元器件可靠性試驗(yàn)要求和評(píng)價(jià)技術(shù)

1、元器件可靠性試驗(yàn)要求和評(píng)價(jià)技術(shù)4.1 元器件可靠性試驗(yàn)定義： 目前把測(cè)定、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)和分析等為提高元器件可靠性而進(jìn)行的各種試驗(yàn)，統(tǒng)稱為可靠性試驗(yàn)。 研制階段：暴露設(shè)計(jì)、材料、工藝階段存在的問題和有關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者和使用者非常有用； 設(shè)計(jì)定型階段：是否達(dá)到預(yù)定的可靠性指標(biāo)； 生產(chǎn)階段：評(píng)價(jià)元器件生產(chǎn)工藝和過程是否穩(wěn)定可控；使用階段： 了解不同工作、環(huán)境條件下的失效規(guī)律、失效模式、失效機(jī)理，以便進(jìn)行糾正和預(yù)防，提高元器件的可靠性。 可靠性試驗(yàn)的分類 試驗(yàn)項(xiàng)目可靠性試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)及檢索方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 中國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 日本電子機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) 國際電工委員

2、會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 英國標(biāo)準(zhǔn)BS 美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL 美國電子器件工程聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)JEDEC 俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)檢索方法：圖書情報(bào)/中文數(shù)據(jù)庫/萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)/中外標(biāo)準(zhǔn)/電子元器件與信息技術(shù)/高級(jí)檢索高級(jí)檢索4.2 可靠性基礎(chǔ)試驗(yàn) 組成各種可靠性試驗(yàn)的最基本的試驗(yàn)單元叫做可靠性基礎(chǔ)試驗(yàn) 類型(P71 表4-3): 電應(yīng)力+熱應(yīng)力試驗(yàn) 氣候環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn) 機(jī)械環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn) 與封裝有關(guān)的試驗(yàn) 與引線有關(guān)的試驗(yàn) 與標(biāo)志、標(biāo)識(shí)有關(guān)的試驗(yàn) 特殊試驗(yàn) 輻射應(yīng)力試驗(yàn)特殊試驗(yàn)聲學(xué)掃描顯微分析(SAM) 原理：超聲波在介質(zhì)中傳輸時(shí)，若遇不同密度或彈性系數(shù)的物質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生反射回波，其強(qiáng)度因材料密度不同而有所變化

3、。在有空洞、裂縫、不良粘接和分層剝離的位置產(chǎn)生高的襯度，因而容易從背景中區(qū)分出來。 用途： 檢測(cè)電子元器件、材料及PCB/PCBA內(nèi)部的各種缺陷(如裂紋、分層、夾雜物、附著物及空洞等)掃描電子顯微鏡分析： 用途： 金屬化層和鍵合質(zhì)量缺陷，電遷移、層間短路、硅片的層錯(cuò)和位錯(cuò)等 原理：SEM的結(jié)構(gòu)原理4.3 可靠性壽命試驗(yàn) 4.3.1 定義和分類: 為評(píng)價(jià)元器件產(chǎn)品壽命特征值而進(jìn)行的試驗(yàn) 結(jié)束方式：定時(shí)試驗(yàn) 定數(shù)試驗(yàn) 試驗(yàn)時(shí)間： 長(zhǎng)期壽命試驗(yàn) 貯存壽命：35年 工作壽命：240h 加速壽命試驗(yàn) 4.3.2 指數(shù)分布?jí)勖囼?yàn)方案的確定:經(jīng)工藝篩選剔除早期失效后,元器件的失效分布已進(jìn)入偶然失效期,其壽

4、命分布接近指數(shù)分布,或威布爾分布；當(dāng)威布爾分布的形狀參數(shù)m接近于1時(shí)，威布爾分布可以用指數(shù)分布來近似。指數(shù)分布指數(shù)分布的定義指數(shù)分布的密度函數(shù)為 (3-4)式中為常數(shù)，是指數(shù)分布的失效率。指數(shù)分布的分布函數(shù)F(x)=1-e-x (3-5)若產(chǎn)品在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的失效數(shù)服從泊松分布，則該產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布。 泊松(Poisson)分布泊松分布： (3-3)泊松分布的數(shù)字特征為：E(X)=，D(X)=。在泊松分布中，令失效數(shù)k=0，有泊松隨機(jī)過程的概率密度分布 威布爾(Weibull)分布Weibull采用“鏈?zhǔn)健蹦Ｐ脱芯?、描述了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命問題，假設(shè)一個(gè)結(jié)構(gòu)是由 n 個(gè)小元件串聯(lián)而成，將結(jié)

5、構(gòu)看成是由 n 個(gè)環(huán)構(gòu)成的一條鏈子，其強(qiáng)度（或壽命）取決于最薄弱環(huán)的強(qiáng)度（或壽命）。單個(gè)鏈的強(qiáng)度（或壽命）為一隨機(jī)變量，設(shè)各環(huán)強(qiáng)度（或壽命）相互獨(dú)立，分布相同，則求鏈強(qiáng)度（或壽命）的概率分布就變成求極小值分布問題，由此得出了威布爾分布函數(shù)。由于威布爾分布是根據(jù)最弱環(huán)節(jié)模型或串聯(lián)模型得到的，能充分反映材料缺陷等因素對(duì)材料疲勞壽命的影響，所以作為材料或零件的壽命分布模型或給定壽命下的疲勞強(qiáng)度模型比較合適。三參數(shù)威布爾分布的密度函數(shù)為 (3-13)威布爾分布的均值 (3-14)威布爾分布的方差 (3-15)如果1，威布爾分布的均值小于，且隨著x的減小接近于。隨著增長(zhǎng)到無窮，威布爾分布的方差減小，且無

6、限接近于0。威布爾可靠性函數(shù)是： （3-16）1. 抽樣方法和數(shù)量 特點(diǎn)：樣品數(shù)量大，試驗(yàn)時(shí)間短，試驗(yàn)結(jié)果精確，但測(cè)試工作量大，試驗(yàn)成本高。 統(tǒng)籌考慮。2. 試驗(yàn)應(yīng)力類型和應(yīng)力水平 原則： 關(guān)于類型：選擇對(duì)元器件失效影響最顯著或最敏感的應(yīng)力類型，且這些應(yīng)力所激發(fā)的失效機(jī)理應(yīng)與實(shí)際使用狀態(tài)的失效機(jī)理相同。 關(guān)于應(yīng)力水平：應(yīng)選擇元器件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定值。3. 試驗(yàn)周期的確定 自動(dòng)監(jiān)測(cè)、連續(xù)測(cè)試 間歇監(jiān)測(cè)與記錄 相隔一定時(shí)間(測(cè)試周期)進(jìn)行一次測(cè)試基本原則：不要使元器件失效過于集中在一、兩個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，最好有5個(gè)以上能測(cè)試到失效元器件的測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)上測(cè)試到的失效元器件數(shù)應(yīng)大致相同。根據(jù)失效

7、進(jìn)程的快慢、失效分布特點(diǎn)確定合適的測(cè)試周期，不一定是等距，可進(jìn)行調(diào)整，例如指數(shù)分布時(shí)可取初期短，后期長(zhǎng)的方案。4. 試驗(yàn)截止時(shí)間截尾試驗(yàn)不得中途變動(dòng) 低應(yīng)力壽命試驗(yàn)：定時(shí)截尾(取平均壽命的倍以上的時(shí)間) 高應(yīng)力壽命試驗(yàn)：定數(shù)截尾(累積失效數(shù)或概率達(dá)到規(guī)定值， 一般應(yīng)在30%,40%或50%以上)若元器件壽命分布服從指數(shù)分布，則有：5. 失效標(biāo)準(zhǔn)或失效判據(jù) 以元器件技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為失效標(biāo)準(zhǔn)6. 需測(cè)量的參數(shù)和測(cè)試方法 選擇對(duì)失效機(jī)理的發(fā)展起指示作用的靈敏參數(shù)；多參數(shù)情況下，確定先后順序；測(cè)量方法不能起促進(jìn)、減緩或破壞作用，更不能引入新的失效機(jī)理；注意測(cè)試恢復(fù)時(shí)間，大氣條件下24h，

8、或按相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。7. 數(shù)據(jù)處理方法：圖估法，數(shù)值解析統(tǒng)計(jì)方法4.3.3 壽命試驗(yàn)中的一些技術(shù)問題:試驗(yàn)方法：避免高低不分，好壞不分測(cè)量方法：注意箱外測(cè)量帶來的誤差，盡可能采用在線、動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法試驗(yàn)設(shè)備和裝置，例如夾具等保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性 儀器的精度及校準(zhǔn) 正確使用及操作、 合理采用測(cè)量引線和夾具 嚴(yán)格控制測(cè)量環(huán)境 4.4 加速壽命試驗(yàn) 4.4.1 定義: 為解決壽命試驗(yàn)樣品數(shù)量和試驗(yàn)時(shí)間之間的矛盾,在不改變失效機(jī)理的前提下,采用提高試驗(yàn)應(yīng)力的方法加速失效,以便短時(shí)間內(nèi)取得失效率、平均壽命等數(shù)據(jù)，再運(yùn)用加速壽命模型推算出在正常狀態(tài)下的可靠性特征值。加速應(yīng)力： 機(jī)械應(yīng)力 熱應(yīng)力 電

9、應(yīng)力 其他應(yīng)力 (高濕、濕熱、低氣壓、鹽霧、放射性輻射等) 4.4.2 分類: St恒應(yīng)力加速步進(jìn)應(yīng)力加速序進(jìn)應(yīng)力加速實(shí)際應(yīng)用前須解決的問題：加速前后壽命之間的關(guān)系；加速不能改變失效機(jī)理4.4.3 加速壽命試驗(yàn)的理論依據(jù) 1. 阿倫尼斯模型(以溫度應(yīng)力為加速變量的加速模型)激活能對(duì)失效機(jī)理及壽命的影響激活能對(duì)失效機(jī)理及壽命的影響2. 逆冪律(愛倫)模型(以電應(yīng)力為加速變量的加速模型) 4.4.4 恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施:1.試驗(yàn)應(yīng)力的選擇 單一應(yīng)力加速(對(duì)主要失效機(jī)理起促進(jìn)作用的應(yīng)力條件); 多應(yīng)力加速2.測(cè)量參數(shù)的確定 選擇對(duì)元器件的失效機(jī)理發(fā)展起到指示作用的參數(shù)3. 加速應(yīng)力

10、水平數(shù)k 單應(yīng)力恒加速壽命試驗(yàn)中一般要求k不得少于4,在雙應(yīng)力恒加速壽命試驗(yàn)時(shí),水平數(shù)應(yīng)適當(dāng)增加 4. 加速應(yīng)力水平Si 重要原則:在諸應(yīng)力水平下產(chǎn)品的失效機(jī)理應(yīng)與正常應(yīng)力水平下的失效機(jī)理相同. 三種取法: 等間隔取值在以絕對(duì)溫度T作為加速應(yīng)力時(shí),可按其倒數(shù)等間隔取值在選電壓、壓力作為加速應(yīng)力時(shí)，可按其對(duì)數(shù)等間隔取值。5. 各組應(yīng)力水平下的試驗(yàn)樣品數(shù) 高應(yīng)力下元器件容易失效，少安排樣品數(shù)； 低應(yīng)力下元器件不易失效，多安排樣品； 一般每個(gè)應(yīng)力水平下樣品數(shù)均不宜少于5個(gè)6. 失效判據(jù) 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范確定的失效標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)，盡量記錄每個(gè)失效樣品的準(zhǔn)確失效時(shí)間7. 測(cè)試周期 若無法測(cè)準(zhǔn)確失效時(shí)間，則可采用

11、定周期測(cè)試方法，需解決兩個(gè)問題： 測(cè)試時(shí)間：據(jù)失效規(guī)律、機(jī)理、經(jīng)驗(yàn)確定； 失效時(shí)間： 失效時(shí)間： 等間隔方式估計(jì) 對(duì)數(shù)均勻分布 8. 試驗(yàn)停止時(shí)間 采用定數(shù)截尾或定時(shí)截尾，要求有50%，或至少30%元器件失效4.4.5 加速壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)分析：正常？真？假？屬實(shí)？模型合適？ 數(shù)據(jù)處理：用統(tǒng)計(jì)分析方法，估算出可靠性有關(guān)的特征量和參數(shù)方法：圖估法：簡(jiǎn)單、實(shí)用、欠精確 數(shù)值分析法：最小二乘法等圖估法 工具:兩類坐標(biāo)紙概率坐標(biāo)紙:威布爾、正態(tài)、對(duì)數(shù)正態(tài)(不同應(yīng)力水平下的壽命分布及其可靠性壽命特征量，預(yù)測(cè)正常應(yīng)力水平下的壽命分布和可靠性特征量)對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙：?jiǎn)螌?duì)數(shù)、雙對(duì)數(shù)(得到加速壽命曲線，由此

12、估計(jì)出正常應(yīng)力水平下的壽命分布位置)步驟:應(yīng)用概率紙分別確定各應(yīng)力水平Si下的壽命分布使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙得到加速壽命曲線,并估計(jì)出正常應(yīng)力水平S0下的壽命在曲線上的位置;由上步所得的壽命分布曲線的位置,在概率紙上繪出正常S0下的壽命分布,由此估計(jì)出其壽命特征估算壽命特征和加速系數(shù)加速壽命曲線求形狀參數(shù)m0:在概率紙上描繪出t0(0.5),F0(0.5)在y軸標(biāo)尺上找m0向左引水平線與y軸相交,過交點(diǎn)與m估計(jì)點(diǎn)作直線H,再過點(diǎn)t0(0.5),F0(0.5)作與H線平行的直線L0, L0線就是溫度應(yīng)力T0下,形狀參數(shù)為m0的壽命分布曲線。概率紙上:4.4.6 加速壽命試驗(yàn)舉例 高頻大功率晶體管3DA7

13、6D的恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)1.試驗(yàn)方案 試驗(yàn)應(yīng)力與樣本大小 表4-8 P108 失效判據(jù)2.試驗(yàn)失效記錄數(shù)據(jù)和累積失效百分比 主要失效模式3. 估計(jì)各加速應(yīng)力條件下的壽命分布及參數(shù) 可求得各應(yīng)力條件下的中位壽命和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差(表4-14)4. 繪制加速壽命直線并預(yù)測(cè)使用應(yīng)力下的中位壽命 將數(shù)據(jù)(Wi,ti(0.5)繪制在雙對(duì)數(shù)紙上,并作出回歸直線,此即本試驗(yàn)的加速壽命直線(圖4-9); 據(jù)此直線,求出實(shí)際使用電應(yīng)力W0時(shí)的中位壽命t0(0.5)為105h。5. 預(yù)測(cè)在使用應(yīng)力下的壽命分布 計(jì)算對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差0:三種加速應(yīng)力下的平均值 計(jì)算t0(0.84) 在對(duì)數(shù)正態(tài)概率紙上繪制兩個(gè)點(diǎn)： (t0(0.

14、5),0.5) (t0(0.84),0.84) 過這兩點(diǎn)作一直線，此即實(shí)際使用應(yīng)力下的壽命分布曲線 由此直線可求得：失效率為5%時(shí)的可靠性壽命為103h；若使用20年，失效率達(dá)30%6. 計(jì)算加系數(shù)估計(jì)逆冪律加速系數(shù)7. 試驗(yàn)結(jié)果分析hEF漂移增大占67.1%，還有約12%為致命性失效，可能受離子沾污累積失效達(dá)5%的壽命僅為103h(1y)負(fù)荷率取為，則情況將有較大的改觀 4.5 元器件可靠性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)明確試驗(yàn)?zāi)康牟殚喯嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、方案準(zhǔn)備工作試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、處理，給出試驗(yàn)結(jié)論1.有具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)2.無具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)3.針對(duì)失效機(jī)理的可靠性試驗(yàn)方法-采用加大試驗(yàn)應(yīng)力

15、的方法 4.6 現(xiàn)代元器件可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)4.6.1 概述 對(duì)成品、半成品或模擬樣片(各種測(cè)試結(jié)構(gòu)圖形)，通過各種可靠性試驗(yàn)技術(shù)、方法等，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具和有關(guān)模擬仿真軟件，評(píng)價(jià)其壽命、失效率或可靠性質(zhì)量等級(jí)等可靠性參數(shù)的過程。 發(fā)展特點(diǎn)：1.在研制設(shè)計(jì)階段，針對(duì)可能的失效模式，在線路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì);2.加強(qiáng)在線可靠性質(zhì)量控制 可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)由“輸出”端控制“輸入”端的設(shè)計(jì)控制、生產(chǎn)過程控制，實(shí)現(xiàn)可靠性是“設(shè)計(jì)、制造進(jìn)去的，而非靠篩選出來的”觀念 4.6.2 晶片級(jí)可靠性評(píng)價(jià)技術(shù) 根據(jù)失效模式進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)的難度增大: 集成度增大,尺寸微細(xì)化,帶來機(jī)理分析和位置定位上的困難.目前采用新辦法: 放在封裝成品前進(jìn)行-晶片級(jí)可靠性(WLR)評(píng)價(jià)方法基本方法原則: 根據(jù)主要失效模式,設(shè)定芯片階段的監(jiān)測(cè)內(nèi)容,根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)集成電路的可靠性 優(yōu)點(diǎn):反饋快 缺點(diǎn):無法處理引線封裝帶來的影響 4.6.3 微電子測(cè)試結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)技術(shù) 針對(duì)不同元器件的主要失效模式,