電子元器件怎么進(jìn)行篩選?可靠性篩選試驗(yàn)方法

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。