电子元器件的可靠性筛选研究

孔德昊

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏 苏州 215011）

0 引言

随着电子信息技术的快速发展，它被普遍地应用于航空、航天、国防和社会经济等各个领域，电子元器件在电子设备系统中的影响力早已从以前的基础技术跃升为核心技术[1-2]。电子设备是由元件组成的，而电子元件的质量直接影响着电子设备的特性和稳定性[3]。根据国内和国际的统计数据，70%的普通设备故障是由普通部件的故障造成的。对经常发生故障的部件进行分析表明，大约45%的故障是由部件的安装方式引起的[4]。这一比例在最近几年一直很高，需要加以注意。

考虑到所有设备普遍存在的高故障率，电子可靠性筛选是最适合电子元件的选择方法，从机电系统的特点出发考虑电子元件的稳定性[5-6]。稳定性选择是对没有故障、特性良好的电子元件进行的非破坏性实验，而对于有潜在故障的电子元件，应力激励项能够令其潜在故障被激活，从而导致故障，进而使其电子元件被淘汰[7-8]。图1～4 列举了常用的电子元器件，分别为二极管、三极管、集成电路和电容。

图1 二极管

图2 三极管

图3 集成电路

图4 电容

1 元器件筛选的必要性

1.1 选择稳定性

从电子元器件的质量上保证稳定性，选择稳定性是检测电子元器件稳定性水平的重要途径。选用稳定性好、具有优良特性、无常见故障的电子元件，进行无损检测，如果电子元件存在潜在缺点，通过应力测试将会激活其缺陷，进而将其淘汰。通过在早期阶段检查有问题的设备，可以实现更大的经济和社会效益。随着微电子元件的特性和集成度不断提高，微电子元件在环境稳定性方面的使用越来越突出，促使人们开展稳定性研究，在使用电子元件的过程中寻找稳定性，以完成紧迫而广泛的任务。

1.2 非破坏性测试

为稳定而选择的元件可以在长期使用中保持其优良的性能，从而减少整个电子设备的常见故障率。在进行稳定性筛选时，应更加注意应用快速筛选来达到同样的目的。应选择具有优良特性的电子元件的稳定性进行非破坏性测试。这意味着好的部件实验应力应尽可能小，并应反映在整个部件批次的特性中，即不影响部件的失效机制、失效模式和正常运行。在此前提下，可以考虑增强筛查压力，提高筛查效果，减少筛查时间。在目前的仪器设备下，一些常见的故障模式还不能进行非破坏性测试，也不能通过传统的筛选方式对其完全否定。如果选择应力太低，选择就会失效；如果太高，正常的部件可能会被破坏，或者产生新的常见故障区域，减少部件寿命，必须进行DPA。

2 筛选方案的设计原则

2.1 温度原则

电子元件的选择应在实验室条件下进行，即温度为15～35 ℃，相对湿度为20%～80%，空气压力为8.66×104～10.66×104Pa。静电敏感元件在整个复检和选型过程中必须采取严格的静电维护措施，以防止元件上静电造成的任何危害。在重新检查和选择过程中，应分析那些不能完全发挥作用的电路常见故障，分析结果应被用来识别批次问题，所有存在批次问题的电路元件都应被移除。如果不能确保测试元件的可焊性，在测试期间用高纯度氮气维护元件是很重要的。没有经过测试选择的电路应该用制定的选择项目进行单件测试。项目完成后，对整个选拔过程进行评估，以确定选拔过程的条件是否适合后续的批量选拔。

2.2 应力原则

用于选择的应力（机械应力、热应力和电应力）一般不应超过组件产品指南要求的限制。如果选择强度不够或选择条件过于严格，则电子元件的稳定性都会受到影响。电路选择的原则是，增加的应力不超过电路的极限应力，也就是说，所选择的电路不会因为过度的应力而被破坏。选择应力不能太低，因为低的选择应力不能充分消除某些故障，而高的选择应力则有可能破坏电路。因此，根据待选电路的详细规格和技术准则，事先确定施加在电路上的热、电和机械应力是至关重要的。

2.3 故障检测原则

应进行常见故障剖析，以确定由于制造缺陷、常见设备故障和筛选过程中EOS 的超负荷而造成的常见故障。故障可分为“批量故障” 和“单个故障”，前者可以通过选择来清除，后者只能通过批量来清除。对于选型过程中出现的典型部件共性故障或功能故障，应将选型和共性故障剖析合并，以明确共性故障模式为批量，共性故障为批量共性故障。

3 几种常用的筛选项目

3.1 高温储存

该实验研究了微电子元件在非电应力条件下高温储存的影响。这种方法也可以作为分选操作或其他测试前的预处理。本实验所需的设备包括一个能够保持所需温度的温控实验室和一个能够进行所需端点测量的适度电子测试仪。

3.2 温度循环系统

进行这项测试是为了确定对极端高温和低温的抵抗力。被测设备不受电应力的影响，温度从低到高以恒定模式快速变化。一个周期包括第一个环节和第二个环节或适用的测试条件，必须不间断地完成，才能算作一个周期。

3.3 恒定加速

稳健加速抽吸，也称为离心加速抽吸，需要高速增加离心力，而且要高到足以抽吸有铅焊或切屑粘附故障的零件。稳态加速度作为一个选择项目，只应在Y1方向（处理芯片移动的方向）进行测试。在进行稳态加速试验时，必须使用合适的夹具，否则可能会损害被测设备的结构。为了选择集成电路的稳态加速度，应根据元件或封装的净重，采用合理的应力强度。应根据组件的最大功率，在中等应力强度下选择分立组件进行稳定加速。

3.4 PIND

PIND 是非航空元件的可选选择项目，根据实际应用，PIND 筛选对半导体元件腔体的高度施加适度的机械应力，以消除元件上的移动碎片。

3.5 老炼

应用高温分立元件的综合老炼测试系统，半导体元件必须在测试方法或详尽标准要求的温度和时间下进行老炼，并且需要进行预老化测量。拒绝标准是适用的详尽标准所要求的，必须满足。

对于PWD-V 高功率电子管老炼设备，应按要求进行预老炼测量。失败标准应按适用的详尽规范模式要求，必须符合规定。

对于SPIC-T 高温老炼系统，应在规定的温度和时间内进行预老炼测量。拒绝标准应在适用的详尽标准中要求，并应符合要求。必须在96 h 内进行老炼后测试，以明确设备的运行情况是否令人满意。

3.5 三温测试

要测量的主要电气参数和满足各种设备标准的要求可以根据商业上可用的规格模型、目录和技术协议来指定。试验温度分为室温、高温和低温。

3.6 检漏

密封性是一个重要的特点，即设备内部的维护蒸汽不容易泄漏，外部的有害气体也不能进入。检查设备密封性的方法有两种，即：深入渗漏试验和粗略渗漏试验。程序是先做深入渗漏试验，再做粗略渗漏试验。必要时，超过一定体积（通常为1 cm3）的部件裂缝只能通过粗略的检查来识别。

3.7 X 射线检查

X 射线无损检测是在设备密封后替代通常的显微镜检查的合适方法。

4 导体器件筛选程序

在进行了电子元件的可靠性和稳定性选择后，还需要考虑到经济性，避免盲目增加项目，有些选择是没有必要的。二极管的挑选技术早已非常成熟，但为了满足更高的任务要求，本文将以2CK75 平面硅功率开关二极管为目标来研究其筛选过程，这是一种适合航天器应用的国产分立半导体元件。它被安置在一个玻璃箱中，体积小，净重低，维修时间短，反向电流低，温度可靠性好。

程序筛选流程：

a）高温储存：取决于元件的Tstg（-55～175 ℃），TA=175 ℃。

b）温度循环系统：温度取决于组件Tstg（-55～175 ℃），5 次循环系统，时间为30 min。

c）高温反向偏压：温度取决于元件Ta（-55～150 ℃），TA=125 ℃，IR2≤15 μA，VR=VRWM。

d）功率优化：I=1.5 IF，室温。

e）高温测试：与元件有关的温度Ta（-55～150 ℃），基于TA=125 ℃，恒温0.5 h，VR=VRWM。

f）低温测试：与元件有关的温度Ta（-55～150 ℃），以TA=-55 ℃为参考，恒温0.5 h，I=IF。

5 结束语

a）对于电子元件的选择，选择稳定性应该是首要考虑的问题。实际的选择程序可以根据部件的结构特点、常见故障模式和应用要求灵活制定。

b）选择和高质量的操作对可靠性组件非常重要。对于高质量元件，筛分可以提高整个批次的材料可靠性。由于现有的劣质产品，不能选择质量差的元件来获得高可靠性。因此，事先确定元件质量和稳定性是很重要的，对常见故障的测试和分析可以帮助制定有效的筛选方法。

c）本文最后以常见的二极管电子元件为例来说明电子可靠性筛选流程。