電子元器件怎么進行篩選?可靠性篩選試驗方法

隨著工業(yè)、軍事和民用等部門對電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求日益提高，電子設備的可靠性問題受到了越來越廣泛的重視。對電子元器件進行篩選是提高電子設備可靠性的最有效措施之一?？煽啃院Y選的目的是從一批元器件中選出高可靠的元器件，淘汰掉有潛在缺陷的產(chǎn)品。從廣義上來講，在元器件生產(chǎn)過程中各種工藝質(zhì)量檢驗以及半成品、成品的電參數(shù)測試都是篩選，而我們這里所講的是專門設計用于剔除早期失效元器件的可靠性篩選。理想的篩選希望剔除所有的劣品而不損傷優(yōu)品，但實際的篩選是不能完美無缺的，因為受篩選項目和條件的限制，有些劣品很可能漏過，而有些項目有一定的破壞性，有可能損傷優(yōu)品。但是，可以采用各種方法盡可能地達到理想狀態(tài)。電子元器件怎么進行篩選?可靠性篩選試驗方法介紹如下：

1、元器件篩選的必要性

電子元器件的固有可靠性取決于產(chǎn)品的可靠性設計，在產(chǎn)品的制造過程中，由于人為因素或原材料、工藝條件、設備條件的波動，最終的成品不可能全部達到預期的固有可靠性。在每一批成品中，總有一部分產(chǎn)品存在一些潛在的缺陷和弱點，這些潛在的缺陷和弱點，在一定的應力條件下表現(xiàn)為早期失效。具有早期失效的元器件的平均壽命比正常產(chǎn)品要短得多。

電子設備能否可靠地工作基礎是電子元器件能否可靠地工作。如果將早期失效的元器件裝上整機、設備，就會使得整機、設備的早期失效故障率大幅度增加，其可靠性不能滿足要求，而且還要付出極大的代價來維修。

因此，應該在電子元器件裝上整機、設備之前，就要設法把具有早期失效的元器件盡可能地加以排除，為此就要對元器件進行篩選。根據(jù)國內(nèi)外的篩選工作經(jīng)驗，通過有效的篩選可以使元器件的總使用失效率下降1-v2個數(shù)量級，因此不管是軍用產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品，篩選都是保證可靠性的重要手段。

2、篩選方案的設計原則

定義如下:

篩選效率W＝剔除次品數(shù)/實際次品數(shù)

篩選損耗率L＝好品損壞數(shù)/實際好品數(shù)

篩選淘汰率Ｑ＝剔降次品數(shù)/進行篩選的產(chǎn)品總數(shù)

理想的可靠性篩選應使W=1，L=０，這樣才能達到可靠性篩選的目的。Q值大小反映了這些產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中存在問題的大小。0值越大，表示這批產(chǎn)品篩選前的可靠性越差，亦即生產(chǎn)過程中所存在的問題越大，產(chǎn)品的成品率低。

篩選項目選擇越多，應力條件越嚴格，劣品淘汰得越徹底，其篩選效率就越高，篩選出的元器件可靠性水平也越接近于產(chǎn)品的固有可靠性水平。但是要付出較高的費用、較長的周期，同時還會使不存在缺陷、性能良好的產(chǎn)品的可靠性降低。故篩選條件過高就會造成不必要的浪費，條件選擇過低則劣品淘汰不徹底，產(chǎn)品的使用可靠性得不到保證。

由此可見，篩選強度不夠或篩選條件過嚴都對整批產(chǎn)品的可靠性不利。為了有效而正確地進行可靠性篩選，必須合理地確定篩選項目和篩選應力，為此，必須了解產(chǎn)品的失效機理。產(chǎn)品的類型不同，生產(chǎn)單位不同以及原材料及工藝流程不同時，其失效機理就不一定相同，因而可靠性篩選的條件也應有所不同。

因此，必須針對各種具體產(chǎn)品進行大量的可靠性試驗和篩選摸底試驗，從而掌握產(chǎn)品失效機理與篩選項目間的關系。元器件篩選方案的制訂要掌握以下原則:

①篩選要能有效地剔除早期失效的產(chǎn)品，但不應使正常產(chǎn)品提高失效率。

②為提高篩選效率，可進行強應力篩選，但不應使產(chǎn)品產(chǎn)生新的失效模式。

③合理選擇能暴露失效的最佳應力順序。

④對被篩選對象可能的失效模式應有所掌握。

⑤為制訂合理有效的篩選方案，必須了解各有關元器件的特性、材料、封裝及制造技術。

此外，在遵循以上五條原則的同時，應結合生產(chǎn)周期，合理制定篩選時間。

3、幾種常用的篩選項目

3.1高溫貯存

電子元器件的失效大多數(shù)是由于體內(nèi)和表面的各種物理化學變化所引起，它們與溫度有密切的關系。溫度升高以后，化學反應速度大大加快，失效過程也得到加速。使得有缺陷的元器件能及時暴露，予以剔除。

高溫篩選在半導體器件上被廣泛采用，它能有效地剔除具有表面沽污、鍵合不良、氧化層有缺陷等失效機理的器件。通常在最高結溫下貯存24-168小時。

高溫篩選簡單易行，費用不大，在許多元器件上都可以施行。通過高溫貯存以后還可以使元器件的參數(shù)性能穩(wěn)定下來，減少使用中的參數(shù)漂移。各種元器件的熱應力和篩選時間要適當選擇，以免產(chǎn)生新的失效機理。

3.2功率電老煉

篩選時，在熱電應力的共同作用下，能很好地暴露元器件體內(nèi)和表面的多種潛在缺陷，它是可靠性篩選的一個重要項目。

各種電子元器件通常在額定功率條件下老煉幾小時至168小時，有些產(chǎn)品，如集成電路，不能隨便改變條件，但可以采用高溫工作方式來提高工作結溫，達到高應力狀態(tài)，各種元器件的電應力要適當選擇，可以等于或稍高于額定條件，但不能引人新的失效機理。功率老煉需要專門的試驗設備，其費用較高，故篩選時間不宜過長。民用產(chǎn)品通常為幾個小時，軍用高可靠產(chǎn)品可選擇100.168小時，宇航級元器件可以選擇240小時甚至更長的周期。

3.3溫度循環(huán)

電子產(chǎn)品在使用過程中會遇到不同的環(huán)境溫度條件，在熱脹冷縮的應力作用下，熱匹配性能差的元器件就容易失效。溫度循環(huán)篩選利用了極端高溫和極端低溫間的熱脹冷縮應力，能有效的剔除有熱性能缺陷的產(chǎn)品。元器件常用的篩選條件是－55～＋125℃，循環(huán)5～10次。

3.4離心加速度

離心加速度試驗又稱恒定應力加速度試驗。這項篩選通常在半導體器件上進行，把利用高速旋轉產(chǎn)生的離心力作用于器件上，可以剔除鍵合強度過弱、內(nèi)引線匹配不良和裝架不良的器件，通常選用20000g離心加速度持續(xù)試驗一分鐘。

3.5監(jiān)控振動和沖擊

在對產(chǎn)品進行振動或沖擊試驗的同時進行電性能的監(jiān)測常被稱為監(jiān)控振動或監(jiān)控沖擊試驗。這項試驗能模擬產(chǎn)品使用過程中的振動、沖擊環(huán)境，能有效地剔除瞬時短、斷路等機械結構不良的元器件以及整機中的虛焊等故障。在高可靠繼電器、接插件以及軍用電子設備中，監(jiān)控振動和沖擊是一項重要的篩選項目。

典型的振動條件是:頻率20～200Hz，加速度2~20g，掃描1~2周期，在共振點附近要多停留一段時間。典型的沖擊篩選條件是1500^-3000g，沖擊3~5次，這項試驗僅適用于元器件。

監(jiān)控振動和沖擊需要專門的試驗設備，費用昂貴，在民用電子產(chǎn)品中一般不采用。

除以上篩選項目外，常用的還有粗細檢漏、鏡檢、線性判別篩選、精密篩選等。

4、半導體器件篩選方案設計

半導體器件可以劃分為分立器件和集成電路兩大類。分立器件包括各種二極管、三極管、場效應管、可控硅、光電器件及特種器件;集成電路包括雙極型電路、MOS電路、厚膜電路、薄膜電路等器件。

各種器件的失效模式和失效機理都有差異。不同的失效機理應采用不同的篩選項目，如查找焊接不良，安裝不牢等缺陷，可采用振動加速度;查找元器件鍵合不牢，裝片不良，內(nèi)引線配置不合適等缺陷，采用離心加速度;查找間歇短路、間歇開路等缺陷，采用機械沖擊等。

因此，不同器件的篩選程序不一定相同。如晶體管的主要失效模式有短路、開路、間歇工作、參數(shù)退化和機械缺陷等五種，每種失效模式又涉及到多種失效機理，這些都是制定合理的篩選程序的重要依據(jù)。

①外觀檢查：用10倍放大鏡檢查外形、引線及材料有無缺陷。

②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移時問不超過1min，保持時間不小于10min。

③高溫壽命(非工作)：按照國家標準規(guī)定的壽命試驗要求，使元器件在規(guī)定的環(huán)境條件下(通常是最高溫度)存儲規(guī)定的時間。

④電功率老煉：按降額條件達到最高結溫下的老煉目的，老煉功率按元器件各自規(guī)定的條件選取。

⑤密封性試驗：有空腔的元器件，先細檢漏，后粗檢漏。

⑥電參數(shù)測試(包括耐壓或漏電流等測試)：按產(chǎn)品技術規(guī)范合同規(guī)定進行。

⑦功能測試：按產(chǎn)品技術規(guī)范合同規(guī)定進行。

基于以上原理，優(yōu)化了元器件測試篩選先后次序，按照失效模式的分類，對檢測篩選手段依據(jù)元器件測試篩選先后次序的原則進行排序

4.1二極管典型篩選程序

常用的半導體二極管有整流、開關、穩(wěn)壓、檢波和雙基極等類型，典型的篩選程序如下:

(1)高溫儲存:鍺管100℃、硅管150℃,96h。

(2)溫度循環(huán):鍺管-55℃-+85℃,5次;硅管-55℃~+125℃,5次。

(3)敲變:用硬橡膠錘敲3~5次，同時用圖示儀監(jiān)視正向特性曲線。

(4)跌落:在80cm高度，按自由落體到玻璃板上5～15次。

(5)功率老煉:

①開關管:1.5倍額定正向電流，12小時;

②穩(wěn)壓管:1～1.5倍額定功率，12小時;

③檢波整流管:1～1.5倍額定電流，12小時;

④雙基極二極管:額定功率老煉12小時。

(6)高溫反偏:鍺管700C，硅管1250C,額定反向電壓2小時，漏電流不超過規(guī)范值。

(7)高溫測試:鍺管70℃，硅管125℃。

(8)低溫測試:－55℃。

(9)外觀檢查:用顯微鏡或放大鏡檢查外觀質(zhì)量，剔除玻璃碎裂等有缺陷的管子。

4.2三極管典型篩選程序

高溫儲存—溫度循環(huán)—跌落(大功率管不做)—功率老煉—高低溫測試(有要求時做)—常溫測試—粗細檢漏—外觀檢查。

(1)高溫儲存:鍺管100℃、硅管175℃,96小時。

(2)功率老化:小功率管加功率至結溫Tjm，老煉24小時，高頻管要注意消除有害的高頻振蕩，以免管子hFE退化。

4.3半導體集成電路典型篩選程序

高溫儲存—溫度循環(huán)—(跌落)—離心—高溫功率老煉—高溫測試—低溫測試—檢漏—外觀檢查—常溫測試。

(1)高溫儲存:85～175℃,96小時。

(2)離心:20000g,1分鐘

(3)高溫功率老煉:85℃,96小時，在額定電壓、額定負載下動態(tài)老煉。

電子元器件的篩選重點應放在可靠性篩選上，具體的篩選程序可根據(jù)元器件的結構特點、失效模式及使用要求靈活制訂。

篩選和質(zhì)量控制是高可靠元器件生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。對于優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，通過篩選可使整批產(chǎn)品達到其固有的高可靠性。對于劣質(zhì)產(chǎn)品，由于其固有的缺陷，就不可能篩選出高可靠產(chǎn)品。因此，在篩選前有必要對產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平進行抽樣試驗評價，通過試驗和失效分析有助于制訂合理的篩選程序。