元器件測試篩選先后次序的決定原則

　　0引言

　　電子信息技術(shù)是當今新技術(shù)革命的核心，其技術(shù)基礎是電子元器件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)元器件)，其中大部分是微電子器件。元器件是電子設備和系統的基本單元，為了提高系統的可靠性，必須首先保證元器件的可靠性，但是即使高可靠性的元器件，在最好的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)控制下，仍然不可避免地會(huì )產(chǎn)生一些有缺陷、質(zhì)量不符合要求的產(chǎn)品。所以在裝機前對元器件進(jìn)行測試篩選就顯得尤其重要。

　　元器件的篩選測試是為了在施加各種環(huán)境和電的應力，從而將元器件中的各種缺陷激發(fā)出來(lái)，以便確定元器件電性能是否失效。電性能失效可以分為連結性失效、功能性失效和電參數失效。每種失效所反映的現象各不相同，元器件在測試時(shí)，每種測試方法所引起的失效模式是不同的，所以元器件測試篩選先后次序對最終的測試結果會(huì )產(chǎn)生影響。本文將提出安排元器件測試篩選先后次序的原則。

　　1原理

　　元器件是整機的基礎，它在制造過(guò)程中可能會(huì )由于本身固有的缺陷或制造工藝的控制不當，在使用中形成與時(shí)間或應力有關(guān)的失效。為了保證整批元器件的可靠性，滿(mǎn)足整機要求，必須把使用條件下可能出現初期失效的元器件剔除。

　　元器件的失效率隨時(shí)間變化的過(guò)程可以用類(lèi)似"浴盆曲線(xiàn)"的失效率曲線(xiàn)來(lái)描述，早期失效率隨時(shí)間的增加而迅速下降，使用壽命期(或稱(chēng)偶然失效期)內失效率基本不變。篩選的過(guò)程就是促使元器件提前進(jìn)入失效率基本保持常數的使用壽命期，同時(shí)在此期間剔除失效的元器件。

　　事物的好與壞的判別必須要有標準去衡量。判斷元器件的失效與否是由失效判別標準一一失效判據所確定的。失效判據是質(zhì)量和可靠性的指標，有時(shí)也有成本的內涵，所以元器件失效不僅指功能的完全喪失，而且指電學(xué)特性或物理參數降低到不能滿(mǎn)足規定的要求。簡(jiǎn)而言之，產(chǎn)品失去規定的功能稱(chēng)為失效。

　　20世紀60年代以來(lái)，我國陸續制定、修訂了一系列標準，開(kāi)發(fā)各種試驗方法，開(kāi)拓了旨在研究失效機理的可靠性物理這門(mén)新的學(xué)科，發(fā)展了失效模式、影響及危害性分析和故障樹(shù)兩種有效的分析方法。這些方法的使用，為提高元器件篩選的有效性和準確性提供了強大的理論工具。

　　失效一般分為現場(chǎng)失效和試驗失效?，F場(chǎng)失效一般是在裝機以后出現的失效，因此，我們在元器件測試篩選過(guò)程中只考慮試驗失效。試驗失效主要是封裝失效和電性能失效。封裝失效主要依靠環(huán)境應力篩選來(lái)檢測。所謂環(huán)境應力篩選，即在篩選時(shí)選擇若干典型的環(huán)境因素，施加于產(chǎn)品的硬件上，使各種潛在的缺陷加速為早期故障，然后加以排除，使產(chǎn)品可靠性接近設計的固有可靠性水平，而不使產(chǎn)品受到疲勞損傷。在正常情況下是通過(guò)在檢測時(shí)施加一段時(shí)問(wèn)的環(huán)境應力后，對外觀(guān)的檢查(主要是鏡檢，根據元器件的質(zhì)量要求，采用放大10倍對元器件外觀(guān)進(jìn)行檢測；也可以根據需要安排紅外線(xiàn)及X射線(xiàn)檢查)，以及氣密性篩選來(lái)完成，當有特殊需要時(shí)，可以增加一些DPA(破壞性物理分析)等特殊測試；這些篩選項目對電性能失效模式不會(huì )產(chǎn)生觸發(fā)效果。所以，一般將封裝失效的篩選放在前面，電性能失效的篩選放在后面。

　　電性能失效可以分為連結性失效、功能性失效和電參數失效。連結性失效指開(kāi)路、短路以及電阻值大小的變化，這類(lèi)失效在元器件失效中占有較大的比例。因為在元器件篩選測試過(guò)程中，由于過(guò)電應力所引起的大多為連結性失效，同時(shí)，連結性失效可以引發(fā)功能性失效和電參數失效，但是功能性失效和電參數失效不會(huì )引發(fā)連結性失效。主要原因是，當連結性失效模式被特定的篩選條件觸發(fā)時(shí)，往往出現的現象為元器件封裝涂覆發(fā)生銹蝕、外殼斷裂、引線(xiàn)熔斷、脫落或者與其他引線(xiàn)短路，主要表現為機械和熱應力損傷，但是有時(shí)并不表現為連結性故障，而是反映為金屬疲勞、鍵合強度不夠等問(wèn)題，這些本身不會(huì )引發(fā)連結性失效，但是會(huì )引發(fā)功能性失效和電參數失效，需要通過(guò)功能性和電參數監測才能發(fā)現。但是，電路的功能性失效和電參數失效被特定的的篩選條件觸發(fā)時(shí)，出現的現象是某些特定的功能失效、電參數超差等。造成這些失效的主要原因在于：制造、設計中的缺陷以及生產(chǎn)工藝控制不嚴，使生產(chǎn)過(guò)程中各種生產(chǎn)要素如空氣潔凈度等級、超純水的質(zhì)量監測、超純氣體和化學(xué)試劑達不到規定的要求；在運輸轉運過(guò)程中由于防靜電措施不到位也會(huì )發(fā)生靜電損傷。這些因素作用下半導體晶體會(huì )受到各種表面污染物的玷污，會(huì )使產(chǎn)品不能達到規定的質(zhì)量等級要求。當受到特定的外部條件激發(fā)的情況下，就會(huì )產(chǎn)生功能性失效和電參數失效，但是這些功能性失效和電參數失效造成的影響往往只能造成元器件部分的功能失去作用，還不能使芯片的封裝和各部分的連結線(xiàn)出現燒毀、短路、開(kāi)路等現象，所以電路的功能性失效和電參數失效與連結性失效不產(chǎn)生引發(fā)效果。

　　在安排測試篩選先后次序時(shí)，有兩種方案：

　　a)方案1：將不產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在前面，將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面。

　　b)方案2：將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在前面，將不產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面。

　　如果選擇方案1，會(huì )發(fā)現將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放在后面時(shí)，出現本身失效模式?jīng)]有被觸發(fā)、其他關(guān)聯(lián)的相關(guān)失效模式被觸發(fā)的情況時(shí)，這種帶有缺陷的元器件不能被準確地定位、剔除，因為該類(lèi)失效模式的檢測已經(jīng)在前面做過(guò)了。而選擇方案2就可以非常有效地避免上述問(wèn)題的發(fā)生，使篩選過(guò)程優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟和高效。

　　因此，決定元器件測試篩選先后次序的原則是：

　　a)失效概率最大的篩選方法首先做。

　　b)當一種失效模式可以與其他失效模式產(chǎn)生關(guān)聯(lián)時(shí)，應將此失效模式的篩選放在前面。

　　c)使用不同方法對同一種失效模式進(jìn)行篩選時(shí)，首先考慮失效概率的分布，容易觸發(fā)失效的篩選方法首先進(jìn)行。

　　d)考慮經(jīng)濟性，便宜的先做。

　　e)考慮時(shí)間性，時(shí)間長(cháng)的后做。

　　f)測試順序的安排是后面的參數能夠檢查元器件經(jīng)前面參數測試后可能產(chǎn)生的變化。對有耐電壓、絕緣電阻測試要求的元器件，耐壓在前、絕緣在后，功能參數最后測試；對有擊穿電壓和漏電流測試要求的元器件，擊穿電壓在前，漏電流在后，功能參數最后測試。

　　2實(shí)現

　　目前國內使用的主要篩選方法如下：

　　a)外觀(guān)檢查：用10倍放大鏡檢查外形、引線(xiàn)及材料有無(wú)缺陷。

　　b)溫度循環(huán)：使元器件交替暴露在規定的極限高溫和極限低溫下，連續承受規定條件和規定次數的循環(huán)，由冷到熱或由熱到冷的總轉移時(shí)問(wèn)不超過(guò)1 min，保持時(shí)間不小于10 min。

　　c)高溫壽命(非工作：按照國家標準規定的壽命試驗要求，使元器件在規定的環(huán)境條件下(通常是最高溫度)存儲規定的時(shí)間。

　　d)電功率老煉：按降額條件達到最高結溫下的老煉目的，老煉功率按元器件各自規定的條件選取。

　　e)密封性試驗：有空腔的元器件，先細檢漏，后粗檢漏。

　　f)電參數測試(包括耐壓或漏電流等測試)：按產(chǎn)品技術(shù)規范合同規定進(jìn)行。

　　g)功能測試：按產(chǎn)品技術(shù)規范合同規定進(jìn)行。

　　基于以上原理，優(yōu)化了元器件測試篩選先后次序，按照失效模式的分類(lèi)，對檢測篩選手段依據元器件測試篩選先后次序的原則進(jìn)行排序，首先按照失效概率進(jìn)行排序：排序結果如表1所示。

　　表1中：失效概率等級是依據各種檢測手段下可能觸發(fā)缺陷的概率比較所得，由于元器件到達使用廠(chǎng)家時(shí)經(jīng)過(guò)各種運輸、存儲過(guò)程，所以外觀(guān)破裂、銹蝕等情況發(fā)生比較多見(jiàn)，一般占元器件失效總數的40％左右，所以將外觀(guān)的失效概率等級放置在第1位；溫度循環(huán)和高溫壽命(非工作)失效概率等級相同，考慮經(jīng)濟性和時(shí)間性，所以溫度循環(huán)放置在第2位；高溫壽命(非工作)放置在第3位。

　　按照原則排序后，還加上一次外觀(guān)檢查，主要是為了防止測試篩選過(guò)程中由于在不同實(shí)驗室之間轉運而發(fā)生外觀(guān)破損等現象，保證檢驗結束后的元器件外觀(guān)合格。這樣就得到圖1所示的篩選工作流程圖。

　　由圖1可以看出，依據決定元器件測試篩選先后次序的原則優(yōu)化以后的篩選順序能夠及時(shí)判別各種失效的發(fā)生，同時(shí)，當元器件產(chǎn)生失效時(shí)，通過(guò)失效時(shí)元器件所處的階段準確判定元器件的失效模式，為元器件和整機系統的可靠性設計提供了準確的依據。

　　3結束語(yǔ)

　　本文通過(guò)對元器件失效模式的討論，結合各種測試篩選手段的分析，提出了決定元器件測試篩選先后次序的原則，這個(gè)原則對平時(shí)的工作有很大的指導作用。通過(guò)這個(gè)原則的使用，可以迅速判斷元器件的失效原因和模式，節省分析的時(shí)間和成本，從而提高產(chǎn)品的可靠性。