提高电子元器件使用可靠性的方法

环境适应性和可靠性|ENVIRONMENTALAPAPTABILITY&RELIABILITY 提高电子元器件使用可靠性的方法 MethodstoImprovetheoperationaIReliabilityofElectronic ElementsandDevice 中国电子科技集团公司第28研究所 于迎 YUYing ％ 摘要：针对实际工作中元器件使用可靠性方面存在 的问题，本文通过在实际工作的积累和技术研 究总结，在电子元器件的选择与检测控制等方面， 提出了提高电予元器件使用可靠性的方法。实践证 明，这些方法可以直接应用于电子元器件的工程选 择与检测控制。 关键词：电予元器件；可靠性；检测 Abstract：Inviewoftheoperationalreliabilityof electronicelementsanddeviceisnotsatisfactory inpractical，themethodsofimprovingthereliability basedonworkingexperiencesandresearchsum—up areputforward，especiallyinelectronicelements anddevicechoiceandtest．Thepracticeprovesthat themethodscanbeapplieddirectlyinelectronic elementsanddevicechoiceandtest． Keywords：electronicelementsanddevice；relia— bility；test 电子设备一般由大量的电子元器件构成，系统 则由多台电子设备组成。在设备和系统中的电子元 器件通常是一种可靠性串联模型，即一只电子元器 件的失效就有可能导致设备和系统丧失局部乃至全 部功能，对于大量使用电子元器件的大型设备和复 杂系统来说，这一问题更为突出。例如要使由1000 只元器件(假设为可靠性串联模型)组成的设备具 有0．99的可靠度，则构成其的电子元器件必须有 0．99999的可靠度。因此可以说电子元器件的可靠 性是各类电子设备可靠性的基础和核心，而有些从 事设备系统设计人员对影响元器件可靠性的因素没 有全面的了解，使得元器件的可靠性潜力没有得到 充分的发挥，而且还可能因选择不当降低可靠性。 1电子元器件可靠性问题的提出 1．1电子设备的复杂程度在不断增长 电子设备复杂程度的重要标志是所需元件的数量 一19一环境技术2008年08,q第4期 越来越多。一般说来，电子设备所用的元器件数量 越多，其可靠性问题就越严重，对于串联系统来说， 其设备可靠度为所用元器件可靠度的乘积。在实际 工作中，时常遇到因为一个电解电容失效而引起整 个设备系统瘫痪的情况。 1．2电子设备的使用环境日益严酷 电子设备的使用范围从实验室到野外，还有使用 在热带、寒带等地的。各种不同地方的电子设备经 受不同的环境条件。一般说来，使用条件越严酷， 设备失效的可能性就越大，所以对可靠性要求就越 高。我们在做设备环境试验时常常碰到这种情况： 常温下设备工作一切正常，但在做高温或低温试验 时设备工作异常。如某品牌网络控制器在高温试验 后，不能正常启动，经检查是电源模块失效应起的。 1．3电子设备的装置密度在不断增长 如集成电路由SSI经MsI发展NUJLSI，VLSI，ULSI， 装置密度不断增高，因而集成电路内部的环境温度 上升，所以对可靠性的要求也不断提高。 2电子元器件的选择 元器件是构成设备系统最基本的，要保证 设备系统的可靠性，首先必须合理地选用元器件。 选择电子元器件一般遵循如下原则。 2．1列入军用电子元器件合格产品清单(OPt-) 的元器件 被列入QPL清单的元器件满足以下条件： (1)生产厂家和生产线通过国家级合格认证： (2)生产过程得到严格的控制，产品通过性能检 验、可靠性试验和质量一致性检验； (3)按要求的筛选条件进行了100％筛选； 万方数据 ENVIRONMENTALAPAfyrABILITY&RELIABILITY环境适应性和可靠性■圈 (4)生产和检验完全按照军用规范进行。因 此，它的质量和可靠性得到有效的保证。 2．2列入单位《元器件优选手册》中的元器件 编写适合本单位应用的元器件优选手册。对有效 控制元器件的质量，提高设备系统的可靠性起到非常 重要的作用。 2．3正确选择元器件的质量等级 元器件的质量等级对可靠性影响很大。以国产集 成电路为例，选择A3类、C2类质量等级的器件，失 效率相差56倍，但A3类比c2类器件的价格也高许多 倍，所以，选择元器件的质量等级要根据设备系统 的重要程度、使用条件、可靠性要求合理选用。 2．3．1半导体分立器件的质量等级 (1)国产半导体分立器件的质量等级 根据GJB33A--97规定，军用半导体分立器件的 质量保证等级从低到高，分为普军级、特军级和超 特军级三类；分别用字母JP、JT和JCT表示，军用和 其他质量等级见表1。 表1国产半导体分立器件质量等级 质量等级 质量要求说明 补充说明 A1 执行GJB33，且经认证合格的GCT级产品 A2 执行CJB33，且经认证合格的GT级产品 A A3 执行GJB33。且经认证合格的GP级产品 按OZJ840611A。”七专”技术条件组织生产的产品 A4 执$亍GB4936．1。且经认证合格的II类产品按QZJ840611～840613”七专”技术条件组织生产的产品 执行GB4936．1的1I类产品；执行GB9493的产品； B1 按7905”七专”技术协议组织生产的产品 按军用标准筛选规范进行的B2质量等级的产品 B 执行GB4936．1的I类产品；执行S12248的产品； B2 执行sJ614产品执行sJlOl的产品 执行S亿z13的产品 C C 低档产品 (2)集成电路质量等级 表2国产集成电路质量等级 质量等级 说明 A1 符合GJB597的S级 A2 符合GJB597的S级 A A3 符合GJB597的B1级 A4 符合GJB597．1的lI类：$J33l的I类 sj331的II类； B1 B 按GJB597筛选的B1质量等级 B2 SJ331的IIl类 Cl $J33l的Ⅵ类 C C2 低档产品或有机材料封装的产品 (3)进口集成电路质量等级 表3进口集成电路质量等级 质量等级 说明 常用名称 S 符合MIL—M一38510的S级 38510． S—l 符合MIL—STD一975 JAN．(QPL) 或MlL——SDTD——l547 B 符合MILM一38510的B级 军用军标 B一1 符合MIL—sTD一883c的1．2．1节DESC，883 或符合DESCDrawing 部分符合MIL—sTD一883c的准833B一2 1．2．1节 D 密封，有正规可靠性筛选和生 产质量保证 D—l 有机材料封装 万方数据 环境适应性和可靠性IENVIRONMENTALAPAPTABILITY&RELIABILITY 2．4选择标准和通用元器件 尽量选择标准和通用元器件，慎重选用新品种和 非标准元器件，不要选择即将淘汰停产和按规定禁 用的元器件。由于新型元器件没有经过现场使用的检 验，稳定性和可靠性一般达不到成熟品种的可靠性水 平，因此，使用前要严格地试验和认真地评审。选用 即将被淘汰停产的元器件，会为日后设备系统批量生 产及维修留下隐患。 2．5弄清元器件型号标志含义，提供完整的元 器件型号 每个生产厂的元器件命名方法及字母含义各不相 同。元器件标志上的字母不仅反映型号、规格、制造 商，而且还反映使用环境条件、质量等级和封装型式 等，提供元器件清单时，如果没有按字母含义写完 整，采购的元器件往往不能满足设备系统的质量要求 及装配要求。 有些元器件供应商就是利用采购人员搞不清器件 标志上的字母含义，以民品充军品高价销售。军品 与民品元器件的区别，不仅是环境温度不同，最主要 的区别是在军用环境下的可靠性，有些单位认为自己 购买的是国外”军品”，实际上很多所谓”军品”不过 是工业级产品。误认为54系列就是军品，其实54系列 只不过是一个温度等级，由于其环境工作温度范围为 一55～+125℃，因此采用陶瓷封装而不采用塑封。还 有一些单位认为自己用的是883军标条件的电路，应 该是真正的军品了，实际上真正符合美国军标883条 件的器件，不单是经过军标条件的筛选，其生产线的 质量保证体系需经美国军方的认可，并有严格的认 证、考核、验收体系。通常器件外壳上标有“883”、 “883B”或“883S”标志，有的标有“DESC”图纸号。 由于各个公司微电路产品的命名方法、质量等级 标注各不相同，所以在选择器件时一定要搞清各个公 司标志上的字母含义，以防搞错。 2．6封装形式 所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外 壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增 强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部与外部 一21一环境技术2008年08月第4期 电路的桥梁，芯片上的接点用导线连接到封装外壳 的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他 器件建立连接。因此，选择不同的封装形式对集成 电路的可靠性都起着重要的作用。 2．6．1DlP封装 DIP封装结构形式有：多层陶瓷双列直插式、单层 陶瓷双列直插式、引线框架式。其特点是：适合PCB 的穿孔安装；}=F,TO型封装易于对PCB布线；操作方便。 2．6．2芯片载体封装 芯片载体封装结构形式有陶瓷无引线芯片载体 LCCC、塑料有引线芯片载体PLCC、小尺寸封装SOP、 塑料四边引出扁平封装PQFP，其特点是： (1)适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布 线；操作方便； (2)封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高 频应用；可靠性高； 2．6．3BGA封装 球栅阵列封装，简称BGA。其特点有： (i)I／0引脚数虽然增多，但引脚问距远大于QFP， 从而提高了组装成品率； (2)虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷 芯片法焊接，可以改善它的电热性能； (3)厚度EtQFP减少1／2以上，重量减轻3／4以上； 组装可用共面焊接，可靠性高； (4)寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频 率大大提高； 3元器件降额设计 所谓降额设计，就是使元器件运用于比额定值 低的应力状态的一种设计技术。为了提高元器件的 使用可靠性以及延长产品的寿命，必须有意识地降 低施加在器件上的工作应力(如：电、热、机械应 力等)，降额的条件及降额的幅度必须综合确定， 以保证电路能可靠地工作。 降额的措施根据元器件类型而确定，如电阻降 额是降低其使用功率与额定功率之比；电容器降额 万方数据 ENVIRONMENTALAPAPTABILITY&RELIABILITY环境适应件和可靠性■积目曩 是使工作电压低于额定电压；半导体分立器件降额 是使功耗低于额定值。 元器件的降额，通常有一个最佳的降额范围， 因此，应根据元器件的具体应用情况来确定适当的 降额水平。因为若降额不够则元器件的失效率会比 较大，不能达到可靠性要求；反之，降额过度，将 使设备在重量、体积、成本方面付出较大的代价， 还可能使元器件数量产生不必要的增加，这样反而 会使设备可靠性下降。 4热设计 由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来 越高，这将使元器件之间通过传导、辐射和对流产生 热耦合。因此，热应力已经成为影响电子元器件失效 率的一个最重要的因素。对于某些电路来说，可靠性 几乎完全取决于热环境。所以，为了达到预期的可靠 性目的，必须将元器件的温度降低到实际可以达到的 最低水平。有资料表明：当温度超过允许的环境温度 时，温度每提高107，元器件寿命约降低l／2。热设计 包括散热、加装散热器和制冷三类技术， 在热设计 中，最常采用的方法是加散热器，其目的是控制半导 体的温度． 5元器件的检测与筛选 为了使元器件满足设备系统性能要求， 检测与筛选。 素相当多。即便是在合理的设计和成熟工艺条件下， 依然会因为材料缺陷、辅料质量、设备故障、环境因 素、人为误操作等各方面的原因，造成部分器件在生 产过程中就引入一些内在缺陷。对于这些有缺陷的器 件只有通过严格的筛选和测试加以剔除。集成电路测 试主要有功能测试、直流参数测试和交流参数测试。 功能测试可以剔除那些丧失基本逻辑功能的器件， 但对于基本逻辑功能正常而某些直流或交流参数超差 的器件却无能为力；直流参数测试可以发现大多数在 工艺生产过程中引入缺陷的的器件；交流参数测试可 反映被测器件的频率特性和开关特性。 5．2．2电容器的检测 电容器是电子设备中用得最多的电子元器件之一。 它的质量好坏直接影响到设备的性能，同时也是容易 失效的元器件。在检查电容器时，主要检测电容量、 漏电流、耐压等指标。对于电解电容特别要检测高温 状态下漏电流指标。 5．2．3半导体分立器件的检测 对于三极管主要检测电流放大倍数、击穿电压、 饱和压降等指标。对于二极管主要检测正向压降、击 穿电压等指标。 必须进行 6结束语 5．1筛选 所谓筛选，就是对电子元器件施加一种应力或多 种应力试验，暴露元器件的固有缺陷而不破坏它的完 整性。筛选项目一般有：高温存贮、高低温循环、高 温功率老化等。它是剔除元器件多种潜在故障的有效 措施。 5．2元器件的检测 对于不同的电子元器件应配有专用的测量仪器。 5．2．1集成电路的测试 集成电路的制造工艺相当复杂，影响其质量的因 元器件的正确选用及检测控制是设备系统可靠性 设计中的重要环节，它对设备系统的性能和可靠性影 响很大，因此，在选择元器件时，不但要满足设备系 统电性能指标要求，而且要从多方面综合考虑。这一 点应在设备系统可靠性设计中加以重视。 参考文献 【1】陆延孝、郑鹏洲，可靠性设计与分析，国防工业出版 社1995年 f21GJB／Z299B一98电子设备可靠性预计手册1998 【3】3 GJB／Z35—93元器件降额准测1993 【4】杨吉祥编著数据域测试技术及仪器科学术版社 1990血 作者简介：于迎，女，毕业于南京航空航天大学，中国 电子科技集团公司第28研究所检测试验室工作。 万方数据 提高电子元器件使用可靠性的方法 作者： 于迎， YU Ying 作者单位： 中国电子科技集团公司第28研究所 刊名： 环境技术 英文刊名： ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2008，26(4) 被引用次数： 0次 参考文献(4条) 1.陆延孝.郑鹏洲 可靠性设计与分析 1995 2.GJB/Z 299B-1998.电子设备可靠性预计手册 1998 3.GJB/Z 35-1993.元器件降额准测 1993 4.杨吉祥 数据域测试技术及仪器 1990 相似文献(10条) 1.会议 张景源.韩勤 军用电子元器件标准与军用电子元器件可靠性 1998 该文依据军用电子元器件标准和规范对两种可靠性保证要求表征方法进行认真分析，对固有可靠性的方法提出了探索性意见。 2.期刊论文 黄苏萍 电子元器件可靠性与检测筛选 -中国新技术新产品2010(4) 电子元器件是电子设备的基础,是保证电子设备高可靠的基本资源,其可靠性直接影响设备的工作效能的充分发挥.电子元器件是电子设备、系统的基 础.随着电子技术的发展,电子元器件在设备中应用数量逐渐增多,对电子元器件的可靠性也提出了越来越高的要求.本文介绍了元器件可靠性的重要性及 利用仪器设备对元器件的电参数特性曲线判断其早期失效. 3.会议论文 牛付林.吴文章 超声波检测技术在研究电子元器件可靠性的应用 2003 超声波检测技术在进行电子元器件可靠性研究方面逐渐表现出了很大的优势,本文从超声波检测技术的原理说起,分析了该技术在保证电子元器件质 量,提高产品可靠性方面的优势,通过大量的实验证明该技术必将有其广阔的应用前景. 4.会议论文 彭苏娥.陈光炳 电子元器件可靠性工艺控制技术探讨 2001 本文根据我国电子元器件目前的生产情况,分析了制造过程产生工艺波动、影响产品质量与可靠性的原因,以及工艺因素与产品主要失效模式的相关 性,并针对这些影响因素,探讨了在生产工艺上进行可靠性控制的技术和方法.为了更好地对元器件生产工艺实施全面、有效的控制,本文提供了进行产品 可靠性工艺控制的基本程序供参考. 5.学位论文 杨少华 电子元器件的贮存可靠性研究 2006 电子元器件贮存状态下的可靠性，对于“长期贮存，一次使用”的军用电子装备而言，具有重要意义。通过开展电子元器件的长期贮存试验，对其 进行考核和评价，使之能为装备可靠性设计提供参考、依据和基础数据，是一项重要的任务。 首先，介绍了贮存状态下环境应力对电子元器件的影响。详细论述了热效应、化学效应、及辐射损伤等对器件的影响。器件内部材料的热不匹配是 热应力产生的内因，贮存环境温度变化是外因。化学效应能对器件的外引线、封装、及芯片内部的金属化系统、金-铝接触、内引线等造成腐蚀。 其次，论述了电子元器件两种贮存可靠性评价的方法：自然贮存评价和加速应力评价，同时也详细介绍了本研究的试验方案。根据目前的试验结果 ，总结了失效率数据，同时也统计分析了器件在贮存期间性能变化，以及不同贮存地区之间非工作可靠性的差异。 第三，研究了电子元器件贮存状态下的失效模式和失效机理。试验结果表明，腐蚀、键合缺陷和贴装失效是造成器件非工作失效的主要原因。并根 据试验中暴露的失效模，分析原因、提出了相应的设计改进措施，以提高其固有可靠性。 最后，试验数据的处理以及寿命预测方法的研究一直是本研究的难题，至今国内外没有成熟的方法和标准可以参考，这里借鉴了其他方法在预测上 的应用，引入灰色系统理论和BP神经网络模型来处理试验数据，预测其贮存寿命。预测结果表明具有一定的准确性。这在寿命预测方法上进行了新的探 索，但是它是建立在数据统计基础上的，应进一步考虑与失效物理模型的相结合。 6.期刊论文 王芳萍.WANG Fang-ping 某型航空用超期电子元器件的使用问题探讨 -电子产品可靠性与环境试验 2009,27(6) 长期以来,航空电子元器件的超期使用问题一直都是航空电子产品可靠性研究的一个重要课题.从元器件的固有可靠性和使用可靠性两个方面,对 CBCB118双达林顿管在某型航空产品上的使用问题进行了分析和探讨. 7.会议论文 杨丹.恩云飞.黄云 电子元器件的贮存可靠性及评价技术 2004 贮存可靠性是元器件可靠性研究的重要方面.阐述了国内外元器件的贮存可靠性研究现状,从应用性角度出发,对现场贮存、长期自然贮存试验、极限 应力、加速贮存寿命试验等贮存可靠性评价技术进行了对比分析. 8.会议论文 于迎 提高电子元器件使用可靠性的方法 2006 本文针对实际工作中元器件使用可靠性方面存在的问题,从电子元器件的选择与检测控制等方面总结了提高电子元器件使用可靠性的方法. 9.会议论文 钟开云 国内外军用电子元器件可靠性对比研究 1998 该文在收集了16000多条国内外标准目录和几万条元器件性能对比的资料以及一万多年条器件失效数据的基础上，将元器件分成10大类125小类727种 ，并对主要元器件的性能测试方法、可靠性试验方法作了深入的分析对比，指出CJB、GB与MIL、或IEC的异同点；国产电子元器件与国外同类型产品性能 上的差异；国产电子元器件的主要失效模式为击穿、表面损伤、参漂、接触不良、引线断裂等。该课题将有关数据资料按专题建立了数据库、数据库采 用模块结构，其模糊查询的方法极大地方便了用户，采用编码的方式使数据库易于扩展。 10.学位论文 余斌 航天电子元器件质量保证体系研究 2009 由于航天工业技术的发展，单一航天型号使用的电子元器件数量越来越多，航天型号使用的元器件的质量与可靠性要求也越来越高。随着我国电子 元器件工业基础水平的逐步提高，生元器件产单位在元器件设计、原材料选用、工艺、生产制造等过程中的质量控制水平有所提高，电子元器件的固有 质量有了显著提高。但是与当前航天型号高可靠的要求相比，目前国产电子元器件的质量与可靠性还不能完全满足航天型号的要求。因此，需要元器件 的使用方即航天企业的整机用户在元器件的选择、采购、筛选、检测和使用等过程中，加强质量保证控制，确保元器件使用的质量。元器件的用户质量 保证工作在当前形势下显得尤为重要。 本文在分析美国国家航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)以及航天科技集团公司航天型号使用的电子元器件质量保证工作的现状的基础上，针对航天型 号元器件配套的外部环境、航天型号配套电子元器件的特点以及航天科技集团公司的元器件质量保证工作的具体情况，对航天电子元器件质量保证工作 组织体系进行设计，对元器件质量保证的基础管理提出了要求，明确了元器件保证各环节工作流程，其意义在于加强航天电子元器件质量保证工作体系 建设，提升航天型号配套电子元器件使用质量保证工作，提高电子元器件的质量与可靠性，确保航天型号研制生产任务的顺利进行。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hjjs200804007.aspx 授权使用：哈尔滨理工大学(heblgdx)，授权号：7a9d3fe8-38ae-48bf-b0a5-9ea300ef78fb 下载时间：2011年3月11日