軍用電子元器件可靠性篩選試驗(yàn)流程創(chuàng)新研究

蒲曉明，高景旭

（陜西省電子技術(shù)研究所，陜西西安，712000）

0 引言

電子元器件作為電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)組成單元，其可靠性直接影響著成品的質(zhì)量和壽命。軍用電子元器件的可靠性更是關(guān)乎裝備質(zhì)量與壽命，甚至?xí)绊憫?zhàn)局的走勢，因此必須高度重視。業(yè)界已經(jīng)形成較為完備的元器件可靠性篩選試驗(yàn)體系，比如小型衛(wèi)星中的電子器件的構(gòu)造分析技術(shù)研究，小利潤小成本商用衛(wèi)星的零件替補(bǔ)篩選技術(shù)條件探討，航空航天基本器件的質(zhì)量調(diào)控研究，溫度交替中包裝的器件時(shí)效性實(shí)用性評估分析等[1]。當(dāng)代電子科技的跨越性發(fā)展，電子元器件的種類與集成度遵循摩爾定律不斷推陳出新，封裝形式、引腳數(shù)量、工作電壓等參數(shù)復(fù)雜多變，為元器件可靠性篩選試驗(yàn)提出了不小的挑戰(zhàn)，原有的篩選試驗(yàn)流程已經(jīng)不能滿足當(dāng)前元器件發(fā)展的現(xiàn)狀[2]?？煽啃栽囼?yàn)的快速高效成為當(dāng)前亟需創(chuàng)新的問題領(lǐng)域。基于此，結(jié)合工作實(shí)際，通過總結(jié)分析現(xiàn)有流程的薄弱環(huán)節(jié)，嘗試改變其中的某些環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)簡化流程提高篩選效率的目的。

1 軍用電子元器件可靠性篩選試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

隨著常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料生產(chǎn)工藝的完備，由加工技術(shù)導(dǎo)致的產(chǎn)品失效的情況正在減少，更多的是因?yàn)楦鞣N電子元器件的使用不當(dāng)引起的。通過總結(jié)近年來電子元器件的故障和失效原因，分析其可靠性隱患。主要失效原因和所占百分比如圖1所示。

圖1 元器件失效模式占比圖

電子元器件失效的外顯狀況有兩種，其一為生產(chǎn)、周轉(zhuǎn)、裝配、使用過程中造成的表面損傷引發(fā)的器件功能受損，導(dǎo)致的器件可靠性變差；其二為元器件本身制造缺陷遺留的隱性故障，在特定的條件下被激發(fā)而產(chǎn)生的整個(gè)元器件失效?；谝陨蠑?shù)據(jù)，軍用電子元器件的可靠性的重要不言而喻。設(shè)計(jì)有效篩選電子元器件的流程刻不容緩。

1.1 分立器件篩選設(shè)計(jì)

通過上述分析，探究電子元器件的失效根源。在可靠性篩選試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電子元器件主要有早期失效、偶然失效、耗損失效三個(gè)階段。如下圖2所示。

圖2 元器件失效階段示意圖

從上圖可以做出推斷，通過試驗(yàn)手段剔除掉早期失效電子元器件，將帶有質(zhì)量隱患的器件隔離在使用門檻之外，保證正常工作狀態(tài)并且失效的機(jī)會(huì)少，進(jìn)而提高電子元器件的可靠性?；谏厦娴南敕?，設(shè)計(jì)軍用電子元器件可靠性篩選流程為：高溫存儲(chǔ)-交替循環(huán)-加速度-功率質(zhì)量檢測-高溫抗壓測試-低溫抗壓測試-常溫測試-檢漏-視覺包裝檢查。

設(shè)計(jì)分立器件的有效性實(shí)驗(yàn)。第一是在高溫度環(huán)境下的耐熱度儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)[3]。注意變量不考慮應(yīng)用中的電壓與零件規(guī)格值的比值，在這種條件下觀察高溫度對元器件儲(chǔ)存的影響。

第二需要進(jìn)行低溫高溫交替儲(chǔ)存試驗(yàn)。為了測試元器件在低溫和高溫的特殊情況的抗壓能力和對冷熱交替的承受度。

第三進(jìn)行加速度試驗(yàn)，確定元器件的最大離心力承受數(shù)值。

顆粒碰撞噪聲檢測，檢測元器件空腔內(nèi)的微小顆粒，針對這些殘留顆粒需要在真空滅弧室經(jīng)過若干次擊穿或者暴露表面經(jīng)受離子轟擊，消除微觀凸起和殘留雜質(zhì)等[4]。

第五，進(jìn)行氣體密封性能試驗(yàn)；X光檢驗(yàn)，最后進(jìn)行電參數(shù)測量，檢測器件各項(xiàng)性能數(shù)值是否滿足規(guī)范要求。針對高質(zhì)量高要求的產(chǎn)品，列出了器件性能自檢表。

表1 元器件檢查表

9 常溫終測 常溫，按相應(yīng)期間規(guī)范10 允許不合格率 ≤10%

實(shí)際使用中，要根據(jù)器件的封裝，選取合適的項(xiàng)目。工作實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，加速度測試、對器件內(nèi)多余粒子碰撞噪聲檢測試驗(yàn)、密封性檢驗(yàn)對塑封和玻璃封裝以及灌封都不適用。

1.2 集成電路篩選設(shè)計(jì)

集成電路品種很多，大體可以分為單獨(dú)集成電路和混合式集成電路。進(jìn)口的產(chǎn)品質(zhì)量需要達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，所以進(jìn)行可靠性篩選檢測。規(guī)定高溫低溫交替實(shí)驗(yàn)的次數(shù)增長為五十次，加速度的數(shù)值也比之前的高，大概比之前增長10000g。對電路板上的輕微凸起和顆粒殘留的去除技術(shù)還可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，以及在清理完成前后需要對產(chǎn)品的各項(xiàng)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行變量的計(jì)算。在篩查過程中X光檢測對所有產(chǎn)品都適用。對于高質(zhì)量等級的產(chǎn)品，一般文件齊全并且標(biāo)注的數(shù)值比較可靠，所以在初步篩查的時(shí)候只需要進(jìn)行比較基礎(chǔ)的檢測手段就可以滿足可靠性要求標(biāo)準(zhǔn)。而一般等級質(zhì)量的元器件，需要加大篩選力度也就是將溫度交替檢測、高溫檢測和功率老煉的次數(shù)和數(shù)值提升上來。

2 對比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某國營制造廠制作的元器件，進(jìn)行篩選流程實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)：硅材料之下的三塊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外延擴(kuò)展分散的平面型，金屬真空密封型。

特點(diǎn)：開關(guān)工作間隔時(shí)間短，運(yùn)行頻率大于20Hz，飽和壓力數(shù)值一般為0.2V。

室溫下初次檢測：按照各項(xiàng)手冊標(biāo)準(zhǔn)要求，在室溫下檢測，各項(xiàng)數(shù)值結(jié)果都符合相關(guān)要求。

高溫貯存：GJB128A-1997 方法 1031

貯存溫度：175℃貯存時(shí)間：24h。

溫度循環(huán) ：GJB128A-1997 方法 1051

循環(huán)溫度：-55℃-175℃

高低溫交替實(shí)驗(yàn)次數(shù)：10次。先極端低溫保持三十分鐘，再極端高溫保持三十分鐘，兩種溫度環(huán)境的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于一分鐘。樣品在十五分鐘內(nèi)達(dá)到規(guī)定的安全溫度。

加速度：時(shí)長一分鐘，對于測溫的熱電偶溫度達(dá)到25℃時(shí)，額定功率數(shù)值大于等于10W，加速度設(shè)定為1-10000g。

顆粒碰撞噪聲檢測：GJB128A-1997方法2052試驗(yàn)條件B。

二次室溫儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)：依據(jù)相關(guān)的規(guī)定以及手冊的要求，樣品最少在室溫下靜置兩小時(shí)，并在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行二次檢測，各項(xiàng)數(shù)值都符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

殘留粒子清除：常溫下，額定功率，電力的運(yùn)作使得樣品管內(nèi)溫度升高。樣品的三極管在滿足要求的散熱下，器件功率應(yīng)滿足零部件的使用應(yīng)力低于其額定應(yīng)力的曲線要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

運(yùn)用本文提出的檢測流程，得出的參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)樣本參數(shù)表

通過對樣本篩查方法的設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品型號常見的失效模式，確定篩選流程；根據(jù)樣品的電特性和最大規(guī)定數(shù)值，確定篩選單位面積上所承受的力；根據(jù)器件使用的篩選方法，確定篩選時(shí)長和次數(shù)，選擇出具有典型性的電力參數(shù)和一定的篩選循環(huán)周期，通過規(guī)定的檢查順序原則確定篩選的步驟。在方案實(shí)行的過程中，記錄下的相對應(yīng)的數(shù)值參數(shù)，這些參數(shù)在進(jìn)行對比之后分析滿足質(zhì)量要求，同時(shí)在各種外力的壓力測試之下無形變。對比傳統(tǒng)的對電子元器件的篩選流程得出的各項(xiàng)參數(shù)，本文提出的流程得出的結(jié)果更加可靠。