基于電子元器件可靠性測試數(shù)據(jù)的篩選決策模型構(gòu)建

王佳樂，劉晨光

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

電子元器件的質(zhì)量直接影響電子元器件的可靠性，只有具備較高的質(zhì)量，才能有效滿足電子元器件的安全使用需求。電氣元器件作為電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，其在使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)失效或者故障的情況，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生相應(yīng)的故障，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。雖然電子元件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且失效模式類型較多，但是也存在相應(yīng)的規(guī)律性，故電子元器件可靠性測試篩選模型的構(gòu)建可有效判斷元器件失效類型，對于提升電子元器件可靠性有著十分重要的作用。對于電子元器件而言，其可靠性與整機的可靠性有著直接聯(lián)系，可靠性數(shù)據(jù)作為評價元器件可靠性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為元器件的選型、設(shè)計等提供相應(yīng)的參考[1]。基于此，本文分析了元器件失效模與受沖擊損傷量兩者之間的關(guān)系，并對可靠性模型的設(shè)計進行了分析，深入研究電子元器件的失效退化模式，為失效電子元器件可靠性數(shù)據(jù)篩選模型的構(gòu)建提供依據(jù)。

1 可靠性數(shù)據(jù)篩選的重要性

在電子元件可靠性水平不斷提升的背景下，對元器件生產(chǎn)提出了更高要求，由于目前元器件的生產(chǎn)難以融合加工工藝與規(guī)范要求，導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中存在相應(yīng)的誤差，使得成品存在相應(yīng)的缺陷[2]。有關(guān)研究表明，電子元器件加工失效率與時間存在相應(yīng)的關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 電子元器件的失效曲線

通過分析圖1 得知，在同一批生產(chǎn)的電子元器件中，生產(chǎn)前期會產(chǎn)生大量的失效情況，并且失效率呈現(xiàn)出一種逐漸下降的趨勢。當(dāng)失效率達到A 臨界點時，將會逐漸進入偶然失效期[3]。此時，便可將電子元件的失效率控制在合理的變化范圍內(nèi)。電子元器件篩選的可靠性過程，就是通過對電子元器件可靠性數(shù)據(jù)的篩選，便可從同一批生產(chǎn)的元器件中找出潛在故障。

2 模型設(shè)計

電子元器件失效率作為評價元器件可靠性的重要指標(biāo)，在元器件總退化量超過其失效閡值時，電氣元器件會失效。因此，在構(gòu)建電子元器件退化失效模型過程前，需計算電子元器件的退化量，計算公式可表示為：

式（1）中XS（t）表示總退化量、X（t）表示元器件本身退化量；Y（t）表示累積突增退化量。在元器件受到連續(xù)性退化進程的影響后，便會轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的線性退化，此時可將模型進行簡化處理，通過概率的方式，在（0，t]時間段內(nèi)，構(gòu)建電子元器件可靠性數(shù)據(jù)篩選模型[4]。

除此之外，由于受沖擊元器件的類型相對較多，并且元器件退化量與失效閾值之間存在相應(yīng)的線性關(guān)系，通過上決策模型，可明確元器件的沖擊損傷量和電子元器件可靠性兩者的關(guān)系。

2.1 篩選條件及目標(biāo)設(shè)計

由于電子元器件類型存在相應(yīng)的差異，其生產(chǎn)材料、工藝等不同，使得電子元器件生產(chǎn)時失效機理不同，對應(yīng)的偶然失效臨界點不同，嚴(yán)重影響篩選模型的構(gòu)建。因此，在構(gòu)建可靠性數(shù)據(jù)篩選模型前，需明確篩選對象、篩選應(yīng)力類型等級以及對應(yīng)的時間[5]。

2.2 時間的確認

在確認篩選時間前，首先需排除早期失效的元器件，并對早期失效產(chǎn)品的使用壽命進行有效評估，進而確保元器件的使用壽命大于篩選時間。其次，在判斷時間的過程中，需通過早期失效產(chǎn)品的篩選時間進行控制，并結(jié)合圖1 中的失效曲線分析電子元器件的使用周期[6]。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)差及平均值設(shè)計

在分析電子元器件時，可通過開展相應(yīng)的測試試驗獲取電子元器件的具體失效時間，并根據(jù)相應(yīng)的公式計算平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

2.4 安全系數(shù)引入

在計算得到相應(yīng)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差后，將其與電子元器件真實數(shù)值進行對比，并判斷兩者之間是否存在偏差，若存在，需對其進行優(yōu)化調(diào)整。在篩選電子元器件壽命過程中，需充分掌握電子元器件的實效機理，從而借助高篩選應(yīng)力、短時間的模式，降低電子元器件篩選過程中產(chǎn)生的成本，進而有效提升電子元器件篩選效率[7]。

3 電子元器件可靠性篩選技術(shù)分析

對于可靠性技術(shù)的研究，通常指分析、評估電子產(chǎn)品產(chǎn)生的故障原因后，通過相應(yīng)的技術(shù)手段解決故障問題，進而有效提升電子產(chǎn)品的可靠性。

3.1 可靠性技術(shù)分析

在電子元器件可靠性數(shù)據(jù)篩選模型中，可靠性技術(shù)有著十分重要的作用，其可過濾電子產(chǎn)品中潛在的可靠性。但是，在模型設(shè)計過程中，需充分考慮功能與特征參數(shù)等指標(biāo)要求，同時考慮電子器件可靠性與使用壽命中存在的潛在因素，進而防止電子器件出現(xiàn)失效的情況。

3.2 冗余設(shè)計

冗余設(shè)計具有實用性高、操作簡單等特點，在可靠性設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛，在將此種技術(shù)融入模型的設(shè)計中后，可有效解決附加元件對系統(tǒng)運行造成的不良影響，如圖2 所示。

圖2 冗余電源系統(tǒng)設(shè)計

從圖2 中可明確看出，在系統(tǒng)的開關(guān)電源模塊中，主要是將傳統(tǒng)二極管摒棄，進而實現(xiàn)冗余電源設(shè)計。此外，該系統(tǒng)主要是通過MOS 實現(xiàn)系統(tǒng)的冗余控制，這樣利用電源模塊自帶的遠端補償端子設(shè)計，可以實現(xiàn)并聯(lián)均流電路，使其起到良好的效果。除此之外，由于并聯(lián)電源模塊大致相似，故通過相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計便可實現(xiàn)容量擴充，進而實現(xiàn)冗余功能和均流功能。

3.3 電磁兼容設(shè)計

對于電子元器件而言，其緊密性相對較高，對工作環(huán)境以及自身的運行狀態(tài)提出了更高要求。對于電磁兼容設(shè)計而言，其主要指在同一電磁環(huán)境中，可實現(xiàn)系統(tǒng)、子系統(tǒng)、電子設(shè)備相關(guān)功能的共存，并且其兼容性主要存在與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)部等方面。電磁兼容的設(shè)計對電子元器件影響相對較大，通過電磁的兼容設(shè)計，可實現(xiàn)系統(tǒng)或子系統(tǒng)、電子設(shè)備自身功能的并存。因此，在電子元器件電子兼容設(shè)計過程中，首先需在系統(tǒng)的電子元器件和參考地方兩者之間構(gòu)建起相應(yīng)的導(dǎo)電通道。并在不同類型金屬元器件的表面構(gòu)建相應(yīng)的低阻通道，這樣不僅可有效降低不同元器件之間不同點位差造成的干擾，而且還可有效阻隔輻射電磁波的影響。本文通過對電子元器件的噪聲源電磁兼容問題進行分析，結(jié)合相應(yīng)的噪聲分離網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一種性能相對較高的傳導(dǎo)分離網(wǎng)絡(luò)。為驗證分離網(wǎng)絡(luò)的效果，需參考分離網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用場景，將特定電子元器件的傳導(dǎo)電磁干擾信號作為相應(yīng)的測試對象，最后在比較加載EMI 濾波器前后的信號變化情況對傳導(dǎo)分離網(wǎng)絡(luò)的效果進行驗證。在此過程中，測試參數(shù)主要涉及差模干擾與共模干擾的信號頻譜。測試步驟如下：

首先，將220V 交流電通過LISN 受試端，向被測電子元器件供電，并使用示波器輸出的干擾信號，并借助計算機對濾波前后的差模和共模干擾信號頻譜進行處理。其次，在LISN 與被測電子元器件之間加入EMI 濾波器，借助計算機再次測量差模和共模干擾信號頻譜。其中，示波器輸入通道耦合為AC 耦合，垂直檔位設(shè)置為20mV/格，計算機測量程序作用在于控制水平檔位，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 傳導(dǎo)分離網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

圖3 中，直線為標(biāo)準(zhǔn)參考線。從圖中可明確看出，在濾波前，被測電子元器件差模與共模干擾相對較為明顯，但是差模干擾較相對較強，幅度大約為10dB。如果考慮6dB 安全裕量的情況，此時差模傳導(dǎo)電磁干擾將出現(xiàn)超標(biāo)的情況。在加入EMI 濾波后，傳導(dǎo)電磁干擾信號明顯降低，大約為10dB，由此得知在10kHz～1MHz 頻率范圍內(nèi)，差模與共模干擾抑制效果較為顯著。此外，在對參考限制與實測信號的平均噪聲電平進行對比后發(fā)現(xiàn)，兩者幅值相差30dB，說明此種分離網(wǎng)絡(luò)可有效控制電子元器件產(chǎn)生的噪聲，說明該電磁兼容設(shè)計，在電子元器件篩選過程中發(fā)揮著十分重要的作用。

4 電子元件失效條件分析

本文通過高溫反偏試驗，分析電子元器件的失效條件，并觀察元器件在試驗過程中的退化情況，并對芯片的電流泄漏進行相應(yīng)的驗證，檢測了電子元器件的高溫性能以可靠性水平，從而驗證了篩選模型的有效性。在失效性條件試驗方面，設(shè)置的試驗參數(shù)詳見表1。

表1 失效性條件測試參數(shù)

4.1 電子元件性能分析

電子元器件高溫反偏試驗前后數(shù)據(jù)參數(shù)變化情況詳見表2。

表2 元器件高溫反偏試驗前后數(shù)據(jù)參數(shù)變化

通過分析表2 中得知， 在試驗前，電子元器件的VF 值相對較高，為1468.7V，在試驗后，降低至1306.0V，變化趨勢相對穩(wěn)定，變化幅度可忽略，說明此時電子元器件正向特性并未出現(xiàn)相應(yīng)的退化現(xiàn)象。試驗前電子元器件的IR 值為65.0mA，試驗后升高至1237.0mA，反向漏電流增加量大約為1000%的變化幅度，說明電子元器件反向漏電存在較為嚴(yán)重的退化現(xiàn)象。綜合分析來看，高溫反偏會使電子元器件的漏電電流增加，并且會降低其耐壓值，進而導(dǎo)致電子元器件產(chǎn)生相應(yīng)的退化，可在此結(jié)論的基礎(chǔ)上，構(gòu)建相應(yīng)的篩選模型。

4.2 電子元器件的噪聲特性失效條件分析

通過HTRB 系統(tǒng)對電子元器件失效條件分析，在偏置電流為10mA 或者80mA 的條件下，測試電子元器件的噪聲特性，在試驗開始前，在將電子元器件在溫度為175℃、反向偏壓為860V 的環(huán)境中暴露7 天，試驗結(jié)果詳見表3。

表3 電子元器件的噪聲特性變化

通過分析得知，在偏置電流為10mA 時，電子元器件的噪聲值、噪聲電壓均有增大的趨勢，隨著偏置電流的增加，其增加越明顯。同時，在高溫反偏應(yīng)力的環(huán)境中，也會使電子元器件的噪聲特性增加，進而降低電子元器件的性能。

4.3 電子元器件篩選的可靠性模型表征參量研究

為確定電子元器件的表征參量，研究對每個參量的試驗前后變化率進行了計算。結(jié)合表2 中的數(shù)據(jù)得知，在高溫反偏應(yīng)力的環(huán)境中，電子元器件試驗前后反向漏電電流摻量變化較為明顯，說明篩選模型的沖擊損失量可選定為高溫反偏量，并可在此基礎(chǔ)上構(gòu)建相應(yīng)篩選模型，準(zhǔn)確反映電子元器件受沖擊損失量和其可靠性兩者之間的關(guān)系。

5 結(jié)語

針對電子元件可靠性測試問題，本文對電子元器件篩選的可靠性模型設(shè)計進行研究，并對篩選類型以及方案設(shè)計進行了相關(guān)分析，深入研究電子元器件的失效退化模式，為電子元器件可靠性測試篩選及模型的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)，同時有效降低了電子元件的失效率。但是，本次研究還存在相應(yīng)的不足，在后續(xù)的研究中會更為深入地進行分析。