电子元器件可靠性评价与质量控制策略研究

李雪 张天琪 唐思宇

摘要：在电子产品的组成中，元器件是最基本的组成，也是最小的单元，产品是否具有较强的稳定性和可靠性，与电子元器件的质量密不可分，一旦元器件的可靠性下降，则电子产品的作用也就无从谈起，所以对电子元器件的可靠性进行分析，使其能够发挥自身的价值是非常重要的。因此，我们应该对电子元器件的质量进行分析和控制，确保其可以为电子产品所服务，能够更好地服务于高科技产品的生产制造，推动国民经济又好又快发展。

Abstract： In the composition of electronic products， components are the most basic， and the smallest unit. Whether the products have strong stability and reliability is inseparable with the quality of electronic components. Once the reliability of components declines， the role of electronic products will also diclines， so it is very important to analyze the reliability of electronic components so that they can exert their own value. Therefore， we should analyze and control the quality of electronic components to ensure that they can serve electronic products， better serve the production of high-tech products， and promote the sound and rapid development of the national economy.

关键词：电子元器件;可靠性评价;质量控制策略

Key words： electronic components;reliability evaluation;quality control strategy

中图分类号：TN606                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）21-0257-04

0  引言

随着电子产品及系统在各行各业的普及应用，人们对电子元器件质量的重视程度逐渐提高。根据相关数据显示，在使用电子产品的过程中出现的问题，大多都是由电子元器件的质量不好所引起的，比如，在使用过程中的稳定性不高，使用时间短，元器件的功能不能正常的发挥等。即使设计了一款非常完美的电子产品，研发生产的过程都是有着严格的管理，一旦电子元器件的质量没有很好的保障，再好的产品也会毁于一旦。所以，在进行电子产品的生产时，要注重电子元器件的质量，对其进行可靠性的评价和相应的质量控制，这才是电子产品的根基，企业中要将该项工作做为重要的工作内容来抓，而不单单是喊口号，要必须从观念到行动做出彻底的改变。

1  电子元器件的可靠性评价

电子元器件的可靠性评价，顾名思义指的是对电子元器件（元器件产品、半成品、样品、设计图形等）通过各种可靠性的评价方法，对其进行评价和测试，运用相关的工具和软件技术来对其质量进行评估。通过对电子元器件的可靠性评价，可以查找出不合格的元器件，从而保证元器件的质量。

1.1 晶片级可靠性评价方法

晶片级可靠性评价方法，即WLR评价方法，指的是在芯片的生产中，对芯片的失效模式进行的评价，从根本上提高芯片的可靠性和质量，其中运用的是工艺监测的方式。通过监测数据，可以对集成电路的电子效应能力和与时间有关的击穿的可靠性进行准确的、科学的评价。在热电应力的作用下，对芯片上金属化层上的数据进行检测，通过分析相关数据，来评价系统电路的可靠性。

1.2 微电子测试结构可靠性评价的方法

近些年，微电子测试结构在集成电路生产中是常见的工艺监测手段。在可靠性评价技术不断发展的今天，微电子测试结构也作为对集成电路可靠性评价的一种方式，它不仅可以应用在电子产品的研发阶段，还可以应用在生产阶段，在不同的阶段进行不同的可靠性评价。对于不同器件的失效模式，再结合元器件的结构特点，可以设计出不同的微电子结构图形，而这些测试结构图形，不仅仅能够在工艺中进行测试，同时也可以将其进行封装，并施加应力来进行可靠性的试验。通过测试所得到的相关数据，结合VLSI的结构，最终进行可靠性评价。

1.3 表面贴装MOSFET 产品失效案例分析

①失效现象：已经测试合格的产品，经过生产线贴装后，电参数失效現象严重，产品短路，D、S之间漏电，失效率较高。

②分析思路：由于电子产品的芯片面积大，对产品的耐潮湿等级和气密性也相对较高，所以在产品进行表面贴装时，会遇到应力匹配的问题。

③分析方法：模拟SMT生产条件对同封装批次产品进行分析，采用超声扫描仪（C-SAM）对产品进行离层扫描。

④分析结论：通过对经过SMT工艺试验的产品抽样进行超声扫描，发现产品载片区（PAD）与模塑料之间存在较为严重的离层现象（详见图1）。

对失效产品进行解剖，从图2和图3中可以看出，失效的芯片内部已经发生裂纹。

从解剖结果来看，产品的表面进行贴装后，经过高温芯片内部发生了裂纹，从而最终影响了电参数。

2  电子元器件的质量控制策略

2.1 加强电子元器件的可靠性筛选

电子元器件的固有可靠性，其根源是产品的可靠性设计保证，在设计制造的过程中，由于多种因素的影响所致，使得生产出来的产品不能完全按照预期所想。在众多的成品中，会有少部分的成品存在问题，其在一定的应力条件下，会出现早期失效。存在早期失效的元器件，其寿命也较短。电子成品的可靠性由元器件的可靠性所决定，一旦元器件的可靠性得不到很好的保证，则电子成品在工作的过程中会出现各种各样的问题，从而提高了电子成品的失效率，可靠性下降，不能正常的进行工作。鉴于上述情况，在元器件的装机前，要及早的发现早期失效的元器件，并将其进行剔除，以避免后期的电子产品损失，如何发现和筛选元器件的好坏，是一项重要的工作。对元器件进行筛选，可以从根本上降低失效率，从而保证元器件的可靠性，以下从几方面对元器件的可靠性筛选进行了相关论述。

2.1.1 筛选方案的设计原则

在对筛选方案的设计原则上，要遵循以下五个方面：第一，筛选要能够有效的剔除早期的失效产品;第二，进行强应力筛选，提高筛选效率的同时，要保证产品的失效率，避免出现新的失效模式;第三，要科学的选择应力顺序;第四，最大程度的掌握被筛选对象可能的失效模式;第五，在进行电子元器件筛选时，要在综合考虑元器件的各项性能之后，方可提出相关筛选方案。

2.1.2 几种常用的筛选项目

2.1.2.1 高温贮存

在电子元器件的失效问题上，很大一部分的原因是因为温度的变化，导致了元器件的内部和表面产生了化学反应，在达到一定的温度时，化学反应会加速，所以电子元器件的失效率也就随之提高，一旦元器件的缺陷暴露，则会对其进行剔除。以下根据封装形式的不同，提出了相应的储存温度和时间，见表1。

2.1.2.2 电功率老炼

对元器件进行可靠性筛选时，由于电热应力的原因，元器件内部和外部所潜在的缺陷会暴露无遗，所以对其进行电功率老炼，是可靠性筛选的有效手段。此种筛选方式，需要有专业的试验设备，其成本费用相对较高，所以在进行筛选时，有一定的时间限制，可以通过不同的电子元器件进行时间的限定，一般情况下，民用产品是几小时，军用产品100-168小时，用于宇航事业的产品筛选时间为240小时以上。所以可以根据电子元器件的不同使用性质，选择合适的筛选条件。

2.1.2.3 温度循环

电子产品在正常使用中，由于温度的变化和温度的循环，会产生热胀冷缩的应力，在该作用下，有的元器件的性能不够就会失效。温度的忽高忽低，导致了热胀冷缩，这种情况下元器件热性能差的产品就会被剔除。温度循环条件见表2。

2.1.2.4 监控振动和冲击

在此试验中，对产品在日后的使用中的震动和冲击环境进行模拟，通过模拟测试发现其中结构不良的元器件，并将其剔除。此项筛选试验项目较为常用在军用电子设备中。图4是振动台系统的工作原理图。

2.2 加强电子元器件的破坏性物理分析（DPA）

由于在对电子元器件的缺陷进行筛选时，即使是进行了两次筛选工作，仍然不能找到其缺陷和问题，鉴于这种情况，要通过对电子元器件进行破坏性物理分析技术，来找到电子元器件存在的缺陷，由此来提高元器件的可靠性。

电子元器件的破坏性物理分析，即DPA，是在美国的航天领域率先使用的，之后应用在欧洲的航天系统中，近些年来，该技术已经在某些行业中广泛使用，且使用效果良好，所以在对电子元器件的缺陷进行筛选时，有必要使用破坏性物力分析技术，这对提高产品的整体性能起着决定性的作用。

2.3 加强电子元器件的失效分析

对电子元器件的失效进行分析，是针对已经失效的电子元器件，对其进行解剖，采用多种手段找出失效的原因，并提出相应的解决措施，以此避免元器件出现类似的问题，最终提高可靠性设计。

2.4 建立电子元器件的质量跟踪

在电子产品电装完毕，对电子元器件进行试验，要对元器件的质量进行详细的分析，同时有必要进行相关的试验，以此来帮助分析和论证。通过试验分析来判断元器件的失效原因，找出其中存在的质量问题，是元器件本身的质量问题，还是设计过程出现的问题。一旦发现元件本身的质量问题，要及时的提出质量的标准，要求厂家进行改进和更换，与此同时在测试分析时，有必要加强监控工作，以最大程度的保障元器件的质量，以便更好的为最终的产品所服务。如果发现是设计过程中出现问题，应该针对问题更改和完善设计，并引以为戒，在日后的设计中避免类似的设计。

3  电子元器件的可靠性设计

电子元器件的可靠性设计，指的是在规定的条件下，电子产品可能会出现的失效问题，针对失效而采取的一系列的补救措施和设计技术，来弥补失效的问题，使其能够正常的工作，以达到可靠性的设计标准。

可靠性设计是设计的核心内容，可靠性设计是否合理，直接决定着最终产品的成败与否，产品在使用阶段、维修阶段等所出现的问题，大多与设计初期的可靠性设计工作息息相关，所以，在進行可靠性设计时，必须要考虑到产品在整个生命周期中与可靠性有关的所有因素，只有将各种可能因素都考虑在内，才可能在出现问题时能够妥善的解决。其中产品设计可靠性相关的因素主要有内部因素和外部环境因素两种，其中内部因素包含：误操作、维修、防护、寿命等，外部环境因素包含：自然环境、储存环境、运输环境、人为因素等。

3.1 设计简化技术

图5是由1、2、3……n个部件组成的串联系统，串联系统有着较高的可靠性。

其中Ri和？姿i分别为部件的可靠度和失效率，Rs和？姿s分别为系统的可靠度和失效率，由此得出以下两组公式：

上述两组公式说明，在系统中，部件的多少与系统的可靠性成反比，与失效率成正比，即部件越多失效率越高。所以根据两组公式，得出了两点内容：第一，如果在不影响预定的功能的情况下，系统的一些不必要的零件可以省略，这样可以提高系统的可靠度，降低系统的失效率;第二，在对系统设计方案进行选择上，要选择系统部件较少的方案，以避免部件过多，而造成的后续损失。与此同时，也不要因为追求方案的简单，过多的减少部件，要能够保证预期设定的各项功能，如果想要用同一元件来完成较多功能时，要保证其可靠性，对其进行多次的验证，才可以使用。

3.2 元器件的降额使用

对电子元器件的应力分析可以看出，元器件的失效率和对其施加的应力两者之间成正比例关系，对元器件施加的应力越大，则元器件的失效率越高，所以为了能够延长元器件的使用壽命，必须要降低元器件上所施加的应力，即对元器件采取降额使用。降额的方法，不是对所有的元器件都同样适用，是要根据不同的器件类型采取不同的降额方法，在降额的过程中，也要考虑其系数，将降额系数控制在合理的范围内，可以达到降额的根本目的，如果过分的降额，则提高了成本费用，取得的效果也不再合理的范围。具体的电子元器件降额设计资料和数据可以参照GJB/Z299A-91，这里由于篇幅原因，不再列出。

3.3 冗余设计

冗余设计是当今应用广泛，实用性强，操作简单的可靠性的设计方式，当系统在进行可靠性的评价后，其结果不符合既定的要求，则设计人员在系统中的重要部位多加一个元件或者设备，当此部位的元件失去作用时，附加出的元件可以继续正常进行工作，而不耽误整个系统的正常运行，此系统称之为冗余系统，而这种设计称之为冗余设计。图6中，是较为简单的冗余系统，由于两个部件处于并联的结构，所以一旦其中一个部件不能完成工作，另外一个部件的完整仍旧可以保证系统的正常使用。

这个系统的可靠度和失效率分别为：

系统的平均寿命为：

由上可得出，进行冗余设计，会对系统的寿命有所帮助，可以从一定程度上延长其寿命。冗余设计的方法众多，都可以从不同程度上延长系统的使用寿命，这里由于篇幅有限，就不再一一论述。

3.4 热设计

在设备的工作过程中，都有对温度的要求，一旦温度上升，电子元器件的功能会难以有效的发挥，从而导致元器件的质量受损，所以在进行可靠性设计时，要考虑温度的条件，即热设计，要保证电子元器件在工作过程中避免处在高温下，从而保证元器件的质量。

4  结束语

总之，随着我国高新产业的不断发展，高科技产品层出不穷，而其决定性作用的电子元器件的可靠性评价与质量控制是一项重要的内容，必须要引起行业的重点关注。制定相应的使用要求和规范，对质量进行严格的控制，严把质量关，从根本上加强了电子整机装备的的可靠性，降低使用成本与风险，也间接为我国带来良好的经济效益。

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