整机元器件的质量控制

整机元器件的质量控制 一、概述 众所周知，整机是由元件器组成的，元器件的可靠性直接影响整机的可靠性，大量的电子整机故障统计表明，电子元器件失效在整机故障分布中占首位。美国HP公司整机在保用期间发生故障的原因，75%来自于元器件，我国“七五”期间，军用航空电子设备发生故障的原因，40%是由于设计不合理造成的。电子元器件的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性两个方面。固有可靠性是可靠性的基础，没有可靠的元器件，即使最完善的设计也不可能使整机系统的可靠性达到设计要求。元器件的固有可靠性一般是指元器件制造完成时所具有的可靠性,它取于元器件的设计、工艺、制造、管理和原材料性能等方面因素所决定；使用可靠性则指元器件用于整机系统时所具有的可靠性。他不仅与元器件的固有可靠性有关， 而且与元器件从制造出厂至失效所经历的工作与非工作条件有关。经常出现在相同元器件质量水平的基础上，由不同单位，不同人使用，所表现的可靠性水平不同，这里面就有一个使用可靠性的问题。如果元器件使用过程中各种不适当的电、热、机械和化学等应力的作用，将对元器件的可靠性造成严重影响。 由于元器件制造水平不断提高，新型元器件不断出现，许多设计师还未能掌握新型元器件的使用方法，所以由于使用原因造成的失效在元器件失效中的比例居高不下，根据近年来国内外电子整机失效统计，由于在元器件使用方面造成的失效一直在50%上下浮动，这一严重事实已引起人们的普遍关注，提出了进一步开展可靠性研究的迫切要求，作为一名电子工程技术人员，学习和研究元器件使用可靠性，已成为一项重要的使命。 随着电子科学的飞速发展，整机系统的性能越来越优异，功能越来越齐全，结构越来越复杂，所用元器件越来越多，元器件已从过去的基础技术，跃升为现代的核心技术。一代新型元器件的问世，预示着新一代整机系统的飞跃，没有高可靠的电子元器件，就没有高可靠高性能的大型电子系统。要保障整机系统的可靠性，就必须在整机研制过程中对元器件的质量进行控制。 二、元件器的质量等级、失效率等级及相关标准 整机研制过程中的元件器质量控制，不应完全靠电路设计师独立完成。因为在知识爆炸的时代，不可能要求一个电路设计师同时也是元器件方面的专家。因为元器件有上万个品种，每种元器件都有特定的性能和使用要求，要做到合理选用元器件，通常要有元器件工程师，可靠性工程师与电路设计师配合共同完成。在整机系统的研制过程中，合理地选用元器件，不仅是保证整机系统功能和电性能的需要，而且是保证整机系统可靠性的一个重要环节，为保证整机系统的可靠性，在选用元器件时，不仅要考虑元器件的电性能参数要求，而且要考虑其质量水平和可靠性等级。高可靠等级的元器件比一般民品元器件价格高数十倍，所以要根据整机系统的重要程度，电性能要求，可靠性指标及经费情况综合权衡确定。 要做到合理的选择和使用元器件，就必须对元器件的质量等级、失效率等级、筛选要求及相关标准有一个全面的了解。下面介绍与元器件可靠性有关的基础知识： 1、元器件的质量等级 所谓“质量等级”是指元器件在制造、试验、筛选过程中的质量等级，质量等级一般用质量系丌Q 表示。 不同质量系数的元器件对使用失效率所产生的影响不同，在整机系统的可靠性予计中，元器件的使用失效率可以简单地用下式表示： 入p= 入b(丌E . 丌Q . k)式中 入p：使用失效率入b：基本失效率 丌E：环境系数 丌Q：质量系数k：其他影响因素（应用系数、种类系数等综合因素） 不同元器件有不同的质量等级，下面以集成电路为例，用表格的形式列出各种不同元器件的质量等级。 2、元器件的失效率等级 元器件的可靠性，常用失效比例来测定，比较容易理解的是平均失效率。 平均失效率=失效产品的百分比/工作时间。 如果失效产品为1%，工作了1000 个小时，它的失效率就是1×10-5/元件小时。 元器件的失效率等级中规定的失效率是在未计算元器件的环境应力、性能和结构、质量系数等因数的影响，只包括在电应力和温度应力作用下的失效率，称基本失效率，用入b 表示，仅计算温度和电应力的比（即工作应力/额定电应力）影响的失效率。我国参照国际标准，并根据我国实际情况规定了以下失效率等级。 实效率等机 代表符号 失效率 亚五级 Y 3×10-5 五级 W 1×10-5 六级 L 1×10-6 七级 Q 1×10-7 八级 B 1×10-8 九级 J 1×10-9 十级 S 1×10-10 3、“七专”元器件 在国产元器件质量等级表中“补充说明”一栏有QZJ8406 和 7905 “七专”技术条件，“七专”元器件是在70 年代特定的历史条件下,为了满足我国航天事业对元器件可靠性要求，针对我国当时元器件技术落后，质量管理混乱而采取的一项质量控制措施，所谓“七专”是指凡是“七专”元器件都必须专技（专门制定技术条件）；专料（经过认定合格的材料）；专线（专门设立高可靠元器件生产线）；专人（从生产线挑选技术最好的生产人员组成）；专检（用最先进的检测方法专人进行检验）；专卡（要求每个元器件有跟踪卡片，每道工序都要在卡片上填写操作者姓名）；专筛（针对每种元器件的失效机理制定筛选条件进行筛选）。通过“七专”质量控制，元器件的可靠性水平提高了1—2 个数量级，基本上满足了当时航天事业的需要。“七专”元器件是在“四人帮”特定的历史条件下采取的质量控制措施，它自始自终贯切了以责任制为核心，对提高元器件的可靠性起到了重要作用。“七专”元器件的出现，对提高我国电子产品可靠性起到了重要的历史作用。 “七专”元器件适用于列入<<七专电子元件器目录>>的产品,供武器系统、军事电子装备和国防工程使用。“七专”技术条件是现行有关标准的补充，若与现行有关标准的内容有矛盾，应以“七专”技术条件为准。“七专”产品必须严格按“七专”电子元件器可靠性工作管理办法进行管理。“七专”产品的失效率应按技术条件要求达到的可靠性等级。产品包装和产品上应有“七专”标志（G），非“七专”产品不得使用。“七专”产品的每种元器件都制定了相应的“七专”技术条件，对产品的筛选、技术要求及检验规则进行了规定。4、微电子器件的二次筛选 半导体器件的二次筛选，是在元器件制造厂商进行工艺筛选的基础上，整机研制和生产单位，为了满足整机系统对元器件的可靠性要求，按规定的筛选条件或标准，由整机单位或要求元器件厂进行的筛选一般称“二次筛选”或可靠性筛选。 半导体器件的二次筛选是为了淘汰由于制造缺陷造成的早期失效产品，提高器件整批可靠性的有利措施，所以被整机单位广为采用。但是，它不能提高每只器件的故有可靠性。高可靠的器件是靠器件厂商设计制造出来的，不是靠筛选出来的。可靠性差的器件，无论采取什么样的筛选，都不可能筛选出高可靠的器件。 半导体器件的筛选条件或标准，原则上讲应该根据现场使用统计，对失效器件进行失效分析，搞清失效样品的失效模式和失效机理，针对器件内部存在的缺陷，采取不同的应力，使其提前暴露，而对良品则不应当受到损伤。元器件的筛选条件或标准，应经过大量的试验验证，经过充分论证来确定。 美军标MIL-STD-883《微电子器件试验方法》、MIL-S-19500《半导体器件总规范》、国军标GJB5484-96《微电子器件试验方法和程序》、GJB33A-97《半导体分立器件总规范》都对筛选条件做了严格的规定。元器件筛选试验是一个耗时、费力而且在短期内又不容易见到直接效益的行业，所以不容易得到许多领导的重视，因而许多单位不愿投入大量资金购置试验设备、仪器，造成试验条件简陋不能严格按有关标准进行筛选。有些单位为了在现有条件下，达到较好的筛选效果，在制定筛选规范时，采用超应力筛选以弥补有些试验项目的不足，其结果事与愿违，不但达不到筛选的目的，反而可能使器件受到损伤，影响可靠性。 下面就有关筛选试验方面的有关问题进行研讨： （1）半导体器件的电功率老化筛选 半导体器件的电功率老化，由于比较接近器件的实际工作状态，在老化过程中有电应力、热应力及电磁应力的综合作用，所以被认为是一种最有效的筛选方法。但是，要取得最佳筛选效果，国外把168小时作为电功率老化时间的最低要求。也就是说，要想通过此项试验使大部分早期失效器件得到淘汰，达到浴盒曲线的拐弯处，最少要老化168 小时。这么长的老化时间，一般单位很难做到。有些单位为了缩短老化时间又能达到较好的筛选效果，而采用超功率老化，有的甚至把半导体器件的老化功率加大到1.5 倍以上，其结果可能使被老化器件引入新的失效机理。因为器件的额定值是由器件制造厂商在产品手册上给定的极限值，它取决于器件自身材料、结构和工艺的极限性质，也就是说器件只能在额定值以下正常工作，才能保证其固有可靠性不受影响，是绝对不能超越的界限，一旦超过轻者使器件受到损伤，重则造成器件永久失效，所以不能采用超功率老化的方法提高筛选效果。 （2）高温存贮试验筛选 高温存贮也有的叫稳定性烘焙。是一种加速性质的存贮寿命试验。它的作用主要是利用热应力的作用，加速器件内部化学反映，使器件内部的水蒸气或其它离子引起腐蚀作用。如表面漏电、表面沾污、金——铝之间氧化物的生成等缺陷，通过高温存贮使器件内部在的污染，引线焊接不良、氧化层缺陷的器件能提前暴露。此项筛选过去一致认为方法简单易做被元器件制造厂和整机厂广为采用，尤其在我国八十年代以前，由于我国半导体器件制造技术落后，环境条件差，器件内部污染严重，当时把我国半导器件质量问题归为脏（内部污染严重）、漏（密封性差）、断（引线容易断）。采用高温存贮筛选对淘汰以上缺陷有一定筛选效果。从1968 年美军标MIL-STD-883 开始有此项筛选试验至今已有三十多年，再加之所需设备简单（许多单位购置的是一般医用烘箱，按要求应使用温度梯度有一定要求的高温试验箱）有许多单位由于没有其它筛选设备或由于电老化时间短，把高温存贮筛选条件定得过高，主观上想通过高温存贮应力来弥补其它项目的应力不足。现在我们分析一下提高此项应力对器件可靠性的影响。众所周知，高温可加速器件引线镀层的氧化，造成易焊性差，对内引线造成抗拉强度下降。以30 微米直径的硅铝丝做内引线为例，未做高温存贮试验前抗拉强度为5-6 克，经高温筛选试验后下降至2-3 克。美军标MIL-STD-883 的试验条件以最严酷而称，但在高温存贮试验则筛选应力逐步降低，高温存贮筛选对器件可靠性造成的负面影响，逐步被人们认识，如果再用加大高温存贮应力的办法筛选，对器件的可靠性只能有害而无利。随着微电子制造技术提高，器件内部污染及表面氧化技术等工艺问题的解决，二次筛选项目的高温存贮筛选试验，对淘汰早期失效产品基本上没有什么作用，所以美军MIL-STD-883D 删去了此项筛选，我国国军标GJB548A-96 虽然仍保留了此项目，但温度应力已降到很低。集成电路为+150℃，24h；分立器件由100%筛选改为“任选”。（分立器件为国军标GJB33A-97）。从以上分析可以看出，已沿用了三十多年的高温存贮筛选最近几年有了改变，看来我们的二次筛选也要随着科技进步，不断总结经验，为求达到科学合理。 高温存贮筛选，美军标已取消了，国军标也在等待各厂家研究之后修改，目前有些单位已取消，有些厂家还在继续做，还没有取得一致意见，建议取消，不妥之处请指正。 （3）温度循环筛选 温度循环也叫温度冲击，即在器件允许的高低极限温度条件下，经过多次高低温循环试验，来淘汰 由于器件内部材料热膨胀系数不匹配造成的早期失效产品。是目前广为采用并认为是一种最有效的筛选方法。下面我们分析一下此项目对器件可靠性所产生的影响。 微电子器件是由各种不同材料构成，如硅芯片、氧化硅绝缘膜、铝互连线、金属引线及封装等材料。由于这些材料的热膨胀系数各不相同，一旦受到巨烈的温度变化，就会在不同材料的交界面产生压缩或拉伸应力，造成器件芯片与管脚之间的键合失效，管壳的密封性受到破坏，某些材料的热疲劳劣化等。 为了使器件能适应现场使用中温度巨裂变化的能力，只能通过设计及工艺加以防范，来减少由于材料热膨胀系数不同对器件可靠性的影响。为了考核器件的耐环境能力，国军标规定了包括温度循环试验和热冲击试验的有关标准。 微电子器件耐温度巨裂变化的能力，在工艺较稳定的情况下，主要取决设计。只有设计水平比较高的企业，才有可能制造出高可靠的器件。温度循环筛选试验，虽然可以通过高低温度应力的巨裂变化，使有缺陷的器件提前暴露，但是由于筛选是对器件100%的试验，对于其它被试验的器件，也会受由于各种材料热膨胀系数不同，不同材料界面产生压缩或拉伸应力的负面影响，造成器件故有可靠性下降。如何使我们进行的筛选试验，真正实现有缺陷的器件提前暴露，使良品则不受到任何损伤。建议有条件的制造厂商及科研院所进行研究。 （4）快速筛选 根据现场使用统计及筛选试验证明，在对大量的失效器件进行失效分析中发现，由于温度过热引起的失效占有较大比例。引起器件过热的原因，主要是管芯与外壳焊接不良，存在着空洞使热阻增大造成的，尤其是大功率更为严重。快速筛选就是在极短的时间（即在几秒钟内），对器件施加超稳态功率，使器件达到或接近器件的最高结温Tjm，利用测试器件加功率前与加功率后的热敏参数VBE、ICBO、HFE 变化量，把热阻大的器件剔除来达到筛选效果。 由于快速筛选省时、省力又比较经济，所以深受整机单位的欢迎，从快速筛选仪一出世许多单位就开展了此项筛选。但是，快速筛选技术只限于对由于热阻大而引起的早期失效产品有一定的筛选作用并不像有些仪器厂讲的“快速筛选可以代替常规老化筛选”。目前快速筛选只能对一部分分立半导体器件及三端稳压器进行快速筛选，对用量较大的微电子器件还没有相应仪器。筛选效果比较好的主要是大功率管。 在筛选中存在的另一个值得引起注意的问题，有些单位没有相应的检测手段，虽然通过各项应力筛选试验，使有缺陷的器件提前暴露，但是，如果没有相应的检测手段，不能从中鉴别出来，同样达不到剔除早期失效器件的目的。因为器件失效一般分为两种失效形式，一种是致命失效，即失去应有的功能；二是电参数离散失效，虽然有功能但电参数老化后不合格或超过一定范围。一般情况，大部分早期失效器件反映是电参数离散失效。器件的电参数离散失效反映器件在制造过程中存在着某种工艺缺陷，如果在筛选中不能把这种存在工艺缺陷的器件淘汰掉，将大大影响筛选效果。 测试实际上也是一种筛选，通过测试可以淘汰电参数不合格的器件保证器件的电性能质量。这里所指的测试是指对器件的电参数测试而不能理解成对器件功能的测试。例如，有些元器件供货商就是利用许多单位没有集成电路的参数测试仪，把国外大批只有功能而电参数不合格的集成电路向我国倾销。器件的电参数不仅对电性能有很大关系，而且有些电参数如器件的功耗、漏电流等对可靠性影响很大，所以筛选不仅具备各种先进的筛选试验设备，而且还要具备相应的先进测试仪器。 三、元器件的选择规则 元器件是构成整机系统最基本的单元，要保证整机系统的可靠性，首先必须合理的选用元器件。 选择电子元器件一般按如下原则： 1、尽量选用列入合格产品清单（QPL）的元器件。 目前美国以形成一整套QPL（Qualified produces list 军用电子元器件合格产品清单），被列入 QPL 清单的元器件必须满足以下条件： a.生产厂家和生产线经过了国家认证合格；b、生产过程得到了严格的控制,产品通过了性能检验、可靠性试验和质量一致性检验；c、按要求的筛选条件进行了100%的筛选；d、生产和检验完全按照军用标准规范进行。因此它的质量和可靠性得到了有效的保证。 我国的QPL 清单也有国防科工委军用元器件管理中心，有计划的进行制定，首批QPL 清单已公布。 2、尽量选用优选元器件清单的产品（PPL） 国外几乎所有的研究工程机构都要制定符合自己的元器件优选清单（Preferred parts list 简称PPL），我国大多数单位从八十年代开始，成立了元器件认定机构，编写了适合本单位的元器件优选手册，根据许多单位的经验，抓“三定”（即定元器件的型号规格，定元器件合格供货商，定筛选条件），对有效控制元器件质量，提高整机系统可靠性起到了非常重要的作用。 3、正确选择元器件的质量等级 元器件的质量等级对可靠性影响相当大，例如以国产集成电路为例，选择A3 类C2 类质量等级的器件，失效率相差56 倍，但A3 类比C2 类器件的价格也高许多倍，所以选择元器件的质量等级要根据整机系统重要程度、使用条件、可靠性要求合理选用。 4、尽量选用标准和通用元器件，慎重选用新品种和非标准元器件 新品种元器件一般具有优越的性能和独特的功能，所以引起设计人员的强烈兴趣，对提高整机系统的性能可起到至关重要的作用，但是，由于新型元器件没有经过现场使用的检验，稳定性和可靠性一般达不到成熟品种的可靠性水平，因此在使用前，要严格的试验和认真的评审。 5、在提供元器件清单时，必须弄清楚元器件标志的含义，防止采购回来的元器件不符合整机系统的可靠性要求（见附录1）。 每种元器件的命名方法其字母含义各不相同，尤其国外微电子器件，同一个国家不同的制造商命名方法及标志各不相同，元器件标志上的字母不仅反映出型号，规格，制造商，且还反映出使用环境条件，质量等级，封装形式等，如果在提元器件清单时，没能按字母含义写完整，采购回来的元器件不能满足整机系统的质量要求。 有些元器件供应商就是利用采购人员搞不清元器件标志上的字母含义，以民品充军品高价销售。军品与民品元器件的区别，不仅是环境温度，最主要的区别是在军用环境条件下的可靠性，有些人把仅符合军温条件下的54 系列的集成电路当成军品器件是错误的，真正的军品器件应该是严格按军标要求生产并经国家军标委认可，上了军用QPL 清单的产品；国外军用器件应该是“B-1”级以上质量等级的器件，国内有些单位