王文棟

（中國電子科技集團(tuán)第二十研究所，陜西西安 710000）

0.引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展水平的提高，我國市場環(huán)境競爭也越來越激烈，不管是歷史時(shí)間還是現(xiàn)實(shí)情況分析，企業(yè)要在激烈的競爭環(huán)境中提高自身占有率，就要不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量。隨著改革開放進(jìn)程的加快，我國軍事行業(yè)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)了我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步。電子元器件作為武裝的重要組成之一，其質(zhì)量直接關(guān)系到了武裝整體系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，必須給予電子元器件質(zhì)量的高度關(guān)注。在當(dāng)前的生產(chǎn)環(huán)境下，提高質(zhì)量的技術(shù)主要用于事后檢驗(yàn)，這種方式只能發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品，但是無法避免廢品的產(chǎn)生，導(dǎo)致企業(yè)的生產(chǎn)成本無法得到良好的控制，給企業(yè)帶來不良的影響。本文針對(duì)電子元器件質(zhì)量和可靠性技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并且對(duì)可靠性設(shè)計(jì)、分析、評(píng)估技術(shù)等進(jìn)行全面分析，分析新型元器件以及可靠性技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.國內(nèi)外電子元器件的質(zhì)量及可靠性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

以前人們對(duì)質(zhì)量管理的認(rèn)知僅僅停留在質(zhì)量檢驗(yàn)上，通過有效的檢驗(yàn)方法能夠針對(duì)出廠之后的各項(xiàng)工序進(jìn)行質(zhì)量管理，不過隨著可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量的發(fā)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的檢驗(yàn)技術(shù)無法滿足產(chǎn)品可靠性的要求。進(jìn)入到20世紀(jì)50年代后，全面質(zhì)量管理的理念和技術(shù)被提出，在產(chǎn)品研發(fā)和制作的過程中應(yīng)用有效提高了產(chǎn)品的整體質(zhì)量，也保證了技術(shù)的可靠性。我國電子元器件可靠性技術(shù)提高的發(fā)展較晚，20世紀(jì)70年代才開始在電子工業(yè)和航空工業(yè)中初步形成可靠性研究體系，并將其應(yīng)用于軍工產(chǎn)品。

近年來，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展對(duì)電子元器件可靠性技術(shù)提出了一定的要求，最常見的問題包括：電性能不可預(yù)測(cè)性、環(huán)境以及機(jī)械實(shí)驗(yàn)的不可模型性以及傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的不適用性等，給可靠性技術(shù)的研究帶來極大的挑戰(zhàn)。不管是我國還是國外針對(duì)電子元器件可靠性技術(shù)的分析，將可靠性技術(shù)與電子器件設(shè)計(jì)結(jié)合起來，能夠?qū)⑹锢硪约半娐吩O(shè)計(jì)結(jié)合起來，可靠性技術(shù)也不僅僅是一個(gè)附屬品，同時(shí)由于各種可靠性研究和評(píng)估技術(shù)的發(fā)展，也形成了很多新的可靠性分析方法[1]。

2.關(guān)于電子元器件可靠性技術(shù)的研究

2.1 可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)

可靠性設(shè)計(jì)作為可靠性工程的重點(diǎn)內(nèi)容，直接影響著電子元器件的安全性和穩(wěn)定性，在企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)中是最值得關(guān)注的問題之一。在可靠性建設(shè)階段，需要滿足功能和特性參數(shù)的要求，還要考慮到產(chǎn)品使用壽命與可靠性之間的關(guān)系。

（1）產(chǎn)品可靠性需求分析及可靠性設(shè)計(jì)原則。為了設(shè)計(jì)出可靠性更加完善的產(chǎn)品，首先就要采集以及分析產(chǎn)品的相關(guān)環(huán)境信息，主要思想原則要根據(jù)產(chǎn)品的典型任務(wù)內(nèi)容、提取環(huán)境特點(diǎn)、挖掘內(nèi)在條件的基礎(chǔ)上形成產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)要求，并且對(duì)產(chǎn)品樣件的測(cè)試大綱以及可靠性設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。不僅如此，電子元器件自身設(shè)計(jì)、應(yīng)用的材料、生產(chǎn)過程都對(duì)其可靠性帶來一定的影響，因此需要幾個(gè)方面提高產(chǎn)品的可靠性：1）采用失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及失效樣本分析，明確電子產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的失效類型。隨著電子元器件大小的減小，電遷移、TDDB以及熱載流子等失效機(jī)理也越來越多，要給予可靠性設(shè)計(jì)的高度重視。2）針對(duì)元器件結(jié)構(gòu)、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、工藝技術(shù)等采用有效的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。比如說，在單片集成電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要盡可能降低工作電驢，以免電遷移失效。版圖設(shè)計(jì)階段還要注意互聯(lián)線的寬度，控制電流的密度。組裝工藝要提高散熱性能，以免工作中溫度升高。3）性能參數(shù)與可靠性之間發(fā)生矛盾，要先考慮產(chǎn)品的可靠性條件。比如說，大功率半導(dǎo)體器件，在芯片與底座之間使用鉬片以加強(qiáng)緩沖、也能提高粘連的穩(wěn)定性，提高串聯(lián)電阻，避免飽和壓降的提高[2]。

（2）電子元器件的選擇及管控。電子元器件是構(gòu)成電子產(chǎn)品的重要元素，電子元器件的類型選擇直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的整體質(zhì)量和可靠性，通過有效的手段進(jìn)行管控：1）采用質(zhì)量過關(guān)的電子元器件，并且針對(duì)現(xiàn)有的元器件做好歸類管理，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)元器件庫。2）制定完善的物料管理系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)新物料的篩選和管理。3）根據(jù)電路工作參數(shù)、整機(jī)的使用環(huán)境，選擇符合要求的電子元器件，提高電子產(chǎn)品的可靠性。

（3）常用的可靠性設(shè)計(jì)對(duì)策。1）降額設(shè)計(jì)。電子元器件由于自身材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)對(duì)外應(yīng)力有極強(qiáng)的耐受力，不過若是外應(yīng)力超過了元器件自身的承受壓力，那么就會(huì)發(fā)生損壞。間隔設(shè)計(jì)，就是將元器件使用中采用比額定值低的狀態(tài)下的設(shè)計(jì)技術(shù)。有效地降額能夠減少電子器件的失效率，從而保證產(chǎn)品的可靠性。根據(jù)專家的而研究，在強(qiáng)輻射、低氣壓、低溫等特殊環(huán)境下，考慮電氣設(shè)備高原降額的基礎(chǔ)上，根據(jù)5000m等級(jí)水平就逆變器的功率開展降額設(shè)計(jì)[3]。2）熱設(shè)計(jì)。電子設(shè)備中使用的電子元器件密度明顯提高，電子元器件之間傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流形成的熱效應(yīng)也是導(dǎo)致電子元器件發(fā)生故障的主要原因。根據(jù)分析可知，電子元器件的溫度提高2℃，可靠性就會(huì)下降10%，電子元器件的溫度達(dá)到了50℃，電子產(chǎn)品的使用壽命會(huì)明顯降低。因此可以通過有效的設(shè)計(jì)手段虧功能指電子元器件的溫度升高。根據(jù)專家的研究，針對(duì)便攜式密封機(jī)的熱行為實(shí)施數(shù)據(jù)模擬，獲取密封機(jī)箱中各元器件的溫度分布，通過熱阻較小、傳輸效率較高的熱管進(jìn)行熱量傳遞，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片冷卻，提高冷卻的效果。3）亢余設(shè)計(jì)?？河嘣O(shè)計(jì)目前被廣泛應(yīng)用，具有實(shí)用性高、操作簡單的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)在關(guān)鍵的部位使用電子元器件，但是若電子元器件失去了作用，附件元件可以代替開展工作，不會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。根據(jù)專家的研究，開關(guān)電源模塊摒棄了傳統(tǒng)的亢余電源設(shè)計(jì)，采用MOS管進(jìn)行亢余管理，通過電源模塊的遠(yuǎn)端補(bǔ)償sense端設(shè)計(jì)均流電路，獲得極高的效果。有并聯(lián)電源模塊的地位是相同的，因此這些模塊都可以成為主電源，通過有效的設(shè)計(jì)能夠擴(kuò)充容量，發(fā)揮亢余的功能。4）電磁兼容設(shè)計(jì)。電磁兼容設(shè)計(jì)就是在同樣的磁環(huán)境中，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備功能的并存。電磁兼容性包括系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間2個(gè)方面，是評(píng)估電子產(chǎn)品可靠性的重要指標(biāo)。電磁兼容設(shè)計(jì)的方法為：系統(tǒng)電器元件、參考地之間要構(gòu)建導(dǎo)電通道，在各個(gè)金屬元器件表面構(gòu)建低阻通道，減少元器件由于電位差而造成干擾，通過有效的屏蔽措施阻隔輻射電磁波[4]。5）三防設(shè)計(jì)。氣候環(huán)境中包括很多不可控的因素：濕度、鹽霧、霉菌，電子產(chǎn)品具有極高的精密性，要考慮工作環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品帶來的影響，針對(duì)影響因素制定有效的三防措施。根據(jù)安裝在艦載直升機(jī)的某個(gè)信號(hào)處理機(jī)，考慮海洋環(huán)境的濕熱、高熱、鹽霧的特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致電路發(fā)生腐蝕或發(fā)霉。為了保證信號(hào)處理機(jī)能夠正常的投入工作，就要在設(shè)計(jì)初期嚴(yán)格落實(shí)三防措施，通過選擇抗腐蝕材料、在材料表面涂抹防腐蝕物質(zhì)等提高安全性。然后通過試驗(yàn)測(cè)試信號(hào)處理機(jī)的防護(hù)性能分析，在高熱、濕熱、鹽霧的狀態(tài)下依然能夠正常工作，三防設(shè)計(jì)能夠有效滿足處理機(jī)在惡劣環(huán)境下的工作需求。

2.2 可靠性試驗(yàn)技術(shù)

在電子產(chǎn)品研制中，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)成為了決定產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的重要流程，測(cè)試、試驗(yàn)作為評(píng)估設(shè)計(jì)的關(guān)鍵手段，只有通過可靠性試驗(yàn)獲取有效數(shù)據(jù)，并且針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，才能確定產(chǎn)品的可靠性。（1）可靠性試驗(yàn)應(yīng)用的目的?？煽啃栽囼?yàn)的目的就是評(píng)估設(shè)計(jì)是否能夠滿足可靠性的相關(guān)要求，但是無法對(duì)產(chǎn)品是否合格進(jìn)行評(píng)估?？煽啃栽囼?yàn)還有一個(gè)目的在于找到且排除設(shè)計(jì)制造中存在的問題，制定有效的解決對(duì)策，提高電子產(chǎn)品的可靠性。（2）可靠性試驗(yàn)的相關(guān)分類?？煽啃栽囼?yàn)應(yīng)用階段，要先落實(shí)產(chǎn)品研制的流程，半導(dǎo)體器件在開發(fā)的不同階段要采用不同的可靠性試驗(yàn)，分類方法也各有不同，最常用的就是統(tǒng)計(jì)可靠性試驗(yàn)以及工程可靠性試驗(yàn)。工程可靠性試驗(yàn)中還包括環(huán)境篩選試驗(yàn)、可靠性增長試驗(yàn)等，有利于提高產(chǎn)品的可靠性。統(tǒng)計(jì)可靠性試驗(yàn)為了獲取產(chǎn)品在特殊條件下的可靠性指標(biāo)，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用提供有力數(shù)據(jù)。不僅如此，可靠性試驗(yàn)應(yīng)用階段還有很多不同分類，比如可以根據(jù)環(huán)境的不同劃分為不同應(yīng)力條件下的現(xiàn)場試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)；根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)劃分為破壞性實(shí)驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的劃分包括環(huán)境試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、加速試驗(yàn)等[5]。

2.3 可靠性技術(shù)

電子元器件可靠性分析技術(shù)包括物理措施和化學(xué)措施，從結(jié)構(gòu)、原材料選擇、制造工藝上對(duì)電子元器件進(jìn)行深層次設(shè)計(jì)，為評(píng)估電子元器件的可靠性提供基礎(chǔ)。（1）破壞性物理分析。這一技術(shù)主要用于驗(yàn)證電子元器件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料及質(zhì)量是否滿足相關(guān)要求，根據(jù)電子元器件生產(chǎn)批次進(jìn)行抽樣檢查，并且在樣品分析前后實(shí)施完善的檢驗(yàn)和分析。破壞性物理分析能夠判斷是否會(huì)產(chǎn)生危害并且導(dǎo)致電子元器件的批次出現(xiàn)質(zhì)量問題。我國航天行業(yè)在20世紀(jì)80年代實(shí)施了DPA措施，提高了電子元器件的質(zhì)量，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。根據(jù)郁振華[6]等人研究，采用了銅絲鍵合塑封器件DPA的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定了開封技術(shù)的工藝流程和參數(shù)。（2）失效分析。產(chǎn)品失效作為制造行業(yè)生產(chǎn)中最常見的問題，失效分析是必不可少的工作。失效分析技術(shù)針對(duì)設(shè)計(jì)到應(yīng)用中失去功效的電子元器件，通過性能、化學(xué)、物理等多個(gè)方面查找失效的原因，明確失效模式和失效機(jī)理，制定合理的糾正措施，從而達(dá)到提高電子元器件質(zhì)量、減少元器件失效率的作用。根據(jù)研究，通過二次電池電芯失效分析方法，技術(shù)流程包括失效背景信息收集、外觀檢查、無損檢測(cè)獲取電化學(xué)信息、拆解電芯等，從而對(duì)電子元器件的樣品實(shí)施測(cè)試。二次電池電芯失效分析方法能夠?qū)κг?、失效機(jī)理進(jìn)行分析，有效提高分析人員的工作效率，形成失效分析數(shù)據(jù)庫，對(duì)促進(jìn)行業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)[7]。（3）結(jié)構(gòu)分析。電子元器件的可靠性技術(shù)是指在規(guī)定的環(huán)境下完成有效的任務(wù)，從某種程度上來說直接決定了元器件的可靠性，可靠性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還包括制造材料、工藝流程等，不管任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，工藝結(jié)構(gòu)都會(huì)出現(xiàn)問題，阻礙了電子元器件的可靠性，進(jìn)而會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的整體效能產(chǎn)生影響。在電子元器件前全面了解其結(jié)構(gòu)和工藝上存在的問題，能夠減少電子元器件的損失，形成可靠性評(píng)估方法。

2.4 可靠性評(píng)估技術(shù)

元器件可靠性評(píng)估技術(shù)的內(nèi)容包括元器件成品、半成品、樣片等，通過一定的應(yīng)力且記錄過程變化數(shù)據(jù)，最后通過梳理統(tǒng)計(jì)工具、模擬仿真軟件評(píng)估電子產(chǎn)品使用壽命。（1）電子元器件的壽命試驗(yàn)。其目的判斷電子元器件的壽命影響因素，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@取關(guān)于壽命的相關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)前要準(zhǔn)備數(shù)量生產(chǎn)條件相同、未使用過的電子元器件，在模擬環(huán)境中工作記錄數(shù)據(jù)，然后分析電子元器件的失效率、平均壽命等。（2）元器件加速壽命試驗(yàn)。隨著我國制造行業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也提出了極高的要求，制造行業(yè)面臨極大的工作壓力，不僅要做到保持價(jià)格穩(wěn)定，還要提高產(chǎn)品質(zhì)量。加速壽命試驗(yàn)的應(yīng)用，能夠在可靠性試驗(yàn)的情況下加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平，保證元器件能夠正常工作，快速獲取電子產(chǎn)品的壽命特點(diǎn)。

3.結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用也推動(dòng)了電子元器件的適用范圍，那么提高電子元器件在惡劣環(huán)境中的使用質(zhì)量是必需的手段。我們要致力于提高電子元器件的質(zhì)量及可靠性技術(shù)，促進(jìn)自主研發(fā)的電子元器件廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，并且要針對(duì)航天行業(yè)中的電子元器件進(jìn)行適當(dāng)管理，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量管理中也要給予相應(yīng)指導(dǎo)，提高航天行業(yè)電子元器件的應(yīng)用質(zhì)量。