電子元器件使用過程中的可靠性試驗(yàn)

一、引言
　　在二十一世紀(jì)的今天，電子產(chǎn)品可謂無處不在。大到一個(gè)國(guó)家的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)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(biāo)滿足使用要求的前提下，*重要的指標(biāo)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(shí)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(fù)雜，使用條件越來越惡劣，對(duì)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(jiǎn)稱元器件) 經(jīng)一定的電氣連接和機(jī)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(tái)電子產(chǎn)品的可靠性在相當(dāng)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(guó)計(jì)民生。可見，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(yàn)。
　　元器件的可靠性試驗(yàn)種類很多，在元器件使用過程中，如何選擇恰當(dāng)?shù)目煽啃栽囼?yàn)來保證元器件的可靠性水平，是每個(gè)電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家要面對(duì)的一個(gè)重要的問題。

二、元器件可靠性試驗(yàn)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(jì)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(diǎn)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(chǔ)、運(yùn)輸和工作過程中的氣候環(huán)境條件、機(jī)械環(huán)境條件、生物條件、化學(xué)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(duì)元器件的可靠性影響是不一樣的。那些來自設(shè)計(jì)、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(dǎo)致元器件的失效，乃至整個(gè)電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障。
　　2.可靠性試驗(yàn)的原理可靠性試驗(yàn)就是為評(píng)價(jià)分析產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的試驗(yàn)，其試驗(yàn)的原理即模擬現(xiàn)場(chǎng)工作條件和環(huán)境條件，將各種工作模式及環(huán)境應(yīng)力按照一定的時(shí)間比例，按一定的循環(huán)次序反復(fù)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(jì)、制造、材料和管理等部門進(jìn)行改進(jìn)，以提高產(chǎn)品的固有可靠性。同時(shí)通過試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的可靠性做出評(píng)定，為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)的可靠性依據(jù)?？煽啃栽囼?yàn)要達(dá)到預(yù)期的效果，要特別重視試驗(yàn)條件的選擇、試驗(yàn)周期的設(shè)計(jì)和失效判據(jù)的確定。圖1為元器件可靠性試驗(yàn)原理框圖。 
 

三．元器件使用過程的可靠性試驗(yàn)
　　1．可靠性篩選試驗(yàn)元器件在設(shè)計(jì)完成后，其設(shè)計(jì)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(dòng)，*終導(dǎo)致制造的產(chǎn)品不可能全部達(dá)到設(shè)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于其平均壽命，這就是早期失效產(chǎn)品。在實(shí)際使用過程中，早期失效對(duì)產(chǎn)品的危害是相當(dāng)嚴(yán)重的。不僅給用戶帶來經(jīng)濟(jì)損失，更為嚴(yán)重的是給生產(chǎn)企業(yè)帶來的信譽(yù)損失。為了剔除這些早期失效產(chǎn)品，往往要進(jìn)行元器件的可靠性篩選試驗(yàn)?？煽啃院Y選試驗(yàn)的目的在于提高元器件批可靠性水平。
　　篩選是一種****的檢驗(yàn)程序，在篩選前元器件的參數(shù)、性能均檢驗(yàn)合格，只有對(duì)產(chǎn)品施加各種應(yīng)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(yīng)力及其條件應(yīng)是使篩選后的批產(chǎn)品的失效率達(dá)到偶然失效期的失效率，實(shí)際工作中，為有效地進(jìn)行篩選，就得科學(xué)地確定篩選項(xiàng)目、篩選應(yīng)力、篩選試驗(yàn)時(shí)間及容易變化的參數(shù)，并制定出恰當(dāng)?shù)氖?biāo)準(zhǔn)。有效的篩選可以使元器件的使用失效率下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，嚴(yán)格的篩選有可能下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　元器件可靠性篩選的方法有很多，篩選應(yīng)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(duì)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(yīng)用階段經(jīng)常采用高溫儲(chǔ)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(chǔ)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(xué)變化所引起，和溫度有密切關(guān)系。溫度升高后，化學(xué)反應(yīng)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(shí)暴露，加以剔除。它的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，效果明顯，費(fèi)用較少，可以實(shí)現(xiàn)很多種類的器件的篩選，可批量進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(duì)關(guān)鍵元器件進(jìn)行篩選經(jīng)常采用的方法。由于功率老化需要專門的試驗(yàn)設(shè)備，費(fèi)用較高，并且針對(duì)不同器件及要求，需要選擇不同的篩選條件和篩選時(shí)間，比較煩瑣。
　　電子產(chǎn)品在使用過程中會(huì)遇到不同的溫度條件，由于熱脹冷縮的應(yīng)力會(huì)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(yīng)力，剔除有熱性能缺陷的元器件。
　　2．例行可靠性試驗(yàn)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，元器件的例行試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品實(shí)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(yàn)進(jìn)行質(zhì)量考核，這就是例行試驗(yàn)。實(shí)際上，電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家對(duì)進(jìn)廠的元器件進(jìn)行的檢驗(yàn)就是一種例行試驗(yàn)。通過例行試驗(yàn)可以了解進(jìn)廠元器件的穩(wěn)定性，確保進(jìn)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(yàn)以抽樣的方式進(jìn)行，抽取的樣品必須有代表性。它包括一系列的環(huán)境試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)項(xiàng)目，個(gè)別特殊用途的器件還包括某些特殊的試驗(yàn)項(xiàng)目。例行試驗(yàn)必須對(duì)所有的特性參數(shù)進(jìn)行**測(cè)試并保存原始記錄，同時(shí)還要分析參數(shù)的偏差，以及暴露與各種測(cè)試條件下的變化，從而對(duì)生產(chǎn)過程中的電子元器件的可靠性進(jìn)行監(jiān)控。
　　3. 元器件的加速壽命試驗(yàn)
　　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(jì)和生產(chǎn)過程中，需要對(duì)電子產(chǎn)品使用壽命做出綜合評(píng)價(jià)，也就要求利用元器件的壽命試驗(yàn)對(duì)所使用的元器件的壽命做出評(píng)價(jià)。
　　元器件的壽命試驗(yàn)是評(píng)價(jià)和分析元器件壽命特征的試驗(yàn)，模擬實(shí)際工作狀態(tài)或存儲(chǔ)狀態(tài)，投入一定樣品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中記錄樣品失效的時(shí)間，并對(duì)這些失效時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，評(píng)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(yīng)力下做長(zhǎng)期的壽命試驗(yàn)太耗費(fèi)人力、物力和時(shí)間了，一般均采用加速壽命試驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)就是用大應(yīng)力的方法促使樣品在短時(shí)期內(nèi)失效，從而預(yù)測(cè)元器件正常儲(chǔ)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(yīng)力作為參數(shù)來觀察失效和預(yù)計(jì)實(shí)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(xué)反應(yīng)所致，所以應(yīng)力因子的大小決定失效的反應(yīng)速度。
　　加速壽命試驗(yàn)常用與電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和評(píng)定階段，作為確定產(chǎn)品重要的工作指標(biāo)和壽命指標(biāo)的手段。
　　4．現(xiàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)
　　在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的元器件可靠性試驗(yàn)必然與真實(shí)環(huán)境下的試驗(yàn)有一定差距?，F(xiàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)，即在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)，可以真實(shí)地反映出產(chǎn)品的實(shí)際使用條件下的元器件的可靠性水平。
　　在實(shí)際使用中，幾種環(huán)境應(yīng)力同時(shí)作用，對(duì)電子產(chǎn)品所帶來的影響是復(fù)雜的，比較**的，不是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)所能達(dá)到的。元器件的現(xiàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)就是在使用現(xiàn)場(chǎng)收集設(shè)備上所用元器件的可靠性數(shù)據(jù)，進(jìn)行元器件工作可靠性統(tǒng)計(jì)評(píng)估，將元器件在實(shí)際使用條件下的失效率指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)規(guī)定條件下獲得的失效率指標(biāo)進(jìn)行比較，為對(duì)元器件提出合理的可靠性指標(biāo)要求提供依據(jù)。
　　現(xiàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)中的工作和環(huán)境試驗(yàn)條件，復(fù)雜并且不受控制，因此，在可靠性試驗(yàn)方案中應(yīng)該合理地和適當(dāng)?shù)匾?guī)定所有工作和環(huán)境因素嚴(yán)酷度的極限。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)連續(xù)檢測(cè)工作和環(huán)境試驗(yàn)條件，當(dāng)試驗(yàn)條件超出規(guī)定范圍時(shí)，應(yīng)中斷試驗(yàn)。
　　由于試驗(yàn)結(jié)果是從現(xiàn)場(chǎng)得來的，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行必要的實(shí)際分析，離開現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告中的失效分析與判斷也應(yīng)進(jìn)行必要的再分析與再判斷，以保證這些報(bào)告的可信性和完整性。
　　5．失效分析試驗(yàn)
　　元器件的失效分析試驗(yàn)是在元器件失效后，進(jìn)行的尋找其失效機(jī)理的試驗(yàn)，其目的是為了確定失效是由使用不當(dāng)造成的還是由元器件固有缺陷引起的。
　　失效分析試驗(yàn)從電子產(chǎn)品原理的角度，對(duì)故障產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試、試驗(yàn)、觀察分析，以確定故障部位。必要時(shí)，分解產(chǎn)品，進(jìn)行理化分析，應(yīng)力強(qiáng)度分析，判斷故障的性質(zhì)，弄清故障產(chǎn)生的機(jī)理。同時(shí)應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，就是收集同類產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量、試驗(yàn)、使用時(shí)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(zé)任，若是元器件使用不當(dāng)造成，應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)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(yīng)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(jìn)行元器件失效分析試驗(yàn)，兩只電容耐壓、漏電流、容量等指標(biāo)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(yīng)跟蹤處理。

四．元器件可靠性試驗(yàn)的管理
　　1．試驗(yàn)期間的技術(shù)管理
　　可靠性試驗(yàn)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(yàn)都需要專用設(shè)備。并且設(shè)備需要有資格的專門機(jī)構(gòu)對(duì)各項(xiàng)功能指標(biāo)進(jìn)行鑒定，鑒定后貼合格證并注明有效期限。實(shí)驗(yàn)設(shè)備須有專人維護(hù)保養(yǎng)，復(fù)雜設(shè)備應(yīng)設(shè)專人操作，經(jīng)嚴(yán)格培訓(xùn)并發(fā)操作證。
　　為達(dá)到試驗(yàn)的理想效果，技術(shù)人員必須對(duì)試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)條件進(jìn)行研究改進(jìn)。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(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，盡量通過投資較少，周期短，步驟比較簡(jiǎn)單的試驗(yàn)，使產(chǎn)品達(dá)到用戶滿意的可靠性水平，以降低生產(chǎn)成本。
　　2．試驗(yàn)報(bào)告的閉環(huán)管理
　　可靠性試驗(yàn)是通過試驗(yàn)來研究可靠性，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)往往無法根據(jù)一次試驗(yàn)結(jié)果判斷其元器件的可靠性，因此必須把試驗(yàn)內(nèi)容全部如實(shí)記錄下來，然后進(jìn)行可靠性分析，即撰寫可靠性試驗(yàn)報(bào)告?？煽啃栽囼?yàn)報(bào)告是試驗(yàn)的總結(jié)性報(bào)告，應(yīng)包括主要的試驗(yàn)情況、技術(shù)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)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(yàn)的試驗(yàn)者應(yīng)該真實(shí)、**地記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在試驗(yàn)完成后，撰寫試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)交技術(shù)人員，技術(shù)人員根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)效果對(duì)試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)條件進(jìn)行修正或改進(jìn)，以達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果。
　　一份完整的元器件可靠性試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)歸檔保存，必要時(shí)可進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)或驗(yàn)證試驗(yàn)，確保試驗(yàn)的有效性和復(fù)現(xiàn)性。

五．結(jié)束語
　　元器件可靠性的試驗(yàn)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(shí)際情況，選擇或設(shè)計(jì)合適的試驗(yàn)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(yàn)，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(yù)度和美譽(yù)度，有利于提高電子產(chǎn)品廠家生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。