基于可靠性试验的电子元器件物料评价方法——以IGBT为例

杜进桥，雷晓敏，王宗标，皮志武，李传业

（1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370）

0 引言

随着信息技术的不断突破，类型各异的电子系统在各行各业中实现应用并迅速普及。电子系统以电子元器件为基本单元，通过拓扑连接构成整体框架用于实现特定功能。数据表明，在电子系统的使用过程中，电子元器件物料的质量不可靠是造成整机失效的主要原因[1]。由此可见，电子元器件物料作为整机的组成部分决定着一个产品的质量与可靠性。在工业生产中，同一应用场合可选用的电子元器件的种类繁多，要保证在众多型号中选取较优物料，对于电子元器件物料的可靠性评价至关重要。

1 电子元器件可靠性评价方法

所谓电子元器件的可靠性评价[2]，指的是对元器件产品、半成品、样品和设计图形等电子元器件通过各种可靠性评价手段，对其进行评价和测试，运用相关工具或软件技术对电子元器件进行可靠性评估。通过对同一类型不同型号的电子元器件进行物料可靠性评价，形成评价等级，从而指导整机产品的物料选型，确保系统的可靠性。

2 基于可靠性试验的评价方法

现提出面向电子元器件物料的评价方法，通过开展可靠性评价试验，从电子元器件关键参数一致性、工艺适应性、结构分析、热性能分析和耐久性5个考核项出发开展评价，从而对比出不同型号物料之间可靠性的优劣程度，为整机电子元器件物料优选及检验提供依据。

2.1 质量一致性

电子元器件在从制造直至测试出厂的整个生产过程中质量控制的一致性，对器件的可靠性有着至关重要的影响[3]。参数的一致性反映了生产过程中的控制水平，构成质量一致性的重要内容。对于电子元器件物料评价，提取能够有效地表征质量一致性的参数，对其进行质量一致性评价。

2.2 工艺适应性

电子元器件在苛刻条件下完成良好焊接和组装，实现相应的功能并确保可靠性是获得良好产品质量的关键环节之一。从工艺适应性出发，通过电子元器件可焊性、耐热性能、潮敏等级评价和引出端强度等方面的内容[4]，评价电子元器件经过电子组装后，是否容易出现工艺缺陷。

2.3 结构分析

电子元器件制造过程中引入工艺相关的缺陷和不足，尤其是批次性问题一般会通过器件内外部的结构、物理特性、宏观或微观形貌特征表现出来。针对该类情况，通过对器件的封装结构进行解剖分析、物理性能进行测试、形貌进行观察，可逐步地提取其结构及材料参数等设计基线信息，暴露工艺缺陷和结构缺陷，定性地评价工艺水平。

2.4 热性能分析

热性能综合反映电子元器件的传热性能和热效率状态[5]。通过测试电子元器件与其热性能相关的参数而达到评价目的。

2.5 耐久性

耐久性是指电子元器件能够无故障地使用较长时间的能力[6]，该指标考核特定环境应力下器件的耐退化能力，这种退化包括内部结构的退化和功能参数的退化。通过测试电子元器件环境试验后的功能参数，考核其耐久性。

上述5类考核项是针对不同的电子元器件，可包含不同类型的考核点，通过可靠性试验与测试，以打分的方式对电子元器件的物料优劣进行评价。具体方式如式（1）-（2）所示，按照权重对每一个考核点进行评分，并综合所有可靠性试验的评价项目，得到电子元器件的总体质量可靠性评价：

式（1）中：Wi——根据考核点的重要程度分配的加权因子；

Pi——每一项的评分；

Q0——每个考核点的总得分即原始分；

Qs——该类电子元器件总体质量可靠性评价的标准分，通过分数即可完成对电子元器件物料的评价。

3 IGBT物料可靠性评价

绝缘栅双极型晶体管（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor），是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有高输入阻抗和低导通压降两个方面的优点。IGBT作为电力电子的重要大功率主流器件之一，被广泛地应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。本次可靠性试验针对某整机产品中使用的IGBT物料进行评价，用于指导整机产品中的器件选型。

3.1 试验方案

针对IGBT物料，结合上一章提到的基于可靠性试验的评价方法，从5个方面对IGBT器件进行可靠性考核，分别对应A、B、C、D、E 5组试验样品。具体的试验项目与流程如图1所示。

图1 IGBT物料评价方案测试项目与试验流程

结合IGBT的特性与使用条件，参考现有的对应标准，总结出具体的考核项如表1所示。

表1 IGBT物料的具体考核项要求

鉴于每一项功能性能或物理性能对整机的可靠性的影响程度是不一样的，因此结合市场使用后失效机理统计情况，可以得到各个评价项目对应的权重值，具体的权重分配如表2所示。

表2 分值分配及权重分配

本次评价包含不同生产厂商、不同型号的6种IGBT物料，命名为型号1～6。依照整机电路使用中的物料的典型使用条件，得到本次IGBT物料评价方法的评分参考，具体如表3所示。每个考核点给出评分区间：优（10～9分）、高于平均（8～7分）、平均（6～4分）、差（3～0分），考核项的具体考核点评分依据按照参考标准给出统一的评分要求。

表3 IGBT物料评分参考

试验中，约定重大缺陷项，一旦发现并确认此类问题，无论其他项目得分为何，都不建议选用，评价结论为“重大缺陷：该IGBT存在重大缺陷，不建议使用”。在评价考核过程中发现的关键或特殊信息，有必要提醒设计人员以改良设计或避免出现误用。在评价考核点发现的容易导致设计可靠性问题的缺陷，但通过一定的设计手段可以控制，提出警告供设计人员参考，评价结论中应指出警告点。对于在评价考核点发现的容易导致制程可靠性问题，但通过一定的过程控制可以解决的缺陷，应提出制程警告供工艺人员参考。对于在评价考核点发现的可能导致可靠性问题的缺陷，若基于现有的信息尚不能做出结论性判断，则需要进一步地搜集信息并跟踪制程和市场反馈。此类问题视严重程度，或在评价结论部分提出，或在评价报告的补充信息部分提出。

3.2 试验结果

根据试验方案进行试验并给出每项考核点的评分，按照约定权重转化为每种物料类型的标准分。6种不同型号的IGBT物料评价结果汇总如表4所示。

表4 不同型号的IGBT评价结果汇总

从表4中可以得到通过可靠性试验对不同型号IGBT物料的评价分数，具体到每一项考核点的评分，该结果清晰有力。

4 结束语

产品的集成化和小型化对电子元器件物料的高质量与高可靠性提出了更深一步的要求。电子元器件物料评价水平的高低进一步地影响着整机的性能和可靠性的优劣。因此，更加全面与深入的可靠性评价方法成为了整机选型强有力的支撑工具。基于可靠性试验的电子元器件物料评价方法，从元器件组装与使用等方面出发，更加全面地对电子元器件进行物料评价，可为整机可靠性的提升奠定坚实的基础，同时能够反馈到电子元器件生产厂商，形成可靠性提升反馈闭环，最终达到可靠性全面提升的效果。