電子元器件使用過程中的可靠性試驗
一、引言
在二十一世紀的今天，電子產(chǎn)品可謂無處不在。大到一個國家的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研，小到我們?nèi)粘Ｉ畹拿?*都離不開電子產(chǎn)品。從使用者角度看，電子產(chǎn)品在基本性能指標滿足使用要求的前提下，*重要的指標是可靠性，所謂可靠性是指電子產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，隨著電子產(chǎn)品的功能越來越多, 程度越來越復雜，使用條件越來越惡劣，對電子產(chǎn)品的可靠性要求也就越來越高。
電子產(chǎn)品是由電子元器件( 以下簡稱元器件) 經(jīng)一定的電氣連接和機械連接構(gòu)成的，所以元器件是完成電子產(chǎn)品功能的基本單元，一臺電子產(chǎn)品的可靠性在相當大的程度上取決于元器件的可靠性，也就是說元器件可靠性的好壞直接影響著電子產(chǎn)品的可靠性，直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的使用性能，關(guān)系到國計民生?？梢?，元器件的可靠性是十分重要的，而保證和提高元器件可靠性水平的重要手段是開展元器件的可靠性試驗。
元器件的可靠性試驗種類很多，在元器件使用過程中，如何選擇恰當?shù)目煽啃栽囼瀬肀ＷC元器件的可靠性水平，是每個電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家要面對的一個重要的問題。
二、元器件可靠性試驗的原理
1．影響元器件可靠性的因素影響元
器件可靠性的因素很多，總的來說分為內(nèi)因和外因。引起元器件失效的內(nèi)因一般由設(shè)計缺陷，制造工藝**或生產(chǎn)過程中的其他因素而引起的元器件自身的缺陷。比如: 芯片鍵合點缺陷、鍵合工藝缺陷、芯片沾污、芯片金屬化條腐蝕和缺損、電阻器金屬引線損傷或端頭涂層裂紋等; 引起元器件失效的外因就是存儲、運輸和工作過程中的氣候環(huán)境條件、機械環(huán)境條件、生物條件、化學條件、電與電磁條件、輻射條件、系統(tǒng)連接條件和人的因素等，如低溫環(huán)境下，石英晶體器件不振蕩就是因其材料變脆和收縮而造成。
不同的環(huán)境條件及各種不同環(huán)境條件的惡劣程度對元器件的可靠性影響是不一樣的。那些來自設(shè)計、制造等因素所造成元器件的固有缺陷，在一定的外因作用下就導致元器件的失效，乃至整個電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障。
2.可靠性試驗的原理可靠性試驗就是為評價分析產(chǎn)品的可靠性而進行的試驗，其試驗的原理即模擬現(xiàn)場工作條件和環(huán)境條件，將各種工作模式及環(huán)境應力按照一定的時間比例，按一定的循環(huán)次序反復施加到受試產(chǎn)品上，經(jīng)過失效的分析與處理，將得到的信息反饋到設(shè)計、制造、材料和管理等部門進行改進，以提高產(chǎn)品的固有可靠性。同時通過試驗的結(jié)果對產(chǎn)品的可靠性做出評定，為電子產(chǎn)品設(shè)計者提供設(shè)計的可靠性依據(jù)?？煽啃栽囼炓_到預期的效果，要特別重視試驗條件的選擇、試驗周期的設(shè)計和失效判據(jù)的確定。圖1為元器件可靠性試驗原理框圖。
1．可靠性篩選試驗元器件在設(shè)計完成后，其設(shè)計可靠性水平已經(jīng)基本確定。但在產(chǎn)品的制造過程中，由于人為的因素或原材料、工藝條件、設(shè)備條件的波動，*終導致制造的產(chǎn)品不可能全部達到設(shè)計的可靠性水平。在一批產(chǎn)品中總是有一部分產(chǎn)品存在各種潛在的缺陷，致使其壽命遠遠低于其平均壽命，這就是早期失效產(chǎn)品。在實際使用過程中，早期失效對產(chǎn)品的危害是相當嚴重的。不僅給用戶帶來經(jīng)濟損失，更為嚴重的是給生產(chǎn)企業(yè)帶來的信譽損失。為了剔除這些早期失效產(chǎn)品，往往要進行元器件的可靠性篩選試驗?？煽啃院Y選試驗的目的在于提高元器件批可靠性水平。
篩選是一種****的檢驗程序，在篩選前元器件的參數(shù)、性能均檢驗合格，只有對產(chǎn)品施加各種應力后或采用特殊的檢查手段，才能發(fā)現(xiàn)有隱患的早期失效產(chǎn)品。理想的篩選應力及其條件應是使篩選后的批產(chǎn)品的失效率達到偶然失效期的失效率，實際工作中，為有效地進行篩選，就得科學地確定篩選項目、篩選應力、篩選試驗時間及容易變化的參數(shù)，并制定出恰當?shù)氖藴省Ｓ行У暮Y選可以使元器件的使用失效率下降一個數(shù)量級，嚴格的篩選有可能下降兩個數(shù)量級。
元器件可靠性篩選的方法有很多，篩選應力也可以有很多種，篩選效果與篩選條件關(guān)系非常密切。對于電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家來說，選擇合適的篩選條件和方法是十分重要的，在元器件應用階段經(jīng)常采用高溫儲存、功率老化、溫度循環(huán)和熱沖擊篩選等四種篩選方法。
高溫儲存篩選是利用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，和溫度有密切關(guān)系。溫度升高后，化學反應速率大大加快，失效過程得到加速，使有缺陷的元器件能及時暴露，加以剔除。它的優(yōu)點是操作簡便，效果明顯，費用較少，可以實現(xiàn)很多種類的器件的篩選，可批量進行。因此在電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家在關(guān)鍵元器件的篩選中應用廣泛。
功率老化篩選又稱為電老化或電老煉，就是在熱電應力的共同作用下，暴露元器件表面和體內(nèi)的潛在缺陷。是電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家對關(guān)鍵元器件進行篩選經(jīng)常采用的方法。由于功率老化需要專門的試驗設(shè)備，費用較高，并且針對不同器件及要求，需要選擇不同的篩選條件和篩選時間，比較煩瑣。
電子產(chǎn)品在使用過程中會遇到不同的溫度條件，由于熱脹冷縮的應力會是內(nèi)部熱匹配性能不好的元器件失效。溫度循環(huán)和熱沖擊篩選是利用了極端高溫和極端低溫間的熱脹冷縮應力，剔除有熱性能缺陷的元器件。
2．例行可靠性試驗在實際生產(chǎn)過程中，元器件的例行試驗是對產(chǎn)品實行質(zhì)量控制的主要措施之一。生產(chǎn)中使用的電子元器件，究竟可靠性如何，還需要定期地從批產(chǎn)品中抽取一定數(shù)量的樣品，通過有關(guān)試驗進行質(zhì)量考核，這就是例行試驗。實際上，電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家對進廠的元器件進行的檢驗就是一種例行試驗。通過例行試驗可以了解進廠元器件的穩(wěn)定性，確保進入生產(chǎn)車間的元器件都是能滿足產(chǎn)品可靠性要求的。例行試驗以抽樣的方式進行，抽取的樣品必須有代表性。它包括一系列的環(huán)境試驗和壽命試驗項目，個別特殊用途的器件還包括某些特殊的試驗項目。例行試驗必須對所有的特性參數(shù)進行**測試并保存原始記錄，同時還要分析參數(shù)的偏差，以及暴露與各種測試條件下的變化，從而對生產(chǎn)過程中的電子元器件的可靠性進行監(jiān)控。
3. 元器件的加速壽命試驗
元器件的使用壽命決定著電子產(chǎn)品的使用壽命。在電子產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)過程中，需要對電子產(chǎn)品使用壽命做出綜合評價，也就要求利用元器件的壽命試驗對所使用的元器件的壽命做出評價。
元器件的壽命試驗是評價和分析元器件壽命特征的試驗，模擬實際工作狀態(tài)或存儲狀態(tài)，投入一定樣品進行試驗，試驗中記錄樣品失效的時間，并對這些失效時間進行統(tǒng)計和分析，評估元器件的可靠度、失效率以及平均壽命等可靠性數(shù)量特征。但是在正常使用的應力下做長期的壽命試驗太耗費人力、物力和時間了，一般均采用加速壽命試驗。加速壽命試驗就是用大應力的方法促使樣品在短時期內(nèi)失效，從而預測元器件正常儲存條件或工作條件下的可靠性，其基本原理是把工作環(huán)境里的規(guī)定應力作為參數(shù)來觀察失效和預計實際工作狀態(tài)下的失效率。由于元器件的失效是因物理和化學反應所致，所以應力因子的大小決定失效的反應速度。
加速壽命試驗常用與電子產(chǎn)品的設(shè)計和評定階段，作為確定產(chǎn)品重要的工作指標和壽命指標的手段。
4．現(xiàn)場可靠性試驗
在實驗室條件下進行的元器件可靠性試驗必然與真實環(huán)境下的試驗有一定差距?，F(xiàn)場可靠性試驗，即在使用現(xiàn)場進行的可靠性試驗，可以真實地反映出產(chǎn)品的實際使用條件下的元器件的可靠性水平。
在實際使用中，幾種環(huán)境應力同時作用，對電子產(chǎn)品所帶來的影響是復雜的，比較**的，不是實驗室試驗所能達到的。元器件的現(xiàn)場可靠性試驗就是在使用現(xiàn)場收集設(shè)備上所用元器件的可靠性數(shù)據(jù)，進行元器件工作可靠性統(tǒng)計評估，將元器件在實際使用條件下的失效率指標與實驗室內(nèi)規(guī)定條件下獲得的失效率指標進行比較，為對元器件提出合理的可靠性指標要求提供依據(jù)。
現(xiàn)場可靠性試驗中的工作和環(huán)境試驗條件，復雜并且不受控制，因此，在可靠性試驗方案中應該合理地和適當?shù)匾?guī)定所有工作和環(huán)境因素嚴酷度的極限。在試驗過程中，應連續(xù)檢測工作和環(huán)境試驗條件，當試驗條件超出規(guī)定范圍時，應中斷試驗。
由于試驗結(jié)果是從現(xiàn)場得來的，應在現(xiàn)場進行必要的實際分析，離開現(xiàn)場后，對現(xiàn)場報告中的失效分析與判斷也應進行必要的再分析與再判斷，以保證這些報告的可信性和完整性。
5．失效分析試驗
元器件的失效分析試驗是在元器件失效后，進行的尋找其失效機理的試驗，其目的是為了確定失效是由使用不當造成的還是由元器件固有缺陷引起的。
失效分析試驗從電子產(chǎn)品原理的角度，對故障產(chǎn)品進行測試、試驗、觀察分析，以確定故障部位。必要時，分解產(chǎn)品，進行理化分析，應力強度分析，判斷故障的性質(zhì)，弄清故障產(chǎn)生的機理。同時應進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，就是收集同類產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量、試驗、使用時間、以產(chǎn)生的故障數(shù)，估算該類故障出現(xiàn)的頻率。通過故障分析查明故障原因和責任，若是元器件使用不當造成，應改進設(shè)計和制造工藝，若是元器件固有缺陷引起的，還要確定該種缺陷是偶然的還是批次性的，然后才能依據(jù)結(jié)論采取相應的糾正措施。
例如；某電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障，根據(jù)現(xiàn)象判斷兩只電容漏電流太大，更換，故障排除。進行元器件失效分析試驗，兩只電容耐壓、漏電流、容量等指標均正常，說明維修未解決根本問題，該電子產(chǎn)品仍存在著隱患，應跟蹤處理。
四．元器件可靠性試驗的管理
1．試驗期間的技術(shù)管理
可靠性試驗作為一種生產(chǎn)保障措施，需要有一定的設(shè)備支持。絕大部分的可靠性試驗都需要專用設(shè)備。并且設(shè)備需要有資格的專門機構(gòu)對各項功能指標進行鑒定，鑒定后貼合格證并注明有效期限。實驗設(shè)備須有專人維護保養(yǎng)，復雜設(shè)備應設(shè)專人操作，經(jīng)嚴格培訓并發(fā)操作證。
為達到試驗的理想效果，技術(shù)人員必須對試驗技術(shù)和試驗條件進行研究改進。一般民用設(shè)備的可靠性要求不是很高的情況下，生產(chǎn)廠家應根據(jù)實際情況，盡量通過投資較少，周期短，步驟比較簡單的試驗，使產(chǎn)品達到用戶滿意的可靠性水平，以降低生產(chǎn)成本。
2．試驗報告的閉環(huán)管理
可靠性試驗是通過試驗來研究可靠性，試驗現(xiàn)場往往無法根據(jù)一次試驗結(jié)果判斷其元器件的可靠性，因此必須把試驗內(nèi)容全部如實記錄下來，然后進行可靠性分析，即撰寫可靠性試驗報告?？煽啃栽囼瀳蟾媸窃囼灥目偨Y(jié)性報告，應包括主要的試驗情況、技術(shù)數(shù)據(jù)、試驗結(jié)論、提高設(shè)備可靠性的技術(shù)措施（包括技術(shù)與管理措施）等。
元器件可靠性試驗的試驗者應該真實、**地記錄試驗數(shù)據(jù)，并在試驗完成后，撰寫試驗報告。試驗報告應交技術(shù)人員，技術(shù)人員根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和試驗效果對試驗技術(shù)和試驗條件進行修正或改進，以達到理想的實驗效果。
一份完整的元器件可靠性試驗報告應歸檔保存，必要時可進行比對試驗或驗證試驗，確保試驗的有效性和復現(xiàn)性。
五．結(jié)束語
元器件可靠性的試驗方法很多，電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家必須根據(jù)自己產(chǎn)品的實際情況，選擇或設(shè)計合適的試驗方案，保證元器件的質(zhì)量與可靠性。通過開展元器件使用過程的可靠性試驗，電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家提高了所選用的元器件的質(zhì)量與可靠性，從而提高了產(chǎn)品的信譽度和美譽度，有利于提高電子產(chǎn)品廠家生產(chǎn)經(jīng)營。