电子元器件筛选技术.docx
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电子元器件筛选技术
电子元器件筛选技术
LT
产品失效率浴盆曲线
a.根据浴盆曲线理论制订筛选条件
⑴求拐点B:
老化到B点是最佳筛选点,使用时(B点以后)失效率最低,且剩留的使用时间(BC段)最长。
⑵如老炼时间较长(过B点较多),则将会缩短使用时间,这显然是不合适的。
b.浴盆曲线与实际的矛盾之处
⑴拐点找不到。
失效率总随时间下降,只是速率不同而已。
⑵三个不同阶段的失效机理雷同。
例如电迁移失效在不同使用时间都有可能出现,其他失效机理亦然。
⑶从国内外文献中均未见到有说服力的半导体器件进入衰老期的例子。
⑷浴盆曲线理论没有强调设计、生产对可靠性的影响。
由于浴盆曲线理论与事实矛盾,应用该理论在制订筛选条件时遇到很大阻力。
当要采用较长时间的老化(如240h或更长时间),根据浴盆曲线理论必然提出:
这样做会缩短使用寿命。
这样就无法制订出正确的筛选规范。
1.新失效率曲线简介
新的失效率理论和曲线有很多种,这里介绍一种。
新失效率曲线
新失效率曲线如上图,其特点有:
I失效率及其下降速率随使用时间增加而下降。
II在足够长时间内不出现失效率曲线上翘的衰老期。
“足够长”是指在一般使用任务中均不必考虑这个时期。
III不同设计、生产水平对应不同的失效率曲线。
图中ABC三条不同的曲线,反映出设计、生产水平的不同。
A的设计生产水平最高,C最差。
IV如果要求筛选后失效率低于λ1,则对不同设计生产水平的产品需要老炼的时间不同。
对水平高的A,只需要老炼
时间。
对水平低的C,则需要老炼
时间。
而
>
。
V如要求筛选后失效率更低,如要求不高于λ2(λ2<λ1)。
则老炼时间也要增加,这时对A曲线需
时间。
老炼时间越长,器件的失效率越低。
VI并不是所有工艺水平的产品都能达到所要求的低失效率。
对C工艺,老炼时间再长,甚至把产品完全淘汰完了,也达不到λ2水平。
4.1.2老炼试验简述
老炼试验简单地说就是使元器件在一定环境温度下工作一段时间。
环境温度有室温、高温。
对小功率器件,一般采用高温以加速老炼。
对功率器件,有采用常温甚至用散热器散热的。
元器件工作方式则有静态(反偏)、动态等。
下面主要叙述动态老炼。
动态老炼模拟了器件使用状态,因此比较能反映使用过程的实际情况。
器件在工作时将出现大部分失效模式,在动态老炼时均能真实反映。
且根据老炼控制点的PDA控制可以判断经筛选后电路失效率是否低。
因此,老炼是很重要的元器件筛选试验,但试验费用较高。
动态老炼时间和老炼温度的选择,老炼试验的应力主要由老炼时间和老练温度、老炼负载来确定。
按新失效率曲线理论是可以找到失效率低于要求的合适老炼时间的。
但不同工艺水平,为达到一定的失效率所要求的老炼时间不同。
因此每批都去求最佳老炼时间,既不经济也无必要。
当然按照新失效率曲线,老炼时间越长,电路越可靠,但成本也越高。
因此无限增加老炼时间也是不可取的。
此外老炼应力除和老炼时间有关外,也和温度有关,温度高则应力强,老炼加速。
即可用较少时间达到同样目的。
温度和时间的对应关系有不同说法。
GJB548中对微电路的一张对应表:
动态老练温度和老炼时间对照表
环境温度
至少老炼时间(h)
备注
S级
B级
100
352
仅用于混合微电路
110
260
仅用于混合微电路
120
190
仅用于混合微电路
125
240
160
130
208
138
140
160
105
150
120
80
显然,老练温度高,老炼时间可以缩短,从而降低试验成本。
但温度高,也带来工作上的困难。
如高温下焊锡软化(软化所需温度远低于融化点)限制、老炼板寿命下降等。
对大功率器件还需考虑最高结温的限制。
综上所述,我们对不同质量级别要求的器件,统一规定了老炼时间和老炼温度。
如对微电路,国内一般取老炼温度为85℃或125℃。
美军标和国军标都采用125℃。
对分立器件,有的采用150℃。
对单片微电路的S级,老炼时间取240h,对B级为160h。
对混合微电路K级为320h,H级为160h等。
对批质量水平,采用PDA技术进行鉴别和控制。
动态老炼的负载的选择,老炼负载,即指器件输出端所带的负载。
老炼应力和负载大小有很大的关系。
负载大,应力大。
因此负载大小应尽量接近真实。
如使用有容性和感性负载则应同样在筛选中实现或模拟。
关于一块微电路中多个电路的共用电阻性负载是这样规定的:
一块微电路中有时含多个简单电路(如四二与非门即四个二输入端与非门电路封装在一个管壳里)。
如每个电路要焊两个负载电阻,则含n个电路的集成块需要2n个电阻,使老炼板制作增加难度。
一般的做法是将n个同类电路输出端共接一个电阻,且阻值降为1/n。
这样做固然大大简化老炼板的制作。
但缺点是各个电路参数不可能绝对相同,因此会发生”抢电流“现象,而使各个电路负载不匀。
有的过轻,有的过重。
美标MIL-STD-883C的1994年8月修改通知中明确规定:
1985年1月31日以后再不允许共用负载电阻。
国军标GJB548已把这个规定写了进去。
由于这和传统做法有较大不同,希望做试验时注意这个规定。
反偏老炼,是一种加特殊偏置的老炼试验方法,仅用于MOS等对表面态较为敏感的器件。
所加偏置应能使尽可能多的PN结处于反偏。
其作用是使PN结在高温反偏条件下能高效的把可动离子“赶”到界面从而促使有缺陷的器件尽早失效。
反偏老炼的费用低于动态老炼。
在GJB548中规定,只有S级才采用这项试验,并取老炼时间为72h。
但在很多产品详细规范中规定,对B级也必须作。
对元器件用户来说,所使用器件如对可动离子造成的失效机理比较敏感,则本试验可作为二次筛选的一个试验项目。
老炼后的冷却及测试,一般要求在老炼后,器件冷却到壳温不高于30℃,才允许器件断电。
这主要是考虑在高温无电厂作用下,可动离子会作无规则运动,从而使已失效了的性能恢复正常,掩盖了曾失效的现象。
一般要求在试验结束后96h内将被测电路测完。
不能测完的部分重作24h的老炼后再测试。
对批量小的电路限制测试完的时间还应压缩,效果会更好些。
对反偏老炼后的冷却及测试时间应严格按规定进行。
4.2高温存储筛选
高温存储技术要求低,费用省,有时效果还不错。
存储温度过高,时间过长对封装有破坏性。
主要失效模式之一是引腿镀层微裂,失去保护引腿材料的作用。
美军标对该试验项目的应力,即存储温度和时间已逐步限制。
对微电路已采用150℃、24h。
而国内有些标准采用了高温度(烘箱达高温不困难)、长时间,且自认为超美军标应力水平,这种看法是错误的。
对同一应力强度,提高了存储温度就需要减少存储时间。
对集成电路而言GJB548表明,存储温度和时间有下列对应关系。
存储温度(℃)
存储时间(h)
100
1000
125
168
150
24
175
6
对成熟电路高温存储试验的筛选率接近于零。
即本试验项目筛选效果很差。
老炼试验是对元器件工作寿命的一种加速试验。
而高温存储把水汽这个会对封装起作用的室温存储环境因素排除掉了,因此有人用高温存储来反推存储寿命。
4.3PDA控制
PDA意为“批允许不合格率”。
PDA不是试验方法而是试验技术。
PDA技术的引入使筛选的作用有了一个质的飞跃。
在引入前,筛选只是100%的“过筛”,不合格的全筛下去,合格的当然要交付使用,但这些合格器件的失效率仍是个未知数。
PDA技术能部分解决这个问题。
应用它能分辨出某批电路将来使用时失效率将较低,而某批电路“过筛”后的“合格”品失效率仍高,仍然必须整批报废。
PDA控制技术对提高产品可靠性效果显著,所花成本不高,现已被广泛采用。
但若对其原理了解不够和使用方法不当就会限制这个技术的使用效果。
首先要选定某一试验项目为进行PDA控制的实验项目,该试验项目称为PDA控制点(常选在老炼试验项目)。
然后确定控制值即PDA值。
该值根据可靠性要求而定,如S级选3%,B级选5%等。
PDA值越低,则通过筛选后的器件批失效率越低。
当然该值也与应力强度有关,如同样的老炼温度经48h的老炼和168h老炼相比,虽然PDA同样达到5%,但经168h老炼的器件批失效率低。
计算批缺陷率P1值,经规定的控制点(如功率老炼)筛选后,失效数为r1,则定义批缺陷率P1为:
其中N为在该控制点参加该试验项目筛选的器件总数。
如果P1值大,则该批拒收。
如P1值不大,则通过该试验。
缺陷率P1值直接反映试验前该批元器件的可靠性水平,即和该批器件中含某一个(或某一些)缺陷的次品率W1成正比。
证明如下:
总数为N的样品中,和r1同失效模式的次品率设为W1.按定义,W1为:
式中,R1为和r1同类缺陷的实际次品数。
令B1为筛选率,则:
将B1值、W1值代入整理得批缺陷率P1为:
对某一特定试验项目,B1为常数。
于是:
即批缺陷率P1与次品率成正比。
4.4其他筛选方法
除了上面介绍的三种筛选方法之外还有常用的筛选方法如离心试验、检漏试验、测试电参数法、温度循环和目检等。
4.5各种筛选方法的比较
序号
筛选方法
拟筛的缺陷
效果
费用
备注
1
老炼试验
金属化、硅块、氧化物、参数漂移
极好
高
2
温度循环
封装、密封、热失配、龟裂
很好
低
对采用引线的元器件最有效
3
密封试验
封装、密封
很好
较高
4
目检
引线、金属化、氧化物、污染微粒子、芯片键合、引线键合
好
低中等
高可靠性元件必做项目
5
X光检验
芯片键合、引线、微粒子、制造缺陷、密封、封装、污染
好
中等
可在封装后检查芯片键合质量,但对硅铝费用较高
6
离心加速度试验
引线、芯片键合、引线键合、衬底龟裂
好
较高
7
高温贮存试验
电气稳定性、金属化、硅块、腐蚀
一般
低
对新研器件效果较好
1、典型筛选程序
高温储存——温度循环——(跌落)——离心——高温功率老炼——高温测试——低温测试——检漏——外观检查——常温测试。
A.高温储存:
85~175℃,96小时。
B.离心:
20000g,1分钟。
C.高温功率老炼:
85℃,96小时,在额定电压、额定负载下动态老炼。
2、总结
电子元器件筛选作为提高元器件使用可靠性的手段,发挥着重要和特殊的作用,在目前和今后的一段时期内将继续保留,它的作用已被多数整机生产厂所认可。
随着国内电子行业的发展,我们应该不断研究新的电子元器件的筛选方法,为元器件使用的可靠性提供重要保障。
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