电子元器件筛选技术

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1、仪表与电气系统的可靠性设计电子元器件筛选技术摘要：电子元器件是电子设备的基础，是保证电子设备高可靠性的基本资源，其 可靠性直接影响设备的工作效能的充分发挥。电子元器件是电子设备、系统的基 础。随着电子技术的发展，电子元器件在设备中应用数量逐渐增多，对电子元器 件的可靠性也提出了越来越高的要求。本文介绍电子元器件的筛选技术。 关键词：电子元器件；可靠性；筛选1、电子元器件筛选的目的和作用电子元器件筛选是设法在一批元器件中通过检验和试验剔除那些由于原材 料、设备、工艺等（包括人的因素）方面潜在的不良因素所造成的有缺陷的元器 件早期失效元器件，而把具有一定特性的合格器件挑出来。检验包括在规定 环境下

2、的目视检查、功能测量等，某些功能测试是在强应力下进行的。电子元器件失效机理在元器件制造出来之后就已经固定。所以，可靠性筛选 不能改变其失效机理，不能改变单个元器件的固有可靠性水平。但是，通过筛选， 课剔除早期失效元器件，从而提高成批元器件总体的可靠性水平。或者说，筛选 不能提高元器件的固有可靠性，只能提高使用可靠性。可靠性筛选对性能良好的元器件应该是一种非破坏性试验，即试验应力对好 元器件的损伤要尽可能小。反映在整批元器件特性上，就是不应影响其失效机理、 失效模式和正常工作。在此前提下，可考虑加大应力进行筛选，以提高筛选效果 和缩短筛选时间。筛选的目的是有效地剔除早期失效产品，使失效率降低到可

3、接 受的水平。元器件筛选是提高电子元器件使用可靠性的有效手段。元器件经过筛选可以 发现并剔除在制造、工艺、材料方面的缺陷和隐患。元器件筛选对空空导弹这样 在飞行任务期间没有可能维修、可靠性指标要求又很高的产品尤为重要。2、电子元器件筛选分类电子元器件按照筛选性质分类可以分为四大类： 检查筛选：显微镜检查筛选；红外线非破坏性检查筛选；X射线非破坏性 检查筛选。 密封性筛选：液浸检漏筛选；氦质谱检漏筛选；放射性示踪检漏筛选；湿 度实验筛选。 环境应力筛选：振动、冲击、离心加速度筛选；温度冲击筛选。 寿命筛选：高温储存筛选；功率老化筛选。按照生产过程分类可以分为生产工艺筛选；成品筛选；装调筛选（即用

4、模拟 整机使用状态的筛选装置进行动态筛选）。按照筛选的复杂程度可以分为五类: 分布截尾筛选：对元器件参数性能的分类； 应力强度筛选：对元器件施加一定强度的应力后进行测量分选； 老炼筛选：在规定的时间内对元器件施加各种应力后进行测试筛选； 线性鉴别筛选：类似于老炼筛选，但要运用数理统计技术进行判别； 精密筛选：在接近元器件使用条件下进行长期老炼并多次精确地测量参数变化量进行挑选和预测。3、二次筛选筛选根据需要可以分为一次筛选和二次筛选。一次筛选简称为筛选。通常指 在元器件生产厂进行的筛选，其目的是淘汰有缺陷的产品、根据使用要求，筛去 不符合要求的产品。元器件使用厂有时根据使用的需要再进行一次筛选

5、，往往称 为二次筛选。二次筛选的目的主要有：a. 使用厂认为在生产厂进行的筛选应力不够，不足以淘汰足够的早期失效 器件。因此，经筛选后的元器件失效率达不到要求，从而进行二次筛选。但对某 些器件（如磁控管），当筛选应力过大，反而会缩短使用寿命。因此，在选择二 次筛选的实验项目和试验应力时，需区别对待，慎重选择。b. 元器件生产厂的产品针对广泛领域的用户，因此，一次筛选的目标带有 普遍性。当使用厂由于特定的使用环境或要消除特定失效模式时，就要进行含针 对性试验项目的二次筛选。c. 二次筛选的某些试验项目也带有检验的目的。当某批某个项目失效比例 高，或出现不该有的失效模式，就往往要研究该批器件的整批

6、质量问题。不论一次筛选，二次筛选都必须按使用要求选择合适的实验项目和筛选顺序 组成既经济又有效的筛选规范。因此了解各实验项目的作用、有无破坏性和费用 等因素是十分重要的。特别对二次筛选，由于使用对象更为明确，筛选目的更为 具体。当了解各项试验方法的作用和费用后，针对性的订出一个二次筛选规范是 经济有效地方法。能用作各类元器件筛选的试验项目很多。详细介绍对使用最普遍，对失效率 评估作用最大的方法。为了降低二次筛选的风险，对于已能满足要求的元器件应尽量不做承受电应 力、机械应力、热应力的筛选项目，仅做一些必要的检查性和测试性的筛选项目。 对于必须做二次筛选的元器件；电应力、热应力、机械应力的选取在

7、任何情况下 不得超过元器件的最大额定值。4、电子元器件筛选方法4.1 老炼4.1.1 半导体元器件失效规律老炼筛选的重要依据是失效规律。半导体失效规律从来都认为是遵循浴盆曲 线。但近十余年来国内外都对其有不同看法。下面介绍浴盆曲线和其他有关论点。1. 浴盆曲线简介a. 基本论点浴盆曲线因失效率随工作时间的变化曲线似浴盆而得名。这变化曲线可分为 三段，如图所示：第一段称为早期失效期。失效率较高，但随时间很快下降。失效原因被认为 是设计制造中的缺陷造成。第二段称偶然失效期。失效率最低，且基本上不随时间而变化。这是产品最 佳工作时期，失效原因被认为是各种随机因素造成。第三段称为衰老期，或损耗期。失效

8、率显著上升，失效原因被认为是老化、 磨损等原因。b. 根据浴盆曲线理论制订筛选条件 求拐点 B ：老化到 B 点是最佳筛选点，使用时（ B 点以后）失效率最低， 且剩留的使用时间（BC段）最长。 如老炼时间较长（过 B 点较多），则将会缩短使用时间，这显然是不合适 的。c. 浴盆曲线与实际的矛盾之处 拐点找不到。失效率总随时间下降，只是速率不同而已。 三个不同阶段的失效机理雷同。例如电迁移失效在不同使用时间都有可 能出现，其他失效机理亦然。 从国内外文献中均未见到有说服力的半导体器件进入衰老期的例子。 浴盆曲线理论没有强调设计、生产对可靠性的影响。由于浴盆曲线理论与事实矛盾，应用该理论在制订筛

9、选条件时遇到很大阻力。 当要采用较长时间的老化（如240h或更长时间），根据浴盆曲线理论必然提出： 这样做会缩短使用寿命。这样就无法制订出正确的筛选规范。2. 新失效率曲线简介新的失效率理论和曲线有很多种，这里介绍一种。I 失效率及其下降速率随使用时间增加而下降。II 在足够长时间内不出现失效率曲线上翘的衰老期。“足够长”是指在 一般使用任务中均不必考虑这个时期。III 不同设计、生产水平对应不同的失效率曲线。图中 ABC 三条不同的 曲线，反映出设计、生产水平的不同。A的设计生产水平最高，C最差。IV如果要求筛选后失效率低于入1,则对不同设计生产水平的产品需要老炼的时间不同。对水平高的A，只

10、需要老炼。时间。对水平低的C，则需要老炼E时间。而V如要求筛选后失效率更低，如要求不高于入2 （入2入1）。则老炼时间也要增加，这时对A曲线需S时间。老炼时间越长，器件的失效率越低。VI 并不是所有工艺水平的产品都能达到所要求的低失效率。对 C 工艺， 老炼时间再长，甚至把产品完全淘汰完了，也达不到入2水平。4.1.2 老炼试验简述老炼试验简单地说就是使元器件在一定环境温度下工作一段时间。环境温度 有室温、高温。对小功率器件，一般采用高温以加速老炼。对功率器件，有采用 常温甚至用散热器散热的。元器件工作方式则有静态（反偏）、动态等。下面主 要叙述动态老炼。动态老炼模拟了器件使用状态，因此比较能

11、反映使用过程的实际情况。器件 在工作时将出现大部分失效模式，在动态老炼时均能真实反映。且根据老炼控制 点的 PDA 控制可以判断经筛选后电路失效率是否低。因此，老炼是很重要的元器 件筛选试验，但试验费用较高。动态老炼时间和老炼温度的选择，老炼试验的应力主要由老炼时间和老练温 度、老炼负载来确定。按新失效率曲线理论是可以找到失效率低于要求的合适老炼时间的。但不同工艺水平，为达到一定的失效率所要求的老炼时间不同。因此 每批都去求最佳老炼时间，既不经济也无必要。当然按照新失效率曲线，老炼时间越长，电路越可靠，但成本也越高。因此 无限增加老炼时间也是不可取的。此外老炼应力除和老炼时间有关外，也和温度有

12、关，温度高则应力强，老炼 加速。即可用较少时间达到同样目的。温度和时间的对应关系有不同说法GJB548 中对微电路的一张对应表：动态老练温度和老炼时间对照表环境温度至少老炼时间（h）备注S级B级100352仅用于混合微电路110260仅用于混合微电路120190仅用于混合微电路12524016013020813814016010515012080显然，老练温度高，老炼时间可以缩短，从而降低试验成本。但温度高，也 带来工作上的困难。如高温下焊锡软化（软化所需温度远低于融化点）限制、老 炼板寿命下降等。对大功率器件还需考虑最高结温的限制。综上所述，我们对不同质量级别要求的器件，统一规定了老炼时间和

13、老炼温 度。如对微电路，国内一般取老炼温度为85C或125C。美军标和国军标都采用 125C。对分立器件，有的采用150C。对单片微电路的S级，老炼时间取240h, 对B级为160h。对混合微电路K级为320h, H级为160h等。对批质量水平，采 用 PDA 技术进行鉴别和控制。动态老炼的负载的选择，老炼负载，即指器件输出端所带的负载。老炼应力 和负载大小有很大的关系。负载大，应力大。因此负载大小应尽量接近真实。如 使用有容性和感性负载则应同样在筛选中实现或模拟。关于一块微电路中多个电 路的共用电阻性负载是这样规定的：一块微电路中有时含多个简单电路（如四二与非门即四个二输入端与非门电 路封装

14、在一个管壳里）。如每个电路要焊两个负载电阻，则含 n 个电路的集成块 需要2n个电阻，使老炼板制作增加难度。一般的做法是将n个同类电路输出端 共接一个电阻，且阻值降为1/n。这样做固然大大简化老炼板的制作。但缺点是各个电路参数不可能绝对相同， 因此会发生”抢电流“现象，而使各个电路负载不匀。有的过轻，有的过重。美标MIL-STD-883C的1994年8月修改通知中明确规定：1985年1月31日 以后再不允许共用负载电阻。国军标GJB548已把这个规定写了进去。由于这和 传统做法有较大不同，希望做试验时注意这个规定。反偏老炼，是一种加特殊偏置的老炼试验方法，仅用于MOS等对表面态较为 敏感的器件

15、。所加偏置应能使尽可能多的PN结处于反偏。其作用是使PN结在高 温反偏条件下能高效的把可动离子“赶”到界面从而促使有缺陷的器件尽早失 效。反偏老炼的费用低于动态老炼。在 GJB548 中规定，只有 S 级才采用这项试验，并取老炼时间为 72h 。但在很 多产品详细规范中规定，对 B 级也必须作。对 元器件用户来说，所使用器件如 对可动离子造成的失效机理比较敏感，则本试验可作为二次筛选的一个试验项目。老炼后的冷却及测试，一般要求在老炼后，器件冷却到壳温不高于30C,才 允许器件断电。这主要是考虑在高温无电厂作用下，可动离子会作无规则运动， 从而使已失效了的性能恢复正常，掩盖了曾失效的现象。一般要

16、求在试验结束后 96h 内将被测电路测完。不能测完的部分重作 24h 的 老炼后再测试。对批量小的电路限制测试完的时间还应压缩，效果会更好些。对 反偏老炼后的冷却及测试时间应严格按规定进行。4.2 高温存储筛选 高温存储技术要求低，费用省，有时效果还不错。存储温度过高，时间过长 对封装有破坏性。主要失效模式之一是引腿镀层微裂，失去保护引腿材料的作用。 美军标对该试验项目的应力，即存储温度和时间已逐步限制。对微电路已采用 150C、24h。而国内有些标准采用了高温度（烘箱达高温不困难）、长时间，且 自认为超美军标应力水平，这种看法是错误的。对同一应力强度，提高了存储温度就需要减少存储时间。对集成

17、电路而言 GJB548 表明，存储温度和时间有下列对应关系。存储温度（C）存储时间（h）1001000125168150241756对成熟电路高温存储试验的筛选率接近于零。即本试验项目筛选效果很差。 老炼试验是对元器件工作寿命的一种加速试验。而高温存储把水汽这个会对封装 起作用的室温存储环境因素排除掉了，因此有人用高温存储来反推存储寿命。4.3 PDA 控制PDA 意为“批允许不合格率”。 PDA 不是试验方法而是试验技术。 PDA 技术的 引入使筛选的作用有了一个质的飞跃。在引入前，筛选只是 100的“过筛”， 不合格的全筛下去，合格的当然要交付使用，但这些合格器件的失效率仍是个未 知数。

18、PDA 技术能部分解决这个问题。应用它能分辨出某批电路将来使用时失效 率将较低，而某批电路“过筛”后的“合格”品失效率仍高，仍然必须整批报废。PDA控制技术对提高产品可靠性效果显著,所花成本不高，现已被广泛采用。 但若对其原理了解不够和使用方法不当就会限制这个技术的使用效果。首先要选定某一试验项目为进行PDA控制的实验项目，该试验项目称为PDA 控制点（常选在老炼试验项目）。然后确定控制值即PDA值。该值根据可靠性要 求而定，如S级选3%, B级选5%等。PDA值越低，则通过筛选后的器件批失效 率越低。当然该值也与应力强度有关，如同样的老炼温度经48h的老炼和168h 老炼相比，虽然PDA同样

19、达到5%,但经168h老炼的器件批失效率低。计算批缺陷率P1值，经规定的控制点（如功率老炼）筛选后，失效数为r1， 则定义批缺陷率P1为：rl其中 N 为在该控制点参加该试验项目筛选的器件总数。如果 P1 值大，则该批拒 收。如 P1 值不大，则通过该试验。缺陷率 P1 值直接反映试验前该批元器件的可靠性水平，即和该批器件中含某一个（或某一些）缺陷的次品率W1成正比。证明如下：总数为N的样品中，和r1同失效模式的次品率设为W1.按定义，W1为：R1式中，R1为和r1同类缺陷的实际次品数。令B1为筛选率，则:将B1值、W1值代入整理得批缺陷率P1为:rl R1B1pl=!7=nr=Blwl对某一

20、特定试验项目，B1为常数。于是：P1XW1即批缺陷率P1与次品率成正 比。4.4 其他筛选方法除了上面介绍的三种筛选方法之外还有常用的筛选方法如离心试验、检漏试 验、测试电参数法、温度循环和目检等。4.5 各种筛选方法的比较序号筛选方 法拟筛的缺陷效果费用备注1老炼试 验金属化、硅块、氧化物、参数 漂移极好高2温度循 环封装、密封、热失配、龟裂很好低对采用引线的 元器件最有效3密封试 验封装、密封很好较咼4目检引线、金属化、氧化物、污染 微粒子、芯片键合、引线键合好低中等咼可靠性兀件 必做项目5X光检验芯片键合、引线、微粒子、制 造缺陷、密封、封装、污染好中等可在封装后检 查芯片键合质 量，但

21、对硅铝 费用较咼6离心加 速度试 验引线、芯片键合、引线键合、 衬底龟裂好较咼7高温贮 存试验电气稳定性、金属化、硅块、 腐蚀一般低对新研器件效 果较好5、典型筛选程序高温储存温度循环（跌落）离心高温功率老炼高温测 试低温测试检漏外观检查常温测试。A. 高温储存：85175C, 96小时。B. 离心： 20000g，1 分钟。C.高温功率老炼：85C, 96小时，在额定电压、额定负载下动态老炼。6、总结电子元器件筛选作为提高元器件使用可靠性的手段，发挥着重要和特殊的作 用，在目前和今后的一段时期内将继续保留，它的作用已被多数整机生产厂所认 可。随着国内电子行业的发展，我们应该不断研究新的电子元器件的筛选方法， 为元器件使用的可靠性提供重要保障。