浅谈电子元器件可靠性评价与质量控制策略

张全 贺卿 发红 唐旭

（中国空间技术研究院西安分院， 西安， 710000）

电子设备由各种各样的电子元器件 （以下简称元器件） 组成， 一旦其中某一个元器件发生了故障， 则会导致整个电子设备不能正常工作。 当元器件组装完成为一个电子设备、 形成产品到使用者手中后， 需要面对外界不同的影响因素 （如外界温度变化、 使用时间、 充电电流是否稳定等）， 这些可能会对元器件造成不好的影响， 从而导致故障产生， 影响设备的正常使用。

可靠性分析是在产品出厂前对产品发生故障的原因进行分析的一种手段， 可降低产品的不合格率， 提高产品的可靠性， 减少由于不合格产品所带来的经济损失。 元器件发生故障的原因不仅仅是由外界因素所决定， 还与它自身有着重要的关系。 元器件本身可靠性的决定因素包括生产方式、 设计结构等， 同一规格的器件也可能有着不同的可靠性。 因此我们在开展元器件的可靠性分析时需要从多方面进行考虑。

1 元器件可靠性评价的主要方式

1.1 芯片级可靠性评价

由于现在人们对电子设备的要求越来越高，组成电子设备的元器件也从原来的大体积逐步趋向于电子集成化、 微型化及芯片化， 传统的可靠性试验方法已经不能满足现代电子工业的水平。于是人们发展了芯片级可靠性评价方法， 这种评价是在设备成品封装之前进行的， 对组成设备的主要半导体芯片进行检测。 同时， 按照现有标准（国军标或美军标） 还要对芯片进行一系列可靠性验证试验 （如划片后抽样封装进行温度冲击试验、 对芯片表面形貌进行扫描电镜等） 甚至是上千小时的加速寿命试验， 来验证其可靠性。 进一步， 还要对失效芯片进行失效分析， 通过分析不同的失效模式， 获得大量的可靠性数据。 通过这些数据确定芯片的热效应能力和击穿时间的可靠性。 因为这种评价手段是在器件的生产过程中进行的， 因此它可以及时地进行反馈， 从而使得工作人员能够及时更换元器件， 实施改进措施。 但是不足之处在于， 这种检测方式对芯片和集成电路的损坏是不可挽回的， 并且不能检测封装过程中对元器件带来的影响。

1.2 微电子结构测试可靠性评价

这种可靠性评价方法的主要手段在于针对不同设备、 集成电路中所有可能存在对设备造成影响的薄弱环节， 设计出针对不同器件、 不同阶段的失效模式进行测试 （如在不同的使用工况下产生的失效， 不同的电场、 磁场作用下产生的失效等） 进而得到一系列数据， 根据这些数据及设计出的结构与测试结构之间的关系， 对器件进行可靠性评价。 这种方法除了在电子产品的研发阶段以及生产阶段都可以使用外， 还可以对这种微电子结构进行封装作业， 通过施加应力可以进行可靠性分析。 因此这种方法已经成为现代社会电子元器件生产过程中最为常见的一种评价手段。

2 元器件的质量控制策略

元器件可靠性的决定因素主要体现在两个方面： ①元器件自身所具备的条件， 这种条件是器件固有的， 比如元器件的设计结构、 生产方式及所构成器件的材料质量等因素； ②元器件组成完电子设备之后， 使用者在使用过程中元器件所受到的外界因素， 例如使用设备的时间、 充电的电流、 所处环境的温度等。 这两个方面时时刻刻都在影响着电子元器件的可靠性， 笔者认为应采取以下质量控制策略。

2.1 对元器件进行使用前筛选

由于元器件在结构设计和生产过程中都存在着不确定的因素， 因此， 一些元器件在出厂时便会有少许一部分具有隐患的器件[1]。 这些虽然在前期使用没有问题， 但是使用寿命却不如正常器件。 使用这些可靠性不高的元器件， 对电子设备的稳定运行也会造成影响。 因此在组装电子设备的过程中， 我们需要对元器件进行筛选， 剔除那些存在缺陷的器件， 使用可靠性高的元器件[2]。只有这样， 才能保障电子设备在今后使用过程中的稳定性。 如何对元器件进行筛选呢？ 这就需要针对器件本身的结构和使用方式等综合考虑， 选取有针对性的筛选项目和筛选应力。

2.2 对元器件进行破坏性物理分析

在电子设备组装过程中， 尽管我们已经对元器件使用传统的筛选方法进行了筛选， 但是仍然不能保证所使用的元器件的可靠性。 因此人们发展出了对元器件进行破坏性物理分析的方法， 又称良品分析。 这种方法是在元器件交付使用前先抽取一批器件交由第三方权威检测机构进行检测， 通过对产品进行照相、 外观检查、 射线检查、 超声波检查、 碰撞试验等共20 个实验内容。从这些试验内容里进行选取， 选择适合检测元器件所需的实验内容， 从而对元器件进行筛选， 以保证元器件的可靠性， 为电子设备的稳定性打下良好的基础。

通过对元器件进行破坏性物理分析， 我们可以初步判断出元器件所存在的问题： 是由生产过程中造成的， 还是在本身设计环节中就存在问题？ 若是在生产过程中产生的问题， 则应该及时联系厂家， 要求生产厂家进行更换， 避免经济损失， 同时在检测过程中， 加强对过程中的监督环节， 保证质量。 若是在设计结构中存在的问题，则要跟设计部门进行及时的反馈， 让设计部门及时地解决发现的问题， 完善器件的设计， 并且在今后的设计过程中， 吸取教训， 避免再发生类似问题。 保证器件的使用可靠性。

2.3 完善元器件的生产基线管控

用、 研双方充分协商， 建立元器件过程确认文件 （PID）， 固化元器件生产基线。 借鉴国外先进的元器件质量管理经验， 推行建立过程确认文件 （PID）， 实现元器件过程文件细化、量化。 按照 “PID 主文件、 过程管理、 评价标准、 操作指南、 记录表格” 等5 类文件开展建设。 严格控制元器件的状态变化， 按照 “论证充分、 各方认可、 试验验证、 审批完备、 落实到位” 的总体原则， 实现对元器件生产基线的全面管控。

2.4 建立风险管理体系

风险管理已成为一个热门话题， 风险管理体系的一个重要作用就是预防。 要充分识别风险，可以从技术角度和管理角度进行风险评估。

目前在制造行业运用最广泛的技术风险评估技术有： ①失效模式和效应分析； ②故障树分析； ③可靠性预计。 在管理风险评估方面要不断完善风险管理体系， 通过管理评审、 内部审核、阶段性总结报告、 产品质量问题的分析等方式进行体系的有效管控。 从而使元器件在稳定、 可靠的区间运行。

2.5 合理规范使用元器件

当元件器交付使用之后， 我们也需要对元器件合理的使用进行规范， 每一个元器件都有它独有的使用方法。 例如加电时， 不能超出元器件的电压阈值。 同时元器件的贮存也要满足贮存要求。 只有使用正确的使用方法， 才能够避免对器件造成损害， 保证设备运行的可靠性和稳定性。 使用方需要制定合理的使用及维护计划， 定期地检查器件， 一旦发现存在隐患， 需要及时进行检查更换， 保证设备运行的可靠性。

随着现代科技水平的提高， 元器件的可靠性评价发挥了越来越重要的作用。 本文总结了元器件可靠性评价的主要方式， 结合现代质量管理理念， 从元器件的设计生产阶段开始不断完善可靠性评价方法和技术， 在短时间内评估元器件的可靠性， 使电子设备用到的元器件都能稳定工作。