元器件測(cè)試篩選先后次序的決定原則

　　0引言

　　電子信息技術(shù)是當(dāng)今新技術(shù)革命的核心，其技術(shù)基礎(chǔ)是電子元器件(以下簡(jiǎn)稱元器件)，其中大部分是微電子器件。元器件是電子設(shè)備和系統(tǒng)的基本單元，為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須首先保證元器件的可靠性，但是即使高可靠性的元器件，在最好的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)控制下，仍然不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些有缺陷、質(zhì)量不符合要求的產(chǎn)品。所以在裝機(jī)前對(duì)元器件進(jìn)行測(cè)試篩選就顯得尤其重要。

　　元器件的篩選測(cè)試是為了在施加各種環(huán)境和電的應(yīng)力，從而將元器件中的各種缺陷激發(fā)出來，以便確定元器件電性能是否失效。電性能失效可以分為連結(jié)性失效、功能性失效和電參數(shù)失效。每種失效所反映的現(xiàn)象各不相同，元器件在測(cè)試時(shí)，每種測(cè)試方法所引起的失效模式是不同的，所以元器件測(cè)試篩選先后次序?qū)ψ罱K的測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。本文將提出安排元器件測(cè)試篩選先后次序的原則。

　　1原理

　　元器件是整機(jī)的基礎(chǔ)，它在制造過程中可能會(huì)由于本身固有的缺陷或制造工藝的控制不當(dāng)，在使用中形成與時(shí)間或應(yīng)力有關(guān)的失效。為了保證整批元器件的可靠性，滿足整機(jī)要求，必須把使用條件下可能出現(xiàn)初期失效的元器件剔除。

　　元器件的失效率隨時(shí)間變化的過程可以用類似"浴盆曲線"的失效率曲線來描述，早期失效率隨時(shí)間的增加而迅速下降，使用壽命期(或稱偶然失效期)內(nèi)失效率基本不變。篩選的過程就是促使元器件提前進(jìn)入失效率基本保持常數(shù)的使用壽命期，同時(shí)在此期間剔除失效的元器件。

　　事物的好與壞的判別必須要有標(biāo)準(zhǔn)去衡量。判斷元器件的失效與否是由失效判別標(biāo)準(zhǔn)一一失效判據(jù)所確定的。失效判據(jù)是質(zhì)量和可靠性的指標(biāo)，有時(shí)也有成本的內(nèi)涵，所以元器件失效不僅指功能的完全喪失，而且指電學(xué)特性或物理參數(shù)降低到不能滿足規(guī)定的要求。簡(jiǎn)而言之，產(chǎn)品失去規(guī)定的功能稱為失效。

　　20世紀(jì)60年代以來，我國(guó)陸續(xù)制定、修訂了一系列標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)各種試驗(yàn)方法，開拓了旨在研究失效機(jī)理的可靠性物理這門新的學(xué)科，發(fā)展了失效模式、影響及危害性分析和故障樹兩種有效的分析方法。這些方法的使用，為提高元器件篩選的有效性和準(zhǔn)確性提供了強(qiáng)大的理論工具。

　　失效一般分為現(xiàn)場(chǎng)失效和試驗(yàn)失效?，F(xiàn)場(chǎng)失效一般是在裝機(jī)以后出現(xiàn)的失效，因此，我們?cè)谠骷y(cè)試篩選過程中只考慮試驗(yàn)失效。試驗(yàn)失效主要是封裝失效和電性能失效。封裝失效主要依靠環(huán)境應(yīng)力篩選來檢測(cè)。所謂環(huán)境應(yīng)力篩選，即在篩選時(shí)選擇若干典型的環(huán)境因素，施加于產(chǎn)品的硬件上，使各種潛在的缺陷加速為早期故障，然后加以排除，使產(chǎn)品可靠性接近設(shè)計(jì)的固有可靠性水平，而不使產(chǎn)品受到疲勞損傷。在正常情況下是通過在檢測(cè)時(shí)施加一段時(shí)問的環(huán)境應(yīng)力后，對(duì)外觀的檢查(主要是鏡檢，根據(jù)元器件的質(zhì)量要求，采用放大10倍對(duì)元器件外觀進(jìn)行檢測(cè)；也可以根據(jù)需要安排紅外線及X射線檢查)，以及氣密性篩選來完成，當(dāng)有特殊需要時(shí)，可以增加一些DPA(破壞性物理分析)等特殊測(cè)試；這些篩選項(xiàng)目對(duì)電性能失效模式不會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)效果。所以，一般將封裝失效的篩選放在前面，電性能失效的篩選放在后面。

　　電性能失效可以分為連結(jié)性失效、功能性失效和電參數(shù)失效。連結(jié)性失效指開路、短路以及電阻值大小的變化，這類失效在元器件失效中占有較大的比例。因?yàn)樵谠骷Y選測(cè)試過程中，由于過電應(yīng)力所引起的大多為連結(jié)性失效，同時(shí)，連結(jié)性失效可以引發(fā)功能性失效和電參數(shù)失效，但是功能性失效和電參數(shù)失效不會(huì)引發(fā)連結(jié)性失效。主要原因是，當(dāng)連結(jié)性失效模式被特定的篩選條件觸發(fā)時(shí)，往往出現(xiàn)的現(xiàn)象為元器件封裝涂覆發(fā)生銹蝕、外殼斷裂、引線熔斷、脫落或者與其他引線短路，主要表現(xiàn)為機(jī)械和熱應(yīng)力損傷，但是有時(shí)并不表現(xiàn)為連結(jié)性故障，而是反映為金屬疲勞、鍵合強(qiáng)度不夠等問題，這些本身不會(huì)引發(fā)連結(jié)性失效，但是會(huì)引發(fā)功能性失效和電參數(shù)失效，需要通過功能性和電參數(shù)監(jiān)測(cè)才能發(fā)現(xiàn)。但是，電路的功能性失效和電參數(shù)失效被特定的的篩選條件觸發(fā)時(shí)，出現(xiàn)的現(xiàn)象是某些特定的功能失效、電參數(shù)超差等。造成這些失效的主要原因在于：制造、設(shè)計(jì)中的缺陷以及生產(chǎn)工藝控制不嚴(yán)，使生產(chǎn)過程中各種生產(chǎn)要素如空氣潔凈度等級(jí)、超純水的質(zhì)量監(jiān)測(cè)、超純氣體和化學(xué)試劑達(dá)不到規(guī)定的要求；在運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)過程中由于防靜電措施不到位也會(huì)發(fā)生靜電損傷。這些因素作用下半導(dǎo)體晶體會(huì)受到各種表面污染物的玷污，會(huì)使產(chǎn)品不能達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量等級(jí)要求。當(dāng)受到特定的外部條件激發(fā)的情況下，就會(huì)產(chǎn)生功能性失效和電參數(shù)失效，但是這些功能性失效和電參數(shù)失效造成的影響往往只能造成元器件部分的功能失去作用，還不能使芯片的封裝和各部分的連結(jié)線出現(xiàn)燒毀、短路、開路等現(xiàn)象，所以電路的功能性失效和電參數(shù)失效與連結(jié)性失效不產(chǎn)生引發(fā)效果。

　　在安排測(cè)試篩選先后次序時(shí)，有兩種方案：

　　a)方案1：將不產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在前面，將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面。

　　b)方案2：將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在前面，將不產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面。

　　如果選擇方案1，會(huì)發(fā)現(xiàn)將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面時(shí)，出現(xiàn)本身失效模式?jīng)]有被觸發(fā)、其他關(guān)聯(lián)的相關(guān)失效模式被觸發(fā)的情況時(shí)，這種帶有缺陷的元器件不能被準(zhǔn)確地定位、剔除，因?yàn)樵擃愂Ｊ降臋z測(cè)已經(jīng)在前面做過了。而選擇方案2就可以非常有效地避免上述問題的發(fā)生，使篩選過程優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和高效。

　　因此，決定元器件測(cè)試篩選先后次序的原則是：

　　a)失效概率最大的篩選方法首先做。

　　b)當(dāng)一種失效模式可以與其他失效模式產(chǎn)生關(guān)聯(lián)時(shí)，應(yīng)將此失效模式的篩選放在前面。

　　c)使用不同方法對(duì)同一種失效模式進(jìn)行篩選時(shí)，首先考慮失效概率的分布，容易觸發(fā)失效的篩選方法首先進(jìn)行。

　　d)考慮經(jīng)濟(jì)性，便宜的先做。

　　e)考慮時(shí)間性，時(shí)間長(zhǎng)的后做。

　　f)測(cè)試順序的安排是后面的參數(shù)能夠檢查元器件經(jīng)前面參數(shù)測(cè)試后可能產(chǎn)生的變化。對(duì)有耐電壓、絕緣電阻測(cè)試要求的元器件，耐壓在前、絕緣在后，功能參數(shù)最后測(cè)試；對(duì)有擊穿電壓和漏電流測(cè)試要求的元器件，擊穿電壓在前，漏電流在后，功能參數(shù)最后測(cè)試。

　　2實(shí)現(xiàn)

　　目前國(guó)內(nèi)使用的主要篩選方法如下：

　　a)外觀檢查：用10倍放大鏡檢查外形、引線及材料有無(wú)缺陷。

　　b)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1 min，保持時(shí)間不小于10 min。

　　c)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。

　　d)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。

　　e)密封性試驗(yàn)：有空腔的元器件，先細(xì)檢漏，后粗檢漏。

　　f)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。

　　g)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，首先按照失效概率進(jìn)行排序：排序結(jié)果如表1所示。

　　表1中：失效概率等級(jí)是依據(jù)各種檢測(cè)手段下可能觸發(fā)缺陷的概率比較所得，由于元器件到達(dá)使用廠家時(shí)經(jīng)過各種運(yùn)輸、存儲(chǔ)過程，所以外觀破裂、銹蝕等情況發(fā)生比較多見，一般占元器件失效總數(shù)的40％左右，所以將外觀的失效概率等級(jí)放置在第1位；溫度循環(huán)和高溫壽命(非工作)失效概率等級(jí)相同，考慮經(jīng)濟(jì)性和時(shí)間性，所以溫度循環(huán)放置在第2位；高溫壽命(非工作)放置在第3位。

　　按照原則排序后，還加上一次外觀檢查，主要是為了防止測(cè)試篩選過程中由于在不同實(shí)驗(yàn)室之間轉(zhuǎn)運(yùn)而發(fā)生外觀破損等現(xiàn)象，保證檢驗(yàn)結(jié)束后的元器件外觀合格。這樣就得到圖1所示的篩選工作流程圖。

　　由圖1可以看出，依據(jù)決定元器件測(cè)試篩選先后次序的原則優(yōu)化以后的篩選順序能夠及時(shí)判別各種失效的發(fā)生，同時(shí)，當(dāng)元器件產(chǎn)生失效時(shí)，通過失效時(shí)元器件所處的階段準(zhǔn)確判定元器件的失效模式，為元器件和整機(jī)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過對(duì)元器件失效模式的討論，結(jié)合各種測(cè)試篩選手段的分析，提出了決定元器件測(cè)試篩選先后次序的原則，這個(gè)原則對(duì)平時(shí)的工作有很大的指導(dǎo)作用。通過這個(gè)原則的使用，可以迅速判斷元器件的失效原因和模式，節(jié)省分析的時(shí)間和成本，從而提高產(chǎn)品的可靠性。