵的問題。

1）應(yīng)力增量的選擇。由于在步進(jìn)式施加應(yīng)力的過程中，不同的應(yīng)力步進(jìn)幅度都會(huì)對(duì)其加速因子和失效模式有較大的影響，因此設(shè)置步進(jìn)式應(yīng)力增量一般遵循的方式是：參照同類產(chǎn)品以初步確定待試品破壞極限應(yīng)力值，將其與產(chǎn)品實(shí)際使用應(yīng)力差值分成10等份，各等份值作為步進(jìn)應(yīng)力的增量。

2）各應(yīng)力量級(jí)停滯時(shí)間。各應(yīng)力量級(jí)停滯時(shí)間往往會(huì)影響待試品失效模式，包括失效類型、嚴(yán)重程度、間歇故障還是永久故障等，如果在較低的應(yīng)力量級(jí)持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，則容易積累元器件的疲勞和損傷，而不能準(zhǔn)確地確定元器件的破壞極限;如果在各應(yīng)力量級(jí)停滯時(shí)間過短，則可能相應(yīng)量級(jí)下故障無法充分激發(fā)。一般來說，振動(dòng)應(yīng)力的各步進(jìn)量級(jí)停留5min就足夠確定產(chǎn)品的工作極限和破壞極限;而對(duì)于溫度應(yīng)力停滯時(shí)間的選擇，若為探尋產(chǎn)品的工作和破壞極限，則使元器件在每個(gè)溫度量級(jí)達(dá)到溫度穩(wěn)定即可，若為使用極大溫度應(yīng)力來激發(fā)故障，則一般在試驗(yàn)設(shè)備達(dá)到相應(yīng)量級(jí)溫度值即可。

結(jié)語：

探究電子元器件的可靠性探試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)期間，需要將待測(cè)元器件的功能特點(diǎn)和使用環(huán)境進(jìn)行充分的掌握，全面的考慮到電子元器件實(shí)際情況，明確可靠性試驗(yàn)的實(shí)施方式，搭建可靠性試驗(yàn)剖面，在整個(gè)試驗(yàn)過程中詳細(xì)記錄并認(rèn)真分析所出現(xiàn)的任何異常狀況，并探索能否通過設(shè)計(jì)、工藝、材料的改良來消除這些缺陷，促使電子元器件可靠性不斷的提高。

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