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二次筛选中电子元器件的可靠性保障

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前言


现代的社会,航天事业正进行得如火如茶。经历了血的教训与洗礼,人们越来越重视可靠性工程的研究与探索。电子元器件可靠性是可靠性工程的基础,也是可靠性工程中最为复杂的工作。从生产,到二次筛选,再到装机调试和最后投入运用这一过程当中,电子元器件的可靠性保障都是十分重要的。特别是二次筛选,要严把质量关,才能更为有效的避免不必要的损失。在二次筛选的过程当中,除了剔除原有的早期失效的电子元器件还有可能会由于检测试验的操作不当、防护不当等引入其他缺陷或许隐患。如航天某厂由于在存放时将一钽电容极性放反而导致附近的电子元器件在装机使用过程中出现失效。静电损伤的现象更是层出不穷。


所以在二次筛选过程中做好电子元器件的可靠性保障工作是十分重要的。


 


二次筛选中电子元器件可靠性保障


1.     环境对电子元器件的影响








导带







价带







禁带







E

电子元器件都有一个运用环境要求,特别是温湿度、电应力和机械应力的要求。像温度传感器、热敏电阻这些对温度比较敏感的器件,在贮存和转运过程中,应该尽量在贮存常温条件下,转运时尽量热阻较高、导热性能差的容器进行转运。否则容易发生温度剧变导致器件失效或许长时间的高温状态而导致器件热应力疲劳。


在检测试验时,应该保证电信号的稳定性,否则易发生由于电浪涌等而造成的过电应力损伤。


对于电子元器件,一般应该轻取轻放,否则容易造成外形变形或尺寸变化。电子元器件在插入或拔出测试夹具时不能猛插猛取,否则会由于用力过大而造成机械损伤或机械应力疲劳;在保证接触良好的状态下,对器件管脚施加的应力应该越小越好。


贮存湿度不能过高,否则容易发生管脚表面腐蚀或许电性能恶化。QJ2227-92《航天用电子元器件贮存和超期复验要求》A2规定了电子元器件的有效贮存期和贮存环境,贮存的湿度越高,其有效贮存期就越短。


另外,像光电器件类对辐射敏感的器件应该尽量远离辐射源,否则容易造成辐射损伤。


2.静电防护


2.1 静电来源:静电的来源比较广泛,日常生活中常见的如摩擦起电,感应生电,人体与尘埃。工业生产中,由于机械的运动,电磁感应等也容易产生静电。所以机械物品上也会存在静电荷。


另外,由于能量量子的辐射与吸收,也会产生电荷。因为在材料中,特别是半导体材料,由于吸收了相应能量量子,使得价带上的电荷得以跃迁到导带上形成自由电荷。或许由于辐射能量量子而使得导带上的电荷跃迁到价带,减少了导带电荷而使得电荷不平衡。其示意图如下:


1.电荷跃迁示意图


2.2静电放电模型及分类介绍:当前国际上,静电放电大致可以归纳为三种主要模型:人体模型,机械模型,放电模型。人体模型等效电阻较大,机械模型等效电阻稍小,放电模型是指感应静电荷而产生放电,他可以包括带电器件模型、电场感应模型、带电芯片模型。随着纳米器件的兴起和半导体工艺向纳米级推进,放电模型对电子元器件的影响也将越来越突出和明显。


静电放电级别按元器件类型和静电敏感度进行分类,根据GB1649-93《电子产品防静电放电控制大纲》可分为1级(01999V)、2级(2000V3999V)和3级(4000V15999V)。微波器件、离散型MOS场效应晶体管、声表面波(SAW)器件、结型场效应晶体管(JFETs)、电荷耦合器件(CCDs)、精密稳压二极管、运算放大器、薄膜电阻器、集成电路、使用1级元器件的混合电路、超高速集成电路(VHSIC)等一般均属于1级静电敏感元器件;试验数据确定为2级的元器件和微电路、精密电阻网络、使用2级元器件的混合电路、低功率双极型晶体管(Ptot<100mWIc<100mA)等属于2级敏感元器件;试验数据确定为3级的元器件和微电路、Ptot<1WIo<1A的小信号二极管、普通要求的硅整流器、光电器件、片状电阻等属于3级敏感元器件。


根据不同防静电级别的元器件,要不同程度的提高防静电注意力,做好防静电措施。


2.3静电损伤与静电防护:静电损伤主要是场效应管的绝缘栅、电路的外围器件(保护二极管)、薄膜电阻器、金属化条等,损伤严重的直接会使器件击穿或毁坏器件,有些电路被损伤以后通过外观检查和电参数测试也不能暴露问题,损伤较轻的通过试验和电参数测试也未必能够显示出来,这就给器件的运用留下了隐患。静电损伤后,容易造成器件开路、短路、特性曲线恶化、反向电流加大、频率特性恶化等失效模式。所以,在二次筛选实验室,静电防护也是十分重要的。


静电的防护,除了按照相关标准规范等的规定和要求进行防护外,还应该从静电的来源、静电泄放的条件等方面去考虑。


首先,静电来源方面,主要是人体与衣服摩擦起电、空气中带电尘埃、电磁感应、静电感应、能量量子辐照等造成。因此,我们可以从以下五个方面来减少静电的产生:


.接触电子元器件的相关工作人员的衣服着装方面,应该尽量穿棉质衣服,这样可以减少人体与衣服摩擦产生的静电量,同时也可以减少吸附空气中的带电尘埃。


.检测试验间不应该大面积长时间与外界通风,这样可以减少外界带电尘埃的侵入。


.不适宜采用无静电防护措施的金属盒长距离转运电子元器件,且穿过强电磁辐射区。这样可以减少因电磁感应而产生的静电荷的影响。所有检测仪器的金属外壳应该接地。


.人体靠近强电场区应该带上静电防护手腕,穿上防静电工作服。在强电场区不应该用金属盒放置静电敏感器件。否则容易产生静电放电影响。


.电子元器件,特别是对光电敏感的器件应该避免强光照射,远离大功率能量量子辐射区。


其次,静电泄放方面除相关规范规定外,还要注意以下几个方面:


.防静电工作服不宜频繁搓洗,以免搓坏衣服里面的金属丝而不能更好的释放静电。


.接触电子元器件的工作人员应该尽量穿棉袜,这样能保证脚上静电能更好的通过防静电工作鞋而得到释放。


.使用金属盒放置电子元器件时,应该先对其释放静电;或许将金属盒放置于能够释放静电的地方。


3.破坏性物理分析(DPA)和失效分析(FA)在电子元器件可靠性保障中的作用


破坏性物理分析(以下简称DPA)和失效分析(以下简称FA)是一项新兴工程,起源于二战后期。从20世纪50年代开始,国外就兴起了可靠性技术研究,而国内则是从改革开放初期开始发展。


3.1 FA是质量保证和可靠性保证中不可缺少的技术,电子元器件的失效分析更多的是微观分析。FA是对根据失效判据定为失效的电子元器件所进行的一种事后检查与分析工作。主要指分析和研究失效的发生和影响,确定失效模式,研究判断失效机理,尽可能研讨提供改进措施。


美国军方在20世纪60年代末到70年代初采用了以失效分析为中心的元器件质量保证计划,通过制造、试验暴露问题,经过失效分析找出原因,改进设计、工艺和管理,而后再制造,再试验,再分析,再改进的多次循环,再67年间使集成电路的失效率从7×10-5/h降到3×10-9/h,集成电路的失效率降低了4个数量级,成功的实现了“民兵Ⅱ”洲际导弹计划、阿波罗飞船登月计划。可见FA在各种重大工程中的作用是功不可没的。归结起来,FA的作用有主要以下5点:


Ⅰ 通过FA得到改进设计、工艺或应用的理论和思想。


Ⅱ 通过了解引起失效的物理现象得到预测可靠性模型公式。


Ⅲ 为可靠性试验(加速寿命试验、筛选)条件提供理论依据和实际分析手段。


Ⅳ 在处理工程遇到的元器件问题时,为是否要整批不用提供决策依据。


Ⅴ 通过实施FA的纠正措施可以提高成品率和可靠性,减少系统试验和运行工作时的故障,得到明显的经济效益。


3.2 DPA又叫良品分析,它是作为失效分析的一种补充手段,在进行产品的交付验收试验时,由具有一定权威的第三方或用户进行的一种试验。它的主要特点是对合格元器件做解剖(分解)分析。


DPA的作用:如何减少缺陷是工厂可靠性工作的重要内容。即使是合格品,也可能存在缺陷。对合格品的分析就是采用与失效分析同样的技术方法,调查评估特性良好的电子元器件的缺陷。二次筛选试验中,采取对合格品抽样进行分析的措施,很容易早期发现电子元器件的的缺陷,以反馈给生产厂改进和提高自己的生产工艺等。DPA有利于发现异常批次性的产品,以保证提高装机产品的可靠性。


例如,航天某所在对进口的某批集成电路进行DPA试验时,发现所抽样品和追加样品均有不符合标准规范规定的裂纹,如图2所示。在对某国产云母电容进行的DPA抽样试验中,发现有不少器件端电极与云母片间有较大的空洞,如图3所示。这些都有利于拒用有批次性缺陷的电子元器件,从而更好的保证航天产品的可靠性。


2,芯片边缘裂纹超过127μm


3,云母电容端电极有空洞


总的来说,在二次筛选试验中开展DPA




FA工作,对重大工程产品的质量保障与可靠性提高都有着非常大的作用。


4.其他人为因素造成的影响


 在电子元器件的筛选检测过程中,主要存在以下几种方面失效:


4.1程序设置不当造成电子元器件的检测失效;


4.2极性接反造成元器件失效;


4.3错误信号造成元器件失效;


4.4电应力过冲造成元器件失效;


4.4适配器误用造成电子元器件失效;


4.5插拔方式不当造成机械应力失效;


4.6在存放过程中误将某些有极性的元器件放反等。


这些现象都是曾经有过案例,如某所在检测某一三极管时因程序设置不合理造成该器件烧毁;某厂使用的以钽电解电容在系统调试中发现失效,调查分析原因为该批器件在保存过程中误将其中靠近所使用器件的一只器件极性放反。


 


小结


二次筛选是元器件装机前可靠性的重要保障过程,但是二次筛选的不当操作和防护也能给电子元器件的运用留下隐患或许直接造成失效。所以,在二次筛选检测试验中,从环境保护、操作审查与小心操作、静电防护、DPAFA等方面做好电子元器件的可靠性保障工作是十分关键的。

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