淺談電子元器件可靠性評價與質量控制策略

張全 賀卿 發紅 唐旭

（中國空間技術研究院西安分院， 西安， 710000）

電子設備由各種各樣的電子元器件 （以下簡稱元器件） 組成， 一旦其中某一個元器件發生了故障， 則會導致整個電子設備不能正常工作。 當元器件組裝完成為一個電子設備、 形成產品到使用者手中后， 需要面對外界不同的影響因素 （如外界溫度變化、 使用時間、 充電電流是否穩定等）， 這些可能會對元器件造成不好的影響， 從而導致故障產生， 影響設備的正常使用。

可靠性分析是在產品出廠前對產品發生故障的原因進行分析的一種手段， 可降低產品的不合格率， 提高產品的可靠性， 減少由于不合格產品所帶來的經濟損失。 元器件發生故障的原因不僅僅是由外界因素所決定， 還與它自身有著重要的關系。 元器件本身可靠性的決定因素包括生產方式、 設計結構等， 同一規格的器件也可能有著不同的可靠性。 因此我們在開展元器件的可靠性分析時需要從多方面進行考慮。

1 元器件可靠性評價的主要方式

1.1 芯片級可靠性評價

由于現在人們對電子設備的要求越來越高，組成電子設備的元器件也從原來的大體積逐步趨向于電子集成化、 微型化及芯片化， 傳統的可靠性試驗方法已經不能滿足現代電子工業的水平。于是人們發展了芯片級可靠性評價方法， 這種評價是在設備成品封裝之前進行的， 對組成設備的主要半導體芯片進行檢測。 同時， 按照現有標準（國軍標或美軍標） 還要對芯片進行一系列可靠性驗證試驗 （如劃片后抽樣封裝進行溫度沖擊試驗、 對芯片表面形貌進行掃描電鏡等） 甚至是上千小時的加速壽命試驗， 來驗證其可靠性。 進一步， 還要對失效芯片進行失效分析， 通過分析不同的失效模式， 獲得大量的可靠性數據。 通過這些數據確定芯片的熱效應能力和擊穿時間的可靠性。 因為這種評價手段是在器件的生產過程中進行的， 因此它可以及時地進行反饋， 從而使得工作人員能夠及時更換元器件， 實施改進措施。 但是不足之處在于， 這種檢測方式對芯片和集成電路的損壞是不可挽回的， 并且不能檢測封裝過程中對元器件帶來的影響。

1.2 微電子結構測試可靠性評價

這種可靠性評價方法的主要手段在于針對不同設備、 集成電路中所有可能存在對設備造成影響的薄弱環節， 設計出針對不同器件、 不同階段的失效模式進行測試 （如在不同的使用工況下產生的失效， 不同的電場、 磁場作用下產生的失效等） 進而得到一系列數據， 根據這些數據及設計出的結構與測試結構之間的關系， 對器件進行可靠性評價。 這種方法除了在電子產品的研發階段以及生產階段都可以使用外， 還可以對這種微電子結構進行封裝作業， 通過施加應力可以進行可靠性分析。 因此這種方法已經成為現代社會電子元器件生產過程中最為常見的一種評價手段。

2 元器件的質量控制策略

元器件可靠性的決定因素主要體現在兩個方面： ①元器件自身所具備的條件， 這種條件是器件固有的， 比如元器件的設計結構、 生產方式及所構成器件的材料質量等因素； ②元器件組成完電子設備之后， 使用者在使用過程中元器件所受到的外界因素， 例如使用設備的時間、 充電的電流、 所處環境的溫度等。 這兩個方面時時刻刻都在影響著電子元器件的可靠性， 筆者認為應采取以下質量控制策略。

2.1 對元器件進行使用前篩選

由于元器件在結構設計和生產過程中都存在著不確定的因素， 因此， 一些元器件在出廠時便會有少許一部分具有隱患的器件[1]。 這些雖然在前期使用沒有問題， 但是使用壽命卻不如正常器件。 使用這些可靠性不高的元器件， 對電子設備的穩定運行也會造成影響。 因此在組裝電子設備的過程中， 我們需要對元器件進行篩選， 剔除那些存在缺陷的器件， 使用可靠性高的元器件[2]。只有這樣， 才能保障電子設備在今后使用過程中的穩定性。 如何對元器件進行篩選呢？ 這就需要針對器件本身的結構和使用方式等綜合考慮， 選取有針對性的篩選項目和篩選應力。

2.2 對元器件進行破壞性物理分析

在電子設備組裝過程中， 盡管我們已經對元器件使用傳統的篩選方法進行了篩選， 但是仍然不能保證所使用的元器件的可靠性。 因此人們發展出了對元器件進行破壞性物理分析的方法， 又稱良品分析。 這種方法是在元器件交付使用前先抽取一批器件交由第三方權威檢測機構進行檢測， 通過對產品進行照相、 外觀檢查、 射線檢查、 超聲波檢查、 碰撞試驗等共20 個實驗內容。從這些試驗內容里進行選取， 選擇適合檢測元器件所需的實驗內容， 從而對元器件進行篩選， 以保證元器件的可靠性， 為電子設備的穩定性打下良好的基礎。

通過對元器件進行破壞性物理分析， 我們可以初步判斷出元器件所存在的問題： 是由生產過程中造成的， 還是在本身設計環節中就存在問題？ 若是在生產過程中產生的問題， 則應該及時聯系廠家， 要求生產廠家進行更換， 避免經濟損失， 同時在檢測過程中， 加強對過程中的監督環節， 保證質量。 若是在設計結構中存在的問題，則要跟設計部門進行及時的反饋， 讓設計部門及時地解決發現的問題， 完善器件的設計， 并且在今后的設計過程中， 吸取教訓， 避免再發生類似問題。 保證器件的使用可靠性。

2.3 完善元器件的生產基線管控

用、 研雙方充分協商， 建立元器件過程確認文件 （PID）， 固化元器件生產基線。 借鑒國外先進的元器件質量管理經驗， 推行建立過程確認文件 （PID）， 實現元器件過程文件細化、量化。 按照 “PID 主文件、 過程管理、 評價標準、 操作指南、 記錄表格” 等5 類文件開展建設。 嚴格控制元器件的狀態變化， 按照 “論證充分、 各方認可、 試驗驗證、 審批完備、 落實到位” 的總體原則， 實現對元器件生產基線的全面管控。

2.4 建立風險管理體系

風險管理已成為一個熱門話題， 風險管理體系的一個重要作用就是預防。 要充分識別風險，可以從技術角度和管理角度進行風險評估。

目前在制造行業運用最廣泛的技術風險評估技術有： ①失效模式和效應分析； ②故障樹分析； ③可靠性預計。 在管理風險評估方面要不斷完善風險管理體系， 通過管理評審、 內部審核、階段性總結報告、 產品質量問題的分析等方式進行體系的有效管控。 從而使元器件在穩定、 可靠的區間運行。

2.5 合理規范使用元器件

當元件器交付使用之后， 我們也需要對元器件合理的使用進行規范， 每一個元器件都有它獨有的使用方法。 例如加電時， 不能超出元器件的電壓閾值。 同時元器件的貯存也要滿足貯存要求。 只有使用正確的使用方法， 才能夠避免對器件造成損害， 保證設備運行的可靠性和穩定性。 使用方需要制定合理的使用及維護計劃， 定期地檢查器件， 一旦發現存在隱患， 需要及時進行檢查更換， 保證設備運行的可靠性。

隨著現代科技水平的提高， 元器件的可靠性評價發揮了越來越重要的作用。 本文總結了元器件可靠性評價的主要方式， 結合現代質量管理理念， 從元器件的設計生產階段開始不斷完善可靠性評價方法和技術， 在短時間內評估元器件的可靠性， 使電子設備用到的元器件都能穩定工作。