電子元器件怎么進(jìn)行篩選?可靠性篩選試驗(yàn)方法
日期:2022-04-22 14:41:21 瀏覽量:1793 標(biāo)簽: 電子元器件 可靠性試驗(yàn)
隨著工業(yè)、軍事和民用等部門對(duì)電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求日益提高,電子設(shè)備的可靠性問題受到了越來越廣泛的重視。對(duì)電子元器件進(jìn)行篩選是提高電子設(shè)備可靠性的最有效措施之一??煽啃院Y選的目的是從一批元器件中選出高可靠的元器件,淘汰掉有潛在缺陷的產(chǎn)品。從廣義上來講,在元器件生產(chǎn)過程中各種工藝質(zhì)量檢驗(yàn)以及半成品、成品的電參數(shù)測(cè)試都是篩選,而我們這里所講的是專門設(shè)計(jì)用于剔除早期失效元器件的可靠性篩選。理想的篩選希望剔除所有的劣品而不損傷優(yōu)品,但實(shí)際的篩選是不能完美無缺的,因?yàn)槭芎Y選項(xiàng)目和條件的限制,有些劣品很可能漏過,而有些項(xiàng)目有一定的破壞性,有可能損傷優(yōu)品。但是,可以采用各種方法盡可能地達(dá)到理想狀態(tài)。電子元器件怎么進(jìn)行篩選?可靠性篩選試驗(yàn)方法介紹如下:
1、元器件篩選的必要性
電子元器件的固有可靠性取決于產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì),在產(chǎn)品的制造過程中,由于人為因素或原材料、工藝條件、設(shè)備條件的波動(dòng),最終的成品不可能全部達(dá)到預(yù)期的固有可靠性。在每一批成品中,總有一部分產(chǎn)品存在一些潛在的缺陷和弱點(diǎn),這些潛在的缺陷和弱點(diǎn),在一定的應(yīng)力條件下表現(xiàn)為早期失效。具有早期失效的元器件的平均壽命比正常產(chǎn)品要短得多。
電子設(shè)備能否可靠地工作基礎(chǔ)是電子元器件能否可靠地工作。如果將早期失效的元器件裝上整機(jī)、設(shè)備,就會(huì)使得整機(jī)、設(shè)備的早期失效故障率大幅度增加,其可靠性不能滿足要求,而且還要付出極大的代價(jià)來維修。
因此,應(yīng)該在電子元器件裝上整機(jī)、設(shè)備之前,就要設(shè)法把具有早期失效的元器件盡可能地加以排除,為此就要對(duì)元器件進(jìn)行篩選。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的篩選工作經(jīng)驗(yàn),通過有效的篩選可以使元器件的總使用失效率下降1-v2個(gè)數(shù)量級(jí),因此不管是軍用產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品,篩選都是保證可靠性的重要手段。
2、篩選方案的設(shè)計(jì)原則
定義如下:
篩選效率W=剔除次品數(shù)/實(shí)際次品數(shù)
篩選損耗率L=好品損壞數(shù)/實(shí)際好品數(shù)
篩選淘汰率Q=剔降次品數(shù)/進(jìn)行篩選的產(chǎn)品總數(shù)
理想的可靠性篩選應(yīng)使W=1,L=0,這樣才能達(dá)到可靠性篩選的目的。Q值大小反映了這些產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中存在問題的大小。0值越大,表示這批產(chǎn)品篩選前的可靠性越差,亦即生產(chǎn)過程中所存在的問題越大,產(chǎn)品的成品率低。
篩選項(xiàng)目選擇越多,應(yīng)力條件越嚴(yán)格,劣品淘汰得越徹底,其篩選效率就越高,篩選出的元器件可靠性水平也越接近于產(chǎn)品的固有可靠性水平。但是要付出較高的費(fèi)用、較長(zhǎng)的周期,同時(shí)還會(huì)使不存在缺陷、性能良好的產(chǎn)品的可靠性降低。故篩選條件過高就會(huì)造成不必要的浪費(fèi),條件選擇過低則劣品淘汰不徹底,產(chǎn)品的使用可靠性得不到保證。
由此可見,篩選強(qiáng)度不夠或篩選條件過嚴(yán)都對(duì)整批產(chǎn)品的可靠性不利。為了有效而正確地進(jìn)行可靠性篩選,必須合理地確定篩選項(xiàng)目和篩選應(yīng)力,為此,必須了解產(chǎn)品的失效機(jī)理。產(chǎn)品的類型不同,生產(chǎn)單位不同以及原材料及工藝流程不同時(shí),其失效機(jī)理就不一定相同,因而可靠性篩選的條件也應(yīng)有所不同。
因此,必須針對(duì)各種具體產(chǎn)品進(jìn)行大量的可靠性試驗(yàn)和篩選摸底試驗(yàn),從而掌握產(chǎn)品失效機(jī)理與篩選項(xiàng)目間的關(guān)系。元器件篩選方案的制訂要掌握以下原則:
①篩選要能有效地剔除早期失效的產(chǎn)品,但不應(yīng)使正常產(chǎn)品提高失效率。
②為提高篩選效率,可進(jìn)行強(qiáng)應(yīng)力篩選,但不應(yīng)使產(chǎn)品產(chǎn)生新的失效模式。
③合理選擇能暴露失效的最佳應(yīng)力順序。
④對(duì)被篩選對(duì)象可能的失效模式應(yīng)有所掌握。
⑤為制訂合理有效的篩選方案,必須了解各有關(guān)元器件的特性、材料、封裝及制造技術(shù)。
此外,在遵循以上五條原則的同時(shí),應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)周期,合理制定篩選時(shí)間。
3、幾種常用的篩選項(xiàng)目
3.1高溫貯存
電子元器件的失效大多數(shù)是由于體內(nèi)和表面的各種物理化學(xué)變化所引起,它們與溫度有密切的關(guān)系。溫度升高以后,化學(xué)反應(yīng)速度大大加快,失效過程也得到加速。使得有缺陷的元器件能及時(shí)暴露,予以剔除。
高溫篩選在半導(dǎo)體器件上被廣泛采用,它能有效地剔除具有表面沽污、鍵合不良、氧化層有缺陷等失效機(jī)理的器件。通常在最高結(jié)溫下貯存24-168小時(shí)。
高溫篩選簡(jiǎn)單易行,費(fèi)用不大,在許多元器件上都可以施行。通過高溫貯存以后還可以使元器件的參數(shù)性能穩(wěn)定下來,減少使用中的參數(shù)漂移。各種元器件的熱應(yīng)力和篩選時(shí)間要適當(dāng)選擇,以免產(chǎn)生新的失效機(jī)理。
3.2功率電老煉
篩選時(shí),在熱電應(yīng)力的共同作用下,能很好地暴露元器件體內(nèi)和表面的多種潛在缺陷,它是可靠性篩選的一個(gè)重要項(xiàng)目。
各種電子元器件通常在額定功率條件下老煉幾小時(shí)至168小時(shí),有些產(chǎn)品,如集成電路,不能隨便改變條件,但可以采用高溫工作方式來提高工作結(jié)溫,達(dá)到高應(yīng)力狀態(tài),各種元器件的電應(yīng)力要適當(dāng)選擇,可以等于或稍高于額定條件,但不能引人新的失效機(jī)理。功率老煉需要專門的試驗(yàn)設(shè)備,其費(fèi)用較高,故篩選時(shí)間不宜過長(zhǎng)。民用產(chǎn)品通常為幾個(gè)小時(shí),軍用高可靠產(chǎn)品可選擇100.168小時(shí),宇航級(jí)元器件可以選擇240小時(shí)甚至更長(zhǎng)的周期。
3.3溫度循環(huán)
電子產(chǎn)品在使用過程中會(huì)遇到不同的環(huán)境溫度條件,在熱脹冷縮的應(yīng)力作用下,熱匹配性能差的元器件就容易失效。溫度循環(huán)篩選利用了極端高溫和極端低溫間的熱脹冷縮應(yīng)力,能有效的剔除有熱性能缺陷的產(chǎn)品。元器件常用的篩選條件是-55~+125℃,循環(huán)5~10次。
3.4離心加速度
離心加速度試驗(yàn)又稱恒定應(yīng)力加速度試驗(yàn)。這項(xiàng)篩選通常在半導(dǎo)體器件上進(jìn)行,把利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用于器件上,可以剔除鍵合強(qiáng)度過弱、內(nèi)引線匹配不良和裝架不良的器件,通常選用20000g離心加速度持續(xù)試驗(yàn)一分鐘。
3.5監(jiān)控振動(dòng)和沖擊
在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)或沖擊試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行電性能的監(jiān)測(cè)常被稱為監(jiān)控振動(dòng)或監(jiān)控沖擊試驗(yàn)。這項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)苣M產(chǎn)品使用過程中的振動(dòng)、沖擊環(huán)境,能有效地剔除瞬時(shí)短、斷路等機(jī)械結(jié)構(gòu)不良的元器件以及整機(jī)中的虛焊等故障。在高可靠繼電器、接插件以及軍用電子設(shè)備中,監(jiān)控振動(dòng)和沖擊是一項(xiàng)重要的篩選項(xiàng)目。
典型的振動(dòng)條件是:頻率20~200Hz,加速度2~20g,掃描1~2周期,在共振點(diǎn)附近要多停留一段時(shí)間。典型的沖擊篩選條件是1500^-3000g,沖擊3~5次,這項(xiàng)試驗(yàn)僅適用于元器件。
監(jiān)控振動(dòng)和沖擊需要專門的試驗(yàn)設(shè)備,費(fèi)用昂貴,在民用電子產(chǎn)品中一般不采用。
除以上篩選項(xiàng)目外,常用的還有粗細(xì)檢漏、鏡檢、線性判別篩選、精密篩選等。
4、半導(dǎo)體器件篩選方案設(shè)計(jì)
半導(dǎo)體器件可以劃分為分立器件和集成電路兩大類。分立器件包括各種二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅、光電器件及特種器件;集成電路包括雙極型電路、MOS電路、厚膜電路、薄膜電路等器件。
各種器件的失效模式和失效機(jī)理都有差異。不同的失效機(jī)理應(yīng)采用不同的篩選項(xiàng)目,如查找焊接不良,安裝不牢等缺陷,可采用振動(dòng)加速度;查找元器件鍵合不牢,裝片不良,內(nèi)引線配置不合適等缺陷,采用離心加速度;查找間歇短路、間歇開路等缺陷,采用機(jī)械沖擊等。
因此,不同器件的篩選程序不一定相同。如晶體管的主要失效模式有短路、開路、間歇工作、參數(shù)退化和機(jī)械缺陷等五種,每種失效模式又涉及到多種失效機(jī)理,這些都是制定合理的篩選程序的重要依據(jù)。
①外觀檢查:用10倍放大鏡檢查外形、引線及材料有無缺陷。
②溫度循環(huán):使元器件交替暴露在規(guī)定的極限高溫和極限低溫下,連續(xù)承受規(guī)定條件和規(guī)定次數(shù)的循環(huán),由冷到熱或由熱到冷的總轉(zhuǎn)移時(shí)問不超過1min,保持時(shí)間不小于10min。
③高溫壽命(非工作):按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壽命試驗(yàn)要求,使元器件在規(guī)定的環(huán)境條件下(通常是最高溫度)存儲(chǔ)規(guī)定的時(shí)間。
④電功率老煉:按降額條件達(dá)到最高結(jié)溫下的老煉目的,老煉功率按元器件各自規(guī)定的條件選取。
⑤密封性試驗(yàn):有空腔的元器件,先細(xì)檢漏,后粗檢漏。
⑥電參數(shù)測(cè)試(包括耐壓或漏電流等測(cè)試):按產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范合同規(guī)定進(jìn)行。
⑦功能測(cè)試:按產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范合同規(guī)定進(jìn)行。
基于以上原理,優(yōu)化了元器件測(cè)試篩選先后次序,按照失效模式的分類,對(duì)檢測(cè)篩選手段依據(jù)元器件測(cè)試篩選先后次序的原則進(jìn)行排序
4.1二極管典型篩選程序
常用的半導(dǎo)體二極管有整流、開關(guān)、穩(wěn)壓、檢波和雙基極等類型,典型的篩選程序如下:
(1)高溫儲(chǔ)存:鍺管100℃、硅管150℃,96h。
(2)溫度循環(huán):鍺管-55℃-+85℃,5次;硅管-55℃~+125℃,5次。
(3)敲變:用硬橡膠錘敲3~5次,同時(shí)用圖示儀監(jiān)視正向特性曲線。
(4)跌落:在80cm高度,按自由落體到玻璃板上5~15次。
(5)功率老煉:
①開關(guān)管:1.5倍額定正向電流,12小時(shí);
②穩(wěn)壓管:1~1.5倍額定功率,12小時(shí);
③檢波整流管:1~1.5倍額定電流,12小時(shí);
④雙基極二極管:額定功率老煉12小時(shí)。
(6)高溫反偏:鍺管700C,硅管1250C,額定反向電壓2小時(shí),漏電流不超過規(guī)范值。
(7)高溫測(cè)試:鍺管70℃,硅管125℃。
(8)低溫測(cè)試:-55℃。
(9)外觀檢查:用顯微鏡或放大鏡檢查外觀質(zhì)量,剔除玻璃碎裂等有缺陷的管子。
4.2三極管典型篩選程序
高溫儲(chǔ)存—溫度循環(huán)—跌落(大功率管不做)—功率老煉—高低溫測(cè)試(有要求時(shí)做)—常溫測(cè)試—粗細(xì)檢漏—外觀檢查。
(1)高溫儲(chǔ)存:鍺管100℃、硅管175℃,96小時(shí)。
(2)功率老化:小功率管加功率至結(jié)溫Tjm,老煉24小時(shí),高頻管要注意消除有害的高頻振蕩,以免管子hFE退化。
4.3半導(dǎo)體集成電路典型篩選程序
高溫儲(chǔ)存—溫度循環(huán)—(跌落)—離心—高溫功率老煉—高溫測(cè)試—低溫測(cè)試—檢漏—外觀檢查—常溫測(cè)試。
(1)高溫儲(chǔ)存:85~175℃,96小時(shí)。
(2)離心:20000g,1分鐘
(3)高溫功率老煉:85℃,96小時(shí),在額定電壓、額定負(fù)載下動(dòng)態(tài)老煉。
電子元器件的篩選重點(diǎn)應(yīng)放在可靠性篩選上,具體的篩選程序可根據(jù)元器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、失效模式及使用要求靈活制訂。
篩選和質(zhì)量控制是高可靠元器件生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,通過篩選可使整批產(chǎn)品達(dá)到其固有的高可靠性。對(duì)于劣質(zhì)產(chǎn)品,由于其固有的缺陷,就不可能篩選出高可靠產(chǎn)品。因此,在篩選前有必要對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平進(jìn)行抽樣試驗(yàn)評(píng)價(jià),通過試驗(yàn)和失效分析有助于制訂合理的篩選程序。