電子元器件的選用、管理與控制

林長(zhǎng)苓，靳寶善

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.國(guó)防科工局協(xié)作配套中心，北京 100081）

1 引言

電子元器件是武器裝備的基礎(chǔ)，它的質(zhì)量與可靠性直接關(guān)系到裝備的技術(shù)性能、研制進(jìn)程以及作戰(zhàn)能力。大量的電子整機(jī)故障統(tǒng)計(jì)表明，電子元器件的失效在整機(jī)故障分布中占首位。美國(guó)HP公司的整機(jī)在使用期間發(fā)生故障的原因，75%來自于元器件；我國(guó) “七五”期間，航空電子設(shè)備發(fā)生故障的原因，40%是由于元器件設(shè)計(jì)、選用不合理造成的。由此可見，合理地選擇和使用元器件，對(duì)其全壽命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，是提高裝備可靠性的重要保障。

2 電子元器件的可靠性

電子元器件的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性兩個(gè)方面。固有可靠性是可靠性的基礎(chǔ)，一般是指元器件制造完成時(shí)所具有的可靠性，它是由元器件的設(shè)計(jì)、工藝、制造、管理和原材料性能等方面的因素所決定的；使用可靠性則指元器件交付使用后，由于工作條件、環(huán)境條件和人為因素等引發(fā)的可靠性問題。表1為近年來國(guó)內(nèi)外電子整機(jī)失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表1 近些年元器件失效比例統(tǒng)計(jì)表

在元器件選用方面，許多設(shè)計(jì)人員往往只注意元器件的性能指標(biāo)和溫度范圍是否符合整機(jī)的要求，而忽略了元器件的質(zhì)量等級(jí)、考核標(biāo)準(zhǔn)和失效模式等與整機(jī)可靠性的密切關(guān)系，從而使整機(jī)常常出現(xiàn)性能合格，但可靠性考核卻難以通過的情況。

因此，必須對(duì)電子元器件的選擇和使用加以嚴(yán)格控制，從元器件可靠性的兩個(gè)方面著手，首先選用有質(zhì)量保證的、經(jīng)實(shí)踐證明其固有可靠性較高的產(chǎn)品。其次，應(yīng)開展二次篩選、降額設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)等可靠性設(shè)計(jì)，并建立完整的質(zhì)量跟蹤及質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)，從而形成一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高元器件的使用可靠性。

3 電子元器件的質(zhì)量等級(jí)

元器件的質(zhì)量等級(jí)可分為：用于元器件生產(chǎn)控制、選擇和采購(gòu)的質(zhì)量等級(jí)和用于電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的質(zhì)量等級(jí)兩種。

3.1 用于元器件生產(chǎn)控制、選擇和采購(gòu)的質(zhì)量等級(jí)

元器件的質(zhì)量等級(jí)與其生產(chǎn)過程執(zhí)行的規(guī)范是密不可分的，規(guī)范要求質(zhì)量控制的嚴(yán)格程度，決定了元器件質(zhì)量等級(jí)的高低。在大多數(shù)軍工產(chǎn)品中，采用國(guó)產(chǎn)元器件的質(zhì)量等級(jí)分為 （七專）7905、（七專）8406、 （七專）840611A（半導(dǎo)體分立器件）、 （七專）補(bǔ)充技術(shù)協(xié)議以及國(guó)軍標(biāo) （GJB）等5種。前4種可以認(rèn)為是4種質(zhì)量等級(jí)，而國(guó)軍標(biāo)由于參照采用了美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn) （MIL），其質(zhì)量等級(jí)的分類方法比較復(fù)雜，國(guó)軍標(biāo)元器件的質(zhì)量等級(jí)包括：器件的質(zhì)量保證等級(jí)和有可靠性指標(biāo)的元件的失效率等級(jí)，如表2所示。

表2 國(guó)軍標(biāo)元器件質(zhì)量分級(jí)

3.2 用于電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的質(zhì)量等級(jí)

當(dāng)按GJB/Z 299進(jìn)行電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，在該標(biāo)準(zhǔn)中列出了另一種質(zhì)量等級(jí)與質(zhì)量保證等級(jí)及失效率等級(jí)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。由于質(zhì)量保證等級(jí)及失效率等級(jí)有時(shí)也可簡(jiǎn)稱為質(zhì)量等級(jí)，所以兩者很易混淆。但只有軍用級(jí)元器件才有質(zhì)量保證等級(jí)及失效率等級(jí)，而對(duì)于幾乎所有的元器件都有進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)的質(zhì)量等級(jí)，這是兩者主要的差別。表3列出了半導(dǎo)體集成電路的可靠性預(yù)計(jì)質(zhì)量等級(jí)。

表3 半導(dǎo)體集成電路的可靠性預(yù)計(jì)質(zhì)量等級(jí)

4 電子元器件的選用原則和順序

4.1 電子元器件的選用原則

1）元器件的技術(shù)性能、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量等級(jí)和使用條件等應(yīng)滿足電子裝備的要求；

2）優(yōu)先選用列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄 （QPL）及合格制造廠目錄 （QML）中的元器件；

3）優(yōu)先選擇經(jīng)認(rèn)定合格、質(zhì)量有保證、供貨及時(shí)、價(jià)格合理、技術(shù)服務(wù)好以及具有良好信譽(yù)的合格電子元器件科研生產(chǎn)單位生產(chǎn)的元器件；

4）優(yōu)先選用經(jīng)工程實(shí)踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前景以及供貨有保障的標(biāo)準(zhǔn)電子元器件；

5）應(yīng)最大限度地壓縮元器件品種、規(guī)格和生產(chǎn)單位；

6）在滿足質(zhì)量要求的前提下，性價(jià)比相當(dāng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用國(guó)產(chǎn)電子元器件，盡量減少選用進(jìn)口電子元器件；

7）不選用未經(jīng)設(shè)計(jì)定型的新研元器件、已停產(chǎn)或?qū)⒁．a(chǎn)的電子元器件；

8）限制使用質(zhì)量等級(jí)不能完全滿足電子裝備要求但為實(shí)現(xiàn)整機(jī)功能而不得不使用的電子元器件；

9）禁止使用因材料、工藝和使用條件等原因而被工程要求禁止使用的元器件。

4.2 電子元器件的選用順序

1）根據(jù)元器件的使用部位的電性能、體積、質(zhì)量等要求，在元器件優(yōu)選或選用目錄中選擇元器件的品種、規(guī)格，并留有足夠的余量；

2）根據(jù)元器件使用的環(huán)境要求，選擇元器件的封裝形式、引線涂覆及輻射強(qiáng)度保證 （RHA）等級(jí)等環(huán)境適應(yīng)能力 （不同的應(yīng)用環(huán)境對(duì)電子元器件的選用附加要求和試驗(yàn)項(xiàng)目也不同）；

3）根據(jù)整機(jī)的可靠性要求來選擇元器件的質(zhì)量等級(jí)。

5 電子元器件的管理與控制

5.1 電子元器件的管理現(xiàn)狀

電子元器件是電子產(chǎn)品的重要組成單元，對(duì)于電子設(shè)備的成本、研制周期和可靠性都會(huì)產(chǎn)生重要的影響。元器件管理不僅僅涉及到產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門，而且會(huì)牽涉到制作和采購(gòu)等部門。目前國(guó)內(nèi)的元器件管理存在的主要問題如下：

1）缺乏集中統(tǒng)一的元器件信息庫(kù)；

2）缺乏有效的元器件管理機(jī)制；

3）元器件選用控制不嚴(yán)格 （產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員選用的某些元器件存在可靠性差、采購(gòu)周期長(zhǎng)、成本高或者電子裝配要求難以滿足等諸多問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)）。

5.2 電子元器件的管理與控制

針對(duì)電子元器件管理方面存在的問題，可采取如下措施：

a）建立企業(yè)級(jí)的元器件信息庫(kù)

電子設(shè)備研制單位應(yīng)當(dāng)建立企業(yè)級(jí)范圍內(nèi)的統(tǒng)一元器件信息庫(kù)，對(duì)入庫(kù)元器件的數(shù)據(jù)嚴(yán)格審核，確保庫(kù)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完備性，形成企業(yè)內(nèi)部唯一的元器件數(shù)據(jù)源，同時(shí)加強(qiáng)元器件庫(kù)訪問權(quán)限控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與維護(hù)。

b）建立型號(hào)工程的元器件優(yōu)選目錄

各型號(hào)工程總體單位可參照GJB 3404-98《電子元器件選用管理要求》，制定型號(hào)工程的元器件優(yōu)選目錄，作為設(shè)計(jì)選擇、質(zhì)量與可靠性管理和采購(gòu)的依據(jù)，應(yīng)嚴(yán)格按照優(yōu)選目錄來選擇元器件，超目錄選擇應(yīng)嚴(yán)格審批；優(yōu)選目錄的內(nèi)容應(yīng)包括：元器件名稱、型號(hào)、主要技術(shù)參數(shù)、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量等級(jí)、封裝外形以及生產(chǎn)商等欄目?jī)?nèi)容；優(yōu)選目錄應(yīng)根據(jù)型號(hào)研制和生產(chǎn)的不同階段來進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

c）對(duì)元器件選用進(jìn)行全過程控制

包括對(duì)元器件的選擇、采購(gòu)、監(jiān)制、驗(yàn)收、篩選、破壞性物理分析 （DPA）、保管、使用、電氣裝配、通電調(diào)試、靜電防護(hù)和失效分析等全過程進(jìn)行質(zhì)量與可靠性管理，制定裝備的元器件質(zhì)量與可靠性控制要求。流程圖如圖1所示。

下面對(duì)元器件選用與控制過程中的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)做簡(jiǎn)單的介紹：

5.2.1 元器件二次篩選

元器件的篩選分為 “一次篩選”和 “二次篩選”兩類。元器件在交付用戶使用前按元器件的產(chǎn)品規(guī)范 （總規(guī)范、詳細(xì)規(guī)范）進(jìn)行的篩選被稱為“一次篩選”。使用方在采購(gòu)以后根據(jù)使用要求進(jìn)行的再次篩選被稱為 “二次篩選”。

圖1 元器件設(shè)計(jì)、使用全過程流程圖

高可靠性的元器件是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出來的，但是，即使再好的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)控制還是不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些缺陷、質(zhì)量不符合要求的產(chǎn)品。二次篩選就是針對(duì)不同的失效模式進(jìn)行一些試驗(yàn)以剔除不合格的、或由于某種缺陷會(huì)引起早期失效的元器件。這種手段已被證明是行之有效的方法。但有一種錯(cuò)誤觀點(diǎn)必須澄清，即認(rèn)為通過了二次篩選的元器件至少達(dá)到了什么質(zhì)量等級(jí)了。元器件的固有可靠性水平，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)完畢后，實(shí)際就確定了，通過二次篩選是不能提高元器件個(gè)體的固有可靠性水平的，最多可以認(rèn)為通過剔除不合格品，從生產(chǎn)批次的角度上講，改善了批次的固有可靠性水平。元器件二次篩選的原則:

a）對(duì)型號(hào)研制中采用的元器件應(yīng)實(shí)行100%的二次篩選，這樣才能最大限度地剔除存在有某種失效模式的元器件。

b）元器件供應(yīng)單位所進(jìn)行的篩選，其篩選條件 （項(xiàng)目和應(yīng)力）低于訂貨單位要求時(shí)，必須進(jìn)行二次篩選。

c）針對(duì)產(chǎn)品的用途進(jìn)行有選擇性的篩選。例如：抗幅照能力的考核就是一個(gè)特例。對(duì)宇航電子設(shè)備是必須考慮的，對(duì)地面電子設(shè)備則基本上可以不考慮。

d）對(duì)由于手段問題不能進(jìn)行篩選的元器件，需采取其它的控制方式來保證其質(zhì)量。例如：大規(guī)模進(jìn)口集成電路，可采用拷機(jī)的方法進(jìn)行 （即將不具備篩選條件的元器件裝配到電路板中，進(jìn)行溫度應(yīng)力或電應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)）。

e）表貼元器件的封裝形式一般是盤封，主要用于表面貼裝生產(chǎn)線，篩選后將會(huì)影響焊接質(zhì)量與可靠性，故不宜進(jìn)行二次篩選。

f）考慮到二次篩選的局限性，必須嚴(yán)格控制它的批允許失效百分比 （PDA）。

二次篩選不可能將所有的缺陷全部剔除，也不可能提高元器件的質(zhì)量等級(jí)，它的作用只能改善元器件的批質(zhì)量。因此，已經(jīng)確定滿足整機(jī)要求的元器件應(yīng)盡量不做電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的篩選項(xiàng)目，只做一些必要的檢查性和測(cè)試性的篩選項(xiàng)目。

5.2.2 元器件的破壞性物理分析 （DPA）

破壞性物理分析 （DPA）是通過微觀物理手段來確定產(chǎn)品質(zhì)量的一種分析檢驗(yàn)方法，它能反映出元器件二次篩選過程中不可能發(fā)現(xiàn)的一些缺陷，對(duì)前期質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)工藝有較大改進(jìn)類元器件應(yīng)進(jìn)行破壞性物理分析試驗(yàn)，其目的是驗(yàn)證電子元器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料和工藝質(zhì)量是否滿足預(yù)定用途或有關(guān)規(guī)范的要求。

對(duì)一個(gè)批次的元器件、抽樣進(jìn)行DPA是對(duì)元器件二次篩選工作的有益補(bǔ)充。破壞性物理分析的有效性在于，有些隱藏得很深的缺陷，在試驗(yàn)過程中根本發(fā)現(xiàn)不了，但在解剖后卻能輕易地發(fā)現(xiàn)。如水氣含量過高，它的失效模式是一種進(jìn)行式的失效，前期一般發(fā)現(xiàn)不了，但隨著時(shí)間的推移，它會(huì)逐漸引起鋁條、引線的腐蝕，最終導(dǎo)致失效。這種失效模式在二次篩選過程中幾乎發(fā)現(xiàn)不了，但在做破壞性物理分析的水氣含量試驗(yàn)這個(gè)項(xiàng)目時(shí)卻很容易發(fā)現(xiàn)。所以DPA的結(jié)果往往是做出整批拒收的重要依據(jù)之一。開展DPA的一般原則是：

1）重要型號(hào)或一般型號(hào)的重要電子產(chǎn)品所選用的元器件需作DPA；

2）器件的等級(jí)低于型號(hào)要求的元器件；

3）未能按型號(hào)要求進(jìn)行補(bǔ)充篩選的元器件；

4）在試驗(yàn)中曾發(fā)生故障的同批次元器件；

5）超過貯存期的元器件，做DPA試驗(yàn)時(shí)要合理選擇項(xiàng)目、選擇有關(guān)部門認(rèn)證的DPA試驗(yàn)室進(jìn)行。

5.2.3元器件失效分析

失效分析是發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的重要途徑，在產(chǎn)品測(cè)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等過程中發(fā)現(xiàn)元器件失效時(shí)，對(duì)于典型失效或批次質(zhì)量問題的元器件，元器件質(zhì)量控制部門應(yīng)組織有關(guān)技術(shù)人員和質(zhì)量控制人員共同進(jìn)行失效分析，明確失效機(jī)理，查明失效原因；對(duì)于關(guān)鍵的、重要的元器件，失效、重復(fù)多次出現(xiàn)失效而原因不明的元器件以及選用的質(zhì)量等級(jí)不明或偏低的元器件，應(yīng)將其作為重點(diǎn)，可由專業(yè)的失效分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。通過失效分析可以改進(jìn)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)關(guān)鍵工序的管理，使產(chǎn)品的可靠性不斷提高。

由于失效樣品的數(shù)量極少，來之不易 （往往經(jīng)長(zhǎng)期試驗(yàn)或使用后獲得），內(nèi)含重要信息，而失效分析過程大都具有破壞性和不可恢復(fù)性，為防止丟失證據(jù)或引入新的失效機(jī)理，失效分析應(yīng)按如下程序進(jìn)行：

1）收集失效現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；

2）電測(cè)并確定失效模式；

3）非破壞性分析；

4）打開封裝；

5）鏡檢；

6）通電激勵(lì)芯片；

7）失效定位；

8）對(duì)失效部位進(jìn)行物理和化學(xué)分析；

9）綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施。

5.2.4 電子元器件的正確使用

電子元器件在應(yīng)用時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)問題：

a）降額使用

經(jīng)驗(yàn)表明，元器件失效的一個(gè)重要原因，是由于它工作在允許的應(yīng)力水平之上，因此，為了提高元器件的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命，必須有意識(shí)地降低施加在元器件上的工作應(yīng)力 （電、熱和機(jī)械應(yīng)力），以使實(shí)際的使用應(yīng)力低于其規(guī)定的額定應(yīng)力。

b）熱設(shè)計(jì)

電子元器件的熱失效是由于高溫導(dǎo)致元器件的材料劣化造成的。由于現(xiàn)代電子設(shè)備所用的電子元器件的密度越來越高，使元器件之間通過傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流產(chǎn)生熱耦合，熱應(yīng)力已成為影響元器件可靠性的重要因素之一。因此，在元器件的布局、安裝等過程中，必須充分考慮到熱的因素，進(jìn)行有效的熱設(shè)計(jì)和環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)。

c）抗輻射問題

在航天器中使用的元器件，通常要受到來自太陽(yáng)和銀河系的各種射線的輻射而被損傷，進(jìn)而使整個(gè)電子系統(tǒng)失效，因此設(shè)計(jì)人員必須考慮輻射的影響，需要時(shí)可以采用一些抗輻射加固的半導(dǎo)體器件。

d）防靜電損傷

為解決靜電帶來的器件失效，在器件設(shè)計(jì)和使用上必須采取防靜電措施。如在器件輸入端加上防靜電損傷的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，操作場(chǎng)所必須采取防靜電措施。

e）操作過程的損傷問題

在操作過程中，容易給元器件帶來機(jī)械損傷，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝時(shí)多加留意。

f）儲(chǔ)存和保管問題

例如：庫(kù)房的溫度和濕度應(yīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，不應(yīng)導(dǎo)致有害氣體存在；存放器件的容器應(yīng)采用不易帶靜電及不引起器件化學(xué)反應(yīng)的材料制成；定期檢查有測(cè)試要求的元器件。

6 結(jié)束語(yǔ)

正確選擇和使用電子元器件，對(duì)全壽命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，是提高武器裝備質(zhì)量與可靠性的重要舉措，元器件管理部門應(yīng)制定嚴(yán)格的管理制度，加強(qiáng)元器件失效分析和質(zhì)量信息的反饋，建立使用全過程的質(zhì)量檔案，提供有價(jià)值的信息和科學(xué)依據(jù)。

[1] 羅雯，魏建中，陽(yáng)輝，等.電子元器件可靠性試驗(yàn)工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 孫青，莊奕琪.電子元器件可靠性工程 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3] GJB/Z 299C-2006，電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè) [S].

[4] GJB 3404-1998，電子元器件選用管理要求 [S].