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電子元器件使用過程中的可靠性試驗(yàn)
電子元器件使用過程中的可靠性試驗(yàn)
Reliability Experiment about Applied Process of Electronic Component
李樹生1 ，王 東2
（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41 研究所,青島 266555;2.將軍煙草集團(tuán)有限公司濟(jì)南卷煙廠技術(shù)設(shè)備處,濟(jì)南 250100）
摘 要: 本文介紹了影響電子元器件可靠性的因素和可靠性試驗(yàn)的原理，主要闡述在電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，為確保產(chǎn)品的可靠性，如何對(duì)電子元器件進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。
關(guān)鍵詞: 電子元器件；可靠性試驗(yàn)；使用過程
中圖分類號(hào): TN306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-0107（2005）11-0033-03
Abstract: This paper simply introduces influencing factors about reliability of electronic component and princ iple of r eliabil ity exper iment,mainly elabor ates how to carr y out r eliabi lit y exper iment about applied process of electronic component, in order to ensure reliability of electronic product.
Key words: Electronic component;Reliabilit y experiment;Applied process
CLC number:TN306 Document code: A Ar ticle ID:1003-0107（2005）11-0033-03
一．引言
在二十一世紀(jì)的今天，電子產(chǎn)品可謂無(wú)處不在。大到一個(gè)國(guó)家的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科研，小到我們?nèi)粘Ｉ畹拿恳惶於茧x不開電子產(chǎn)品。從使用者角度看，電子產(chǎn)品在基本性能指標(biāo)滿足使用要求的前提下，zui重要的指標(biāo)是可靠性，所謂可靠性是指電子產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，隨著電子產(chǎn)品的功能越來(lái)越多, 程度越來(lái)越復(fù)雜，使用條件越來(lái)越惡劣，對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性要求也就越來(lái)越高。
電子產(chǎn)品是由電子元器件（ 以下簡(jiǎn)稱元器件） 經(jīng)一定的電氣連接和機(jī)械連接構(gòu)成的，所以元器件是完成電子產(chǎn)品功能的基本單元，一臺(tái)電子產(chǎn)品的可靠性在相當(dāng)大的程度上取決于元器件的可靠性，也就是說(shuō)元器件可靠性的好壞直接影響著電子產(chǎn)品的可靠性，直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的使用性能，關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。可見，元器件的可靠性是十分重要的，而保證和提高元器件可
靠性水平的重要手段是開展元器件的可靠性試驗(yàn)。
元器件的可靠性試驗(yàn)種類很多，在元器件使用過程中，如何選擇恰當(dāng)?shù)目煽啃栽囼?yàn)來(lái)保證元器件的可靠性水平，是每個(gè)電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家要面對(duì)的一個(gè)重要的問題。
二．元器件可靠性試驗(yàn)的原理 1．影響元器件可靠性的因素影響元器件可靠性的因素很多，總的來(lái)說(shuō)分為內(nèi)因和外因。引起元器件失效的內(nèi)因一般由設(shè)計(jì)缺陷，制造工藝不良或生產(chǎn)過程中的其他因素而引起的元器件自身的缺陷。比如: 芯片鍵合點(diǎn)缺陷、鍵合工藝缺陷、芯片沾污、芯片金屬化條腐蝕和缺損、電阻器金屬引線損傷或端頭涂層裂紋等;
引起元器件失效的外因就是存儲(chǔ)、運(yùn)輸和工作過程中的氣候環(huán)境條件、機(jī)械環(huán)境條件、生物條件、化學(xué)條件、電與電磁條件、輻射條件、系統(tǒng)連接條件和人的因素等，如低溫環(huán)境下，石英晶體器件不振蕩就是因其材料變脆和收縮而造成。不同的環(huán)境條件及各種不同環(huán)境條件的惡劣程度對(duì)元器件的可靠性影響是不一樣的。那些來(lái)自設(shè)計(jì)、制造等因素所造成元器件的固有缺陷，在一定的外因作用下就導(dǎo)致元器件的失效，乃至整個(gè)電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障。
圖1 元器件可靠性試驗(yàn)原理框圖
2.可靠性試驗(yàn)的原理可靠性試驗(yàn)就是為評(píng)價(jià)分析產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的試驗(yàn)，其試驗(yàn)的原理即模擬現(xiàn)場(chǎng)工作條件和環(huán)境條件，將各種工作模式及環(huán)境應(yīng)力按照一定的時(shí)間比例，按一定的循環(huán)次序反復(fù)施加到受試產(chǎn)品上，經(jīng)過失效的分析與處理，將得到的信息反饋到設(shè)計(jì)、制造、材料和管理等部門進(jìn)行改進(jìn)，以提高產(chǎn)品的固有可靠性。同時(shí)通過試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的可靠性做出評(píng)定，為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)的可靠性依據(jù)。可靠性試驗(yàn)要達(dá)到預(yù)期的效果，要特別重視試驗(yàn)條件的選擇、試驗(yàn)周期的設(shè)計(jì)和失效判據(jù)的確定。圖1 為元器件可靠性試驗(yàn)原理框圖。
三．元器件使用過程的可靠性試驗(yàn) 1．可靠性篩選試驗(yàn)元器件在設(shè)計(jì)完成后，其設(shè)計(jì)可靠性水平已經(jīng)基本確定。但在產(chǎn)品的制造過程中，由于人為的因素或原材料、工藝條件、設(shè)備條件的波動(dòng)，zui終導(dǎo)致制造的產(chǎn)品不可能全部達(dá)到設(shè)計(jì)的可靠性水平。在一批產(chǎn)品中總是有一部分產(chǎn)品存在各種潛在的缺陷，致使其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其平均壽命，這就是早期失效產(chǎn)品。在實(shí)際使用過程中，早期失效對(duì)產(chǎn)品的危害是相當(dāng)嚴(yán)重的。不僅給用戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，更為嚴(yán)重的是給生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)的信譽(yù)損失。為了剔除這些早期失效產(chǎn)品，往往要進(jìn)行元器件的可靠性篩選試驗(yàn)。可靠性篩選試驗(yàn)的目的在于提高元器件批可靠性水平。篩選是一種的檢驗(yàn)程序，在篩選前元器件的參數(shù)、性能均檢驗(yàn)合格，只有對(duì)產(chǎn)品施加各種應(yīng)力后或采用特殊的檢查手段，才能發(fā)現(xiàn)有隱患的早期失效產(chǎn)品。理想的篩選應(yīng)力及其條件應(yīng)是使篩選后的批產(chǎn)品的失效率達(dá)到偶然失效期的失效率，實(shí)際工作中，為有效地進(jìn)行篩選，就得科學(xué)地確定篩選項(xiàng)目、篩選應(yīng)力、篩選試驗(yàn)時(shí)間及容易變化的參數(shù)，并制定出恰當(dāng)?shù)氖?biāo)準(zhǔn)。有效的篩選可以使元器件的使用失效率下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，嚴(yán)格的篩選有可能下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)。元器件可靠性篩選的方法有很多，篩選應(yīng)力也可以有很多種，篩選效果與篩選條件關(guān)系非常密切。對(duì)于電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，選擇合適的篩選條件和方法是十分重要的，在元器件應(yīng)用階段經(jīng)常采用高溫儲(chǔ)存、功率老化、溫度循環(huán)和熱沖擊篩選等四種篩選方法。高溫儲(chǔ)存篩選是利用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，和溫度有密切關(guān)系。溫度升高后，化學(xué)反應(yīng)速率大大加快，失效過程得到加速，使有缺陷的元器件能及時(shí)暴露，加以剔除。它的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，效果明顯，費(fèi)用較少，可以實(shí)現(xiàn)很多種類的器件的篩選，可批量進(jìn)行。因此在電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家在關(guān)鍵元器件的篩選中應(yīng)用廣泛。功率老化篩選又稱為電老化或電老煉，就是在熱電應(yīng)力的共同作用下，暴露元器件表面和體內(nèi)的潛在缺陷。是電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家對(duì)關(guān)鍵元器件進(jìn)行篩選經(jīng)常采用的方法。
由于功率老化需要專門的試驗(yàn)設(shè)備，費(fèi)用較高，并且針對(duì)不同器件及要求，需要選擇不同的篩選條件和篩選時(shí)間，比較煩瑣。電子產(chǎn)品在使用過程中會(huì)遇到不同的溫度條件，由于熱脹冷縮的應(yīng)力會(huì)是內(nèi)部熱匹配性能不好的元器件失效。溫度循環(huán)和熱沖擊篩選是利用了高溫和低溫間的熱脹冷縮應(yīng)力，剔除有熱性能缺陷的元器件。
2．例行可靠性試驗(yàn)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，元器件的例行試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品實(shí)行質(zhì)量控制的主要措施之一。生產(chǎn)中使用的電子元器件，究竟可靠性如何，還需要定期地從批產(chǎn)品中抽取一定數(shù)量的樣品，通過有關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量考核，這就是例行試驗(yàn)。實(shí)際上，電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家對(duì)進(jìn)廠的元器件進(jìn)行的檢驗(yàn)就是一種例行試驗(yàn)。通過例行試驗(yàn)可以了解進(jìn)廠元器件的穩(wěn)定性，確保進(jìn)入生產(chǎn)車間的元器件都是能滿足產(chǎn)品可靠性要求的。例行試驗(yàn)以抽樣的方式進(jìn)行，抽取的樣品必須有代表性。它包括一系列的環(huán)境試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)項(xiàng)目，個(gè)別特殊用途的器件還包括某些特殊的試驗(yàn)項(xiàng)目。例行試驗(yàn)必須對(duì)所有的特性參數(shù)進(jìn)行全面測(cè)試并保存原始記錄，同時(shí)還要分析參數(shù)的偏差，以及暴露與各種測(cè)試條件下的變化，從而對(duì)生產(chǎn)過程中的電子元器件的可靠性進(jìn)行監(jiān)控。
3.元器件的加速壽命試驗(yàn)元器件的使用壽命決定著電子產(chǎn)品的使用壽命。在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，需要對(duì)電子產(chǎn)品使用壽命做出綜合評(píng)價(jià)，也就要求利用元器件的壽命試驗(yàn)對(duì)所使用的元器件的壽命做出評(píng)價(jià)。元器件的壽命試驗(yàn)是評(píng)價(jià)和分析元器件壽命特征的試驗(yàn)，模擬實(shí)際工作狀態(tài)或存儲(chǔ)狀態(tài)，投入一定樣品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中記錄樣品失效的時(shí)間，并對(duì)這些失效時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，評(píng)估元器件的可靠度、失效率以及平均壽命等可靠性數(shù)量特征。但是在正常使用的應(yīng)力下做長(zhǎng)期的壽命試驗(yàn)太耗費(fèi)人力、物力和時(shí)間了，一般均采用加速壽命試驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)就是用大應(yīng)力的方法促使樣品在短時(shí)期內(nèi)失效，從而預(yù)測(cè)元器件正常儲(chǔ)存條件或工作條件下的可靠性，其基本原理是把工作環(huán)境里的規(guī)定應(yīng)力作為參數(shù)來(lái)觀察失效和預(yù)計(jì)實(shí)際工作狀態(tài)下的失效率。由于元器件的失效是因物理和化學(xué)反應(yīng)所致，所以應(yīng)力因子的大小決定失效的反應(yīng)速度。加速壽命試驗(yàn)常用與電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和評(píng)定階段，作為確定產(chǎn)品重要的工作指標(biāo)和壽命指標(biāo)的手段。
4．現(xiàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的元器件可靠性試驗(yàn)必然與真實(shí)環(huán)境下的試驗(yàn)有一定差距。現(xiàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)，即在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)，可以真實(shí)地反映出產(chǎn)品的實(shí)際使用條件下的元器件的可靠性水平。在實(shí)際使用中，幾種環(huán)境應(yīng)力同時(shí)作用，對(duì)電子產(chǎn)品所帶來(lái)的影響是復(fù)雜的，比較全面的，不是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)所能達(dá)到的。元器件的現(xiàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)就是在使用現(xiàn)場(chǎng)收集設(shè)備上所用元器件的可靠性數(shù)據(jù)，進(jìn)行元器件工作可靠性統(tǒng)計(jì)評(píng)估，將元器件在實(shí)際使用條件下的失效率指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)規(guī)定條件下獲得的失效率指標(biāo)進(jìn)行比較，為對(duì)元器件提出合理的可靠性指標(biāo)要求提供依據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)中的工作和環(huán)境試驗(yàn)條件，復(fù)雜并且不受控制，因此，在可靠性試驗(yàn)方案中應(yīng)該合理地和適當(dāng)?shù)匾?guī)定所有工作和環(huán)境因素嚴(yán)酷度的極限。
在試驗(yàn)過程中，應(yīng)連續(xù)檢測(cè)工作和環(huán)境試驗(yàn)條件，當(dāng)試驗(yàn)條件超出規(guī)定范圍時(shí)，應(yīng)中斷試驗(yàn)。由于試驗(yàn)結(jié)果是從現(xiàn)場(chǎng)得來(lái)的，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行必要的實(shí)際分析，離開現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告中的失效分析與判斷也應(yīng)進(jìn)行必要的再分析與再判斷，以保證這些報(bào)告的可信性和完整性。
5．失效分析試驗(yàn)元器件的失效分析試驗(yàn)是在元器件失效后，進(jìn)行的尋找其失效機(jī)理的試驗(yàn)，其目的是為了確定失效是由使用不當(dāng)造成的還是由元器件固有缺陷引起的。失效分析試驗(yàn)從電子產(chǎn)品原理的角度，對(duì)故障產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試、試驗(yàn)、觀察分析，以確定故障部位。必要時(shí)，分解產(chǎn)品，進(jìn)行理化分析，應(yīng)力強(qiáng)度分析，判斷故障的性質(zhì)，弄清故障產(chǎn)生的機(jī)理。同時(shí)應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，就是收集同類產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量、試驗(yàn)、使用時(shí)間、以產(chǎn)生的故障數(shù)，估算該類故障出現(xiàn)的頻率。通過故障分析查明故障原因和責(zé)任，若是元器件使用不當(dāng)造成，應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造工藝，若是元器件固有缺陷引起的，還要確定該種缺陷是偶然的還是批次性的，然后才能依據(jù)結(jié)論采取相應(yīng)的糾正措施。例如；某電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障，根據(jù)現(xiàn)象判斷兩只電容漏電流太大，更換，故障排除。進(jìn)行元器件失效分析試驗(yàn)，兩只電容耐壓、漏電流、容量等指標(biāo)均正常，說(shuō)明維修未解決根本問題，該電子產(chǎn)品仍存在著隱患，應(yīng)跟蹤處理。
四．元器件可靠性試驗(yàn)的管理
1．試驗(yàn)期間的技術(shù)管理可靠性試驗(yàn)作為一種生產(chǎn)保障措施，需要有一定的設(shè)備支持。絕大部分的可靠性試驗(yàn)都需要設(shè)備。并且設(shè)備需要有資格的專門機(jī)構(gòu)對(duì)各項(xiàng)功能指標(biāo)進(jìn)行鑒定，鑒定后貼合格證并注明有效期限。實(shí)驗(yàn)設(shè)備須有專人維護(hù)保養(yǎng)，復(fù)雜設(shè)備應(yīng)設(shè)專人操作，經(jīng)嚴(yán)格培訓(xùn)并發(fā)操作證。為達(dá)到試驗(yàn)的理想效果，技術(shù)人員必須對(duì)試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)條件進(jìn)行研究改進(jìn)。一般民用設(shè)備的可靠性要求不是很高的情況下，生產(chǎn)廠家應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，盡量通過投資較少，周期短，步驟比較簡(jiǎn)單的試驗(yàn)，使產(chǎn)品達(dá)到用戶滿意的可靠性水平，以降低生產(chǎn)成本。
2．試驗(yàn)報(bào)告的閉環(huán)管理可靠性試驗(yàn)是通過試驗(yàn)來(lái)研究可靠性，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)往往無(wú)法根據(jù)一次試驗(yàn)結(jié)果判斷其元器件的可靠性，因此必須把試驗(yàn)內(nèi)容全部如實(shí)記錄下來(lái)，然后進(jìn)行可靠性分析，即撰寫可靠性試驗(yàn)報(bào)告。可靠性試驗(yàn)報(bào)告是試驗(yàn)的總結(jié)性報(bào)告，應(yīng)包括主要的試驗(yàn)情況、技術(shù)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)結(jié)論、提高設(shè)備可靠性的技術(shù)措施（包括技術(shù)與管理措施）等。元器件可靠性試驗(yàn)的試驗(yàn)者應(yīng)該真實(shí)、全面地記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在試驗(yàn)完成后，撰寫試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)交技術(shù)人員，技術(shù)人員根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)效果對(duì)試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)條件進(jìn)行修正或改進(jìn)，以達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果。一份完整的元器件可靠性試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)歸檔保存，必要時(shí)可進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)或驗(yàn)證試驗(yàn)，確保試驗(yàn)的有效性和復(fù)現(xiàn)性。
五．結(jié)束語(yǔ)元器件可靠性的試驗(yàn)方法很多，電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家必須根據(jù)自己產(chǎn)品的實(shí)際情況，選擇或設(shè)計(jì)合適的試驗(yàn)方案，保證元器件的質(zhì)量與可靠性。通過開展元器件使用過程的可靠性試驗(yàn)，電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家提高了所選用的元器件的質(zhì)量與可靠性，從而提高了產(chǎn)品的信譽(yù)度和美譽(yù)度，有利于提高電子產(chǎn)品廠家生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。
◆ 參考文獻(xiàn)：
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