核电厂仪控设备研制中元器件筛选问题的讨论

2013-08-18北京广利核系统工程有限公司白涛金成日张春雷

自动化博览 2013年4期

北京广利核系统工程有限公司白涛，金成日，张春雷

核电仪控系统最小组成单元是电子元器件，其质量与可靠性是保证整个仪控系统可靠性的基础。在分析和论证核电仪控系统可靠性指标时，不得不面临元器件可靠性和质量、元器件质量控制等相关问题。核电厂仪表和控制设备（以下简称：核电厂仪控设备）研制过程中，是否需要对元器件进行筛选？这个问题受到核电厂业主、设计公司和仪控设备研制单位的广泛关注，但至今还没有得到比较一致的共识。

本文旨从筛选的定义、目的和遵循的原则开始讨论，首先让大家对元器件筛选有一些基本的认识，再对国内外元器件筛选相关标准之间的差异进行对比研究，并对国内元器件筛选机构的元器件筛选数据进行收集和整理，让大家对目前国内外电子元器件筛选现状有所了解。解读2010年5月，国家能源局首次发布的NB/T 20019-2010《核电厂安全级仪表和控制设备电子元器件老化筛选和降额使用规定》，对核电厂仪控设备研制过程中是否需要开展元器件筛选进行讨论，并提出作者对元器件筛选的一些看法和建议。

1 元器件筛选

1.1 筛选的定义和主要目的

筛选，顾名思义就是根据不同使用要求，采用不同规格的“筛子”将产品分选。因此，筛选的定义就是“一种通过试验剔除不合格或有可能早期失效产品的方法”。筛选的试验种类很多，这就是各种“筛子”。

筛选的主要目的有两点：第一是淘汰有缺陷的产品。这些缺陷可能是由于原材料、工艺、制造设备等方面潜在的不良因素造成的。第二是根据使用要求，筛选不符合要求的产品。使用要求可以指寿命要求或者使用环境条件，如温度、辐射、振动等。

一个好的筛选规范必须选择合适种类的“筛子”，即合适的筛选项目，且“筛孔大小”，即试验应力也应该合理，以免筛去过多能满足要求的产品，从而无谓提高元器件成本。

1.2 筛选应遵循的原则

筛选应遵循以下两条原则：一，除另有规定外，对元器件具有破坏性的试验或检验不应列为筛选项目。二，除产品规范或筛选指导性文件另有规定外，筛选所加的应力（电应力、机械应力、环境应力等）不应超过产品规范规定的元器件能够承受的极限应力。

从以上筛选原则的第一条里可以看到筛选试验项目必须是无破坏性的。这和设备鉴定试验不同，因为经过鉴定试验的产品一般不再出售，而筛选后的合格产品是要交付使用的。因此确定试验方法有无破坏性，对制定筛选试验规范十分重要。

1.3 试验项目有无破坏性的确定

筛选试验规范由一系列试验项目按序组成。确定试验方法有无破坏性，对制定筛选规范十分重要。

IEC 61163-2-1998《电子元器件可靠性应力筛选》标准的附录A.1中，对于无破坏性试验和有破坏性试验有明确的分类。标准认为封帽前内部目检、声学显微镜扫描和X-射线照射属于无破坏性试验，而温度循环、高温（包括单独施加高温、高温加电、高温加反偏电压、高温+电功率等）、低温、热冲击、露点试验（Dew-Point test）、高温高湿试验、颗粒碰撞噪声检测（P.I.N.D）、恒定加速度机械冲击（Constant acceleration，mechanical shock）、振动（包括固定频率正弦振动、扫描频率正弦振动、随机信号正弦振动等）、DPA（破坏性物理分析）等试验为有破坏性试验项目。对于有破坏性试验项目，IEC61163-2附录A.1中指出：“由于试验应力具有破坏性，可能会损坏器件，因此只能在抽样后的样品上施加，而不应对全部器件施加。”

笔者认为IEC61163-2 元器件可靠性筛选标准中给出的有破坏性试验和无破坏性试验定义，主要是从试验应力本身的特点出发。但不能笼统地认为IEC61163-2标准里提到某试验应力属于破坏性试验，因此不适合做元器件筛选试验应力。比如：找一个有破坏性试验应力，温度循环作为举例。-40℃～+100℃的温度循环可能对于某些器件是有破坏性的，但+20℃～+40℃范围的温度循环可能对于大部分元器件来说是属于无破坏性的。

美军标、国军标和航天企业部标准中对于无破坏性试验项目和有破坏性试验项目的确定与IEC 61163-2标准差距比较大。

首先，对于一个试验项目是否具有破坏性，在《GJB 548 微电子器件试验方法》和《GJB 33 半导体分立器件总规范》中是如下规定：“若某项试验在同一组样品上重复进行5次试验，然后进行分析。当分析数据表明，没有一个样品有累积退化的迹象，则认为该试验是非破坏性的。否则，认为该试验具有破坏性。”因此，在IEC61163-2中认为有破坏性的试验应力，比如：颗粒碰撞噪声检测（P.I.N.D）、老化筛选、高温、低温、温度循环等在军用和航空航天筛选相关标准中均认为是无破坏性的试验应力。

1.4 元器件一次筛选和二次筛选

元器件筛选根据需要分为一次筛选和二次筛选。一次筛选（简称筛选）是由元器件生产厂家进行的筛选；二次筛选（也称补充筛选）是元器件使用方、整机研制或生产单位在元器件制造厂商已进行工艺筛选的基础上，为满足整机系统对元器件的可靠性要求，按相关标准、规定或技术条件要求进行的筛选。

元器件进行二次筛选的主要目的可归纳为以下几种：

第一种情况，元器件使用方认为元器件生产厂家进行的一次筛选应力不够（包括：试验应力本身和抽样比例），不足以淘汰足够的早期失效器件，经筛选后的元器件失效率达不到使用可靠性要求，从而进行二次筛选。但对某些器件，当筛选应力过大，反而会缩短使用寿命。因此，在选择二次筛选的试验项目和试验应力时，需区别对待，慎重选择。

第二种情况，元器件厂家制造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。当使用方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。

第三种情况，二次筛选的某些试验项目带有检验的目的，当某批某个项目上的元器件失效的比例高，或出现不该有的失效模式时，就需要通过二次筛选来研究该批元器件的整批质量问题。

第四种情况，目前市场上供应商良莠不齐，翻新和假冒器件时有出现。元器件使用方无法保证元器件（特别是进口元器件）的采购渠道和采购途径，或者对元器件生产方的筛选情况不明，因此为了保证所采购元器件的质量及其可靠性，进行元器件补充筛选。

2 元器件筛选统计数据

2.1 元器件筛选统计数据

元器件筛选技术在我国航天科技领域应用比较普遍，国内也有一些专门从事元器件筛选技术研究和服务的科研单位和机构，以下是上海航天技术基础所和湖北航天技术研究院计量测试技术研究所提供的电子元器件筛选统计数据。

根据上海航天技术基础所提供的元器件筛选数据，以航天某型号为例，该型号产品在天正常运行四年多，元器件补充筛选总数为129423只，合格129078只，不合格345只（不含整批不合格退货产品），淘汰率为0.27%；其中国产元器件114872只，合格114624只，不合格248只，淘汰率为0.22%；进口元器件总数14551只，合格14454只，不合格97只，淘汰率为0.67%。

其中国产元器件和进口元器件的送筛总样品数、合格、不合格数量及淘汰率，如表1所示。

表1 国产元器件和进口元器件筛选数据统计

其中，元器件补充筛选批次不合格整批退货的共有33批，计3901只。其中国产元器件有31批，计3834只；进口元器件2批，计67只。

目前，在核电站仪控系统研制中使用很多进口元器件，因此也收集整理了国外著名集成电路生产厂家的元器件筛选情况。

根据湖北航天技术研究院计量测试技术研究所反馈的数据，涉及国外著名集成电路生产厂家16家共119个型号，且样品均是通过正规渠道获得的产品，合格率在82.3%以上。不合格率高的产品主要是出现在较早生产的或已停产的产品中间，从样品数占有量可看出，目前集成电路使用量最大的前三家是TI、NS（National Sem iconductor国办）和FAIRCHILD（仙童），其产品的合格率分别为98.6%，98.6%和99.9%。表2是16家国外著名集成电路生产厂家119款型号产品的二次筛选数据。

表2 国外16家著名集成电路生产厂家119款型号产品二次筛选数据统计

从以上的元器件筛选专门机构反馈的数据可以了解到，即使是航空航天这种对元器件可靠性要求很高，且通过正规渠道采购的产品上的元器件筛选合格率平均值仅在82.3%左右。

目前，核电站仪控系统研制单位的元器件质量及可靠性等级的控制、元器件认证、供应商认证和管理、元器件检验等每个环节上的管理和把控能力均与军用、航空航天等单位相比还具有很大的差距。设计人员对元器件质量的盲目自信、对不同元器件在应用方面的特殊性和有关注意事项的不甚了解、采购人员对元器件质量及可靠性等级不熟悉，因而仅按元器件常规性能要求进行采购、进口元器件的采购渠道不畅，其质量及可靠性得不到保证等，势必会导致元器件缺陷率的提高。

2.2 不合格样品器件按筛选工序分布情况

根据筛选机构反馈的统计数据分析，不合格样品器件按筛选工序分布的情况，如图1所示。从图1中可以看到第一道工序常温初测中筛选出的不合格元器件数占不合格元器件总数的42.8%。占据第二位高筛选度的工序是颗粒碰撞噪声检测（即P.I.N.D）工序，筛选出约30.5%的不合格元器件。

图1 筛选淘汰元器件按筛选工序分布图

2.3 筛选淘汰元器件常见失效模式

图2是筛选中淘汰元器件的几种常见失效模式，占据第1位的是功能性失效，约占41.6%；第2位是封装器件内部腔体有多余物，约占30.5%；第3位是器件参数超差，约占13.6%；第4位是封装的密封性失效，约占12.8%。

功能失效主要出现在常温初测和老化后常温初测中，从测试数据看主要表现为功能逻辑混乱、电源拉偏下功能逻辑混乱、个别管脚功能缺失、多项参数超差等。

PIND失效，即检测出器件内部有多余物，主要出现在质量等级较低而加严筛选或生产厂家未做该项考核的器件中。

参数超差主要在常温初测和老化后常温测试环节，往往出现常温初测失效越多，老化后常温测试甚至常温复测越多失效的现象。这与器件的静电敏感程度密切相关。

密封性失效通常在高低温冲击、长时间高温动态老化、高低温测试，两次检漏前加压等试验后发生，个别器件在做密封性试验后，出现外引线断裂、封壳破裂或帽盖脱落等突然失效。

图2 筛选中淘汰元器件常见失效模式

3 NB/T20019《核电厂安全级仪表和控制设备元器件老化筛选规定》的解读

国家能源局发布的NB/T 20019-2010《核电厂安全级仪表和控制设备电子元器件老化筛选和降额使用规定》，主要是参考军用标准中有关电子元器件老化筛选要求，并结合我国核电厂安全级仪表和控制设备中电子元器件实际需要提出老化筛选技术要求。

该标准规定的适用范围是核电厂安全级仪表和控制设备中的电子元器件。标准中对于电子元器件老化筛选的顺序和试验主要有10项，分别是：外观检查、常温测试、高温贮存、温度循环、常温测试、功率老炼、常温测试、常温反偏、外观检查、最终测试。

NB/T 20019中规定对于半导体分立器件，主要的老化筛选试验项目有高温存储、温度循环、功率老炼和高温反偏等，共4种试验项目；集成电路器件主要的老化筛选试验项目有高温存储、温度循环和功率老炼等，共3种试验项目；电容器主要的老化筛选试验项目有温度循环和功率老炼；电阻器和电位器、电感器的老化筛选项目是温度循环。对于二极管、三极管、场效应管、光敏器件、发光器件、光电耦合器等，NB/T 20019也规定了相应的老化筛选试验项目和参数。

笔者认为，核电厂安全级仪控设备研制单位应参照该标准，要求元器件制造商提供相应的筛选报告，并且对于部分元器件除标准中要求的老化筛选项目以外，为了验证是否存在实际应用中可能发生的特定失效模式，还需要让元器件厂家补充做一些筛选项目，并提交相应报告。并且对于在NB/T 20019标致中未规定的进口元器件，可参考航天工业部QJ 10003-2008《进口元器件筛选指南》，结合器件厂家已进行的筛选工艺和实际使用中可能会出现的失效模式，要求厂家在出厂前补充进行筛选项目。

4 元器件筛选的有效性和必要性问题的讨论

从国内元器件筛选专门机构提供的统计数据和元器件筛选在我国军用武器装备和航空航天领域近三十年的应用中发挥的重要作用来看，其有效性和必要性是不容置疑的。迄今为止，元器件筛选技术是元器件质量和可靠性保障的最有效控制手段，也是器件厂家验证和改进制造工艺的重要手段。

因此，关于元器件生产厂家进行的元器件一次筛选的有效性和必要性问题，元器件厂家、元器件使用方、元器件筛选机构（通常是元器件二次筛选机构）均无任何异议，认为元器件一次筛选是非常有效且必要的。

但对于元器件二次筛选（即元器件使用方或整机生产单位对元器件的补充筛选）的有效性和必要性问题，目前元器件筛选机构和元器件使用方（除军用或航空航天归口单位）之间的意见分歧还比较大。

元器件筛选机构以筛选淘汰率和不合格样品数量、对于筛选出的器件开展失效分析的结果等数据力证元器件二次筛选的有效性和必要性问题。

然而元器件使用方或者整机制造单位从昂贵的元器件二次筛选或老化筛选费用考虑，对于元器件二次筛选的有效性和必要性问题持否定态度，主要观点如下：

第一，随着元器件制造水平和制造工艺的不断提高，当今元器件质量和可靠性水平已有很大提升，不可与十几年前同日而语；

第二，筛选的局限性问题，即：元器件二次筛选不可能将所有的缺陷全部剔除，也不可能提高元器件的质量等级。只要选用知名品牌和正规渠道采购的元器件缺陷率就已足够保证元器件质量和可靠性，其缺陷率应非常低，再投入巨大的人力、物力和财力来进行元器件二次筛选，却又无法保证将所有的缺陷全部剔除，那么开展二次筛选的成效就不是很明显；

第三，筛选过程中施加的试验应力或控制程序的不当会引起元器件失效率的提升。且国内部分研究机构已对筛选前后电容器、二极管、晶体管等分立器件性能和参数影响进行了分析和研究，有器件参数在筛选前后有明显老化的证据和结论。因此，对于需要交付的产品不宜进行元器件二次筛选，包括老化筛选。

第四，通过整机老化和应力筛选（比如：定量环境应力筛选、HASS等应力筛选）可筛选出元器件早期失效或潜在缺陷和工艺缺陷，因此可替代元器件二次筛选，包括老化筛选。

对于以上两种分歧，需要客观研究和辩证分析。首先，元器件二次筛选机构的统计数据不可全信。不能排除施加破坏性应力导致对器件的损伤。第二，元器件使用方的部分观点是正确的，比如：筛选的缺陷性和老化筛选带来的器件参数退化，和整机应力筛选可筛选出一定的元器件潜在缺陷。然而不能将这些观点片面的夸张和放大，进而否定元器件二次筛选的有效性和必要性。

因此，笔者对元器件二次筛选的观点是：

第一，不能首先从老化筛选费用的多少出发来讨论元器件老化筛选的有效性或必要性问题。主要还是看元器件筛选是否真的必要，若必要就应该严格按照相关标准进行筛选，若不必要则可以不进行筛选。

第二，作为验证元器件生产厂家筛选有效性的补充筛选，元器件二次筛选有其必要性，但不能成为常规手段或不加甄别的套用筛选标准。特别是不主张对全部元器件100%进行二次筛选（包括由使用方进行的元器件老化筛选）。元器件二次筛选应对部分项目和不同种类的元器件可抽样进行，且筛选之前必须对元器件失效机理和特定应力对元器件的失效模式清楚，且提前收集元器件厂家是否在出厂前已做过筛选、都做过哪些筛选等资料。然后，对于核电仪控系统中对于功能安全和可靠性影响比较大，元器件失效可能影响执行器停堆或误动或关键设备中使用的元器件，或为了剔除某种特定的缺陷，要求厂家进行补充筛选或可针对具体缺陷采取的有效方法，委托专门的元器件筛选机构进行筛选，当不合格时再作全部筛选。如果已经确定满足整机要求的元器件应尽量不作电应力、机械应力、热应力的筛选项目，只作一些必要的检查性和测试性的筛选项目即可。

5 开展元器件筛选面临的困难

作为元器件使用方或者整机设备制造商，若开展元器件筛选相关工作，可能会面临以下几种困难：

第一，需要投入巨大的成本，有时还需要投入额外的人力、物力和时间。目前，国内主要的元器件筛选服务机构的元器件筛选价格一般是电阻、电容、电感等无源器件的老化筛选价格为几元/只至二十元/只，半导体分立器件的老化筛选价格一般为十几元/只至几十元/只，小规模、中规模集成电路、电源模块等的筛选价格则更贵，一般为几十元/只至上百元/只。这对于批量比较大，元器件种类和数量比较多的整机设备制造商是无法承受的。

第二，采购的表贴元器件绝大多数都是盘装，主要用于表面贴装生产线，拆封后就很难上表贴机使用，影响焊接质量与可靠性，不宜进行二次筛选。

第三，元器件筛选前和筛选后，对于元器件功能和性能参数的检测存在问题。现如今，元器件的发展速度远远超出测试仪器发展的速度，因此，要想达到100%的测试性筛选，除器件制造商本身，第三方几乎是不能实现。

第四，新器件的测试程序开发存在一定困难，尤其是国外进口IC器件，由于商业机密等多种原因，新器件的资料很难获得，即使有也很难开发出测试程序。

第五，电应力筛选中存在的问题。国内许多从事可靠性筛选设备及测试仪器的生产厂家表示推出的筛选设备和检测仪器对表面贴装器件能够进行筛选和检测，实际上覆盖面也仅几种器件，大多属于商业炒作。

第六，无法了解和控制元器件厂家的筛选工作，即使对器件厂家的筛选情况有所了解了，也无法推动厂家按照元器件使用方的特定要求进行补充性筛选或索要筛选报告。这就需要从前期器件采购谈判和合同签订时就对供货商或器件厂家有约束，要求器件厂家提供元器件合格证明、元器件质量等级、可靠性报告、筛选报告，同时在签订合同时，已考虑元器件厂家筛选费用。虽然要求元器件厂家100%做筛选或增加补充性筛选的费用会有所提高，但比用户委托第三方筛选费用相比会便宜很多。

6 元器件老化筛选可能的替代方法

从上一章节元器件筛选面临的困难来看，有些困难确实是客观存在的，因此需要后续继续研究和探索更多的更加有效和高效的元器件可靠性筛选方法。以下是作者对于目前元器件老化筛选的可能的替代方法的一些思考和建议，仅供大家参考。

第一，引入针对性筛选，即在认真研究元器件筛选的故障信息和使用时的失效规律，针对本应在常规筛选时暴露而未暴露的特定失效模式指定筛选方案和质量控制措施。针对性筛选的内容可以采用但不局限于常规的筛选项目，必要时可以引入破坏性物理分析（DPA）的方法。由于针对性筛选是对常规筛选局限性的完善，实施针对性筛选可以降低元器件装机后失效情况的发生，明显提高筛选的有效性。

第二，在引入针对性筛选的基础上，开展板级环境应力筛选，包括温度循环、高温老炼、随机振动等应力筛选试验项目。《GJB/Z 34-93 电子产品定量环境应力筛选指南》中的《5.1 筛选设计基本准则》中明确写道：任何一个高一级的筛选可以代替低一级组件上的筛选，即：板级筛选是完全可以替代元器件级的筛选。因此，虽然板级筛选成本会比元器件级筛选会高，但在目前情况下作为元器件老化筛选的一种后备手段，也不失为一种控制元器件质量和可靠性的主要手段。这就需要制定相应的、被大家所认可的核电厂仪控设备板级环境应力筛选标准和规范。