电子元器件质量与可靠性技术的研究探讨

王文栋

（中国电子科技集团第二十研究所，陕西西安 710000）

0.引言

随着全球经济一体化发展水平的提高，我国市场环境竞争也越来越激烈，不管是历史时间还是现实情况分析，企业要在激烈的竞争环境中提高自身占有率，就要不断提高产品质量。随着改革开放进程的加快，我国军事行业的迅猛发展，推动了我国社会经济的发展和进步。电子元器件作为武装的重要组成之一，其质量直接关系到了武装整体系统的安全性和稳定性，必须给予电子元器件质量的高度关注。在当前的生产环境下，提高质量的技术主要用于事后检验，这种方式只能发现质量不达标的产品，但是无法避免废品的产生，导致企业的生产成本无法得到良好的控制，给企业带来不良的影响。本文针对电子元器件质量和可靠性技术的应用现状进行分析，并且对可靠性设计、分析、评估技术等进行全面分析，分析新型元器件以及可靠性技术的发展趋势。

1.国内外电子元器件的质量及可靠性技术发展趋势

以前人们对质量管理的认知仅仅停留在质量检验上，通过有效的检验方法能够针对出厂之后的各项工序进行质量管理，不过随着可靠性和产品质量的发展、社会经济的发展以及企业生产规模的扩大，传统的检验技术无法满足产品可靠性的要求。进入到20世纪50年代后，全面质量管理的理念和技术被提出，在产品研发和制作的过程中应用有效提高了产品的整体质量，也保证了技术的可靠性。我国电子元器件可靠性技术提高的发展较晚，20世纪70年代才开始在电子工业和航空工业中初步形成可靠性研究体系，并将其应用于军工产品。

近年来，半导体技术的发展对电子元器件可靠性技术提出了一定的要求，最常见的问题包括：电性能不可预测性、环境以及机械实验的不可模型性以及传统试验方法的不适用性等，给可靠性技术的研究带来极大的挑战。不管是我国还是国外针对电子元器件可靠性技术的分析，将可靠性技术与电子器件设计结合起来，能够将失效物理以及电路设计结合起来，可靠性技术也不仅仅是一个附属品，同时由于各种可靠性研究和评估技术的发展，也形成了很多新的可靠性分析方法[1]。

2.关于电子元器件可靠性技术的研究

2.1 可靠性设计技术

可靠性设计作为可靠性工程的重点内容，直接影响着电子元器件的安全性和稳定性，在企业产品研发中是最值得关注的问题之一。在可靠性建设阶段，需要满足功能和特性参数的要求，还要考虑到产品使用寿命与可靠性之间的关系。

（1）产品可靠性需求分析及可靠性设计原则。为了设计出可靠性更加完善的产品，首先就要采集以及分析产品的相关环境信息，主要思想原则要根据产品的典型任务内容、提取环境特点、挖掘内在条件的基础上形成产品可靠性设计要求，并且对产品样件的测试大纲以及可靠性设计提供基础。不仅如此，电子元器件自身设计、应用的材料、生产过程都对其可靠性带来一定的影响，因此需要几个方面提高产品的可靠性：1）采用失效数据统计分析以及失效样本分析，明确电子产品质量与可靠性的失效类型。随着电子元器件大小的减小，电迁移、TDDB以及热载流子等失效机理也越来越多，要给予可靠性设计的高度重视。2）针对元器件结构、图纸设计、工艺技术等采用有效的可靠性设计技术。比如说，在单片集成电路设计环节要尽可能降低工作电驴，以免电迁移失效。版图设计阶段还要注意互联线的宽度，控制电流的密度。组装工艺要提高散热性能，以免工作中温度升高。3）性能参数与可靠性之间发生矛盾，要先考虑产品的可靠性条件。比如说，大功率半导体器件，在芯片与底座之间使用钼片以加强缓冲、也能提高粘连的稳定性，提高串联电阻，避免饱和压降的提高[2]。

（2）电子元器件的选择及管控。电子元器件是构成电子产品的重要元素，电子元器件的类型选择直接关系到电子产品的整体质量和可靠性，通过有效的手段进行管控：1）采用质量过关的电子元器件，并且针对现有的元器件做好归类管理，构建优质元器件库。2）制定完善的物料管理系统，加强对新物料的筛选和管理。3）根据电路工作参数、整机的使用环境，选择符合要求的电子元器件，提高电子产品的可靠性。

（3）常用的可靠性设计对策。1）降额设计。电子元器件由于自身材料、制造工艺、结构对外应力有极强的耐受力，不过若是外应力超过了元器件自身的承受压力，那么就会发生损坏。间隔设计，就是将元器件使用中采用比额定值低的状态下的设计技术。有效地降额能够减少电子器件的失效率，从而保证产品的可靠性。根据专家的而研究，在强辐射、低气压、低温等特殊环境下，考虑电气设备高原降额的基础上，根据5000m等级水平就逆变器的功率开展降额设计[3]。2）热设计。电子设备中使用的电子元器件密度明显提高，电子元器件之间传导、辐射、对流形成的热效应也是导致电子元器件发生故障的主要原因。根据分析可知，电子元器件的温度提高2℃，可靠性就会下降10%，电子元器件的温度达到了50℃，电子产品的使用寿命会明显降低。因此可以通过有效的设计手段亏功能指电子元器件的温度升高。根据专家的研究，针对便携式密封机的热行为实施数据模拟，获取密封机箱中各元器件的温度分布，通过热阻较小、传输效率较高的热管进行热量传递，能够实现芯片冷却，提高冷却的效果。3）亢余设计。亢余设计目前被广泛应用，具有实用性高、操作简单的特点。设计人员经常会在关键的部位使用电子元器件，但是若电子元器件失去了作用，附件元件可以代替开展工作，不会对整体系统的运行造成影响。根据专家的研究，开关电源模块摒弃了传统的亢余电源设计，采用MOS管进行亢余管理，通过电源模块的远端补偿sense端设计均流电路，获得极高的效果。有并联电源模块的地位是相同的，因此这些模块都可以成为主电源，通过有效的设计能够扩充容量，发挥亢余的功能。4）电磁兼容设计。电磁兼容设计就是在同样的磁环境中，能够实现系统、子系统、设备功能的并存。电磁兼容性包括系统内和系统间2个方面，是评估电子产品可靠性的重要指标。电磁兼容设计的方法为：系统电器元件、参考地之间要构建导电通道，在各个金属元器件表面构建低阻通道，减少元器件由于电位差而造成干扰，通过有效的屏蔽措施阻隔辐射电磁波[4]。5）三防设计。气候环境中包括很多不可控的因素：湿度、盐雾、霉菌，电子产品具有极高的精密性，要考虑工作环境对电子产品带来的影响，针对影响因素制定有效的三防措施。根据安装在舰载直升机的某个信号处理机，考虑海洋环境的湿热、高热、盐雾的特点，会导致电路发生腐蚀或发霉。为了保证信号处理机能够正常的投入工作，就要在设计初期严格落实三防措施，通过选择抗腐蚀材料、在材料表面涂抹防腐蚀物质等提高安全性。然后通过试验测试信号处理机的防护性能分析，在高热、湿热、盐雾的状态下依然能够正常工作，三防设计能够有效满足处理机在恶劣环境下的工作需求。

2.2 可靠性试验技术

在电子产品研制中，设计环节成为了决定产品质量和可靠性的重要流程，测试、试验作为评估设计的关键手段，只有通过可靠性试验获取有效数据，并且针对数据进行分析、处理，才能确定产品的可靠性。（1）可靠性试验应用的目的。可靠性试验的目的就是评估设计是否能够满足可靠性的相关要求，但是无法对产品是否合格进行评估。可靠性试验还有一个目的在于找到且排除设计制造中存在的问题，制定有效的解决对策，提高电子产品的可靠性。（2）可靠性试验的相关分类。可靠性试验应用阶段，要先落实产品研制的流程，半导体器件在开发的不同阶段要采用不同的可靠性试验，分类方法也各有不同，最常用的就是统计可靠性试验以及工程可靠性试验。工程可靠性试验中还包括环境筛选试验、可靠性增长试验等，有利于提高产品的可靠性。统计可靠性试验为了获取产品在特殊条件下的可靠性指标，为设计、生产、应用提供有力数据。不仅如此，可靠性试验应用阶段还有很多不同分类，比如可以根据环境的不同划分为不同应力条件下的现场试验和模拟试验；根据不同的实验特点划分为破坏性实验和非破坏性试验；根据实验项目的划分包括环境试验、寿命试验、加速试验等[5]。

2.3 可靠性技术

电子元器件可靠性分析技术包括物理措施和化学措施，从结构、原材料选择、制造工艺上对电子元器件进行深层次设计，为评估电子元器件的可靠性提供基础。（1）破坏性物理分析。这一技术主要用于验证电子元器件设计、结构、材料及质量是否满足相关要求，根据电子元器件生产批次进行抽样检查，并且在样品分析前后实施完善的检验和分析。破坏性物理分析能够判断是否会产生危害并且导致电子元器件的批次出现质量问题。我国航天行业在20世纪80年代实施了DPA措施，提高了电子元器件的质量，促进产品质量不断提高。根据郁振华[6]等人研究，采用了铜丝键合塑封器件DPA的评判标准，确定了开封技术的工艺流程和参数。（2）失效分析。产品失效作为制造行业生产中最常见的问题，失效分析是必不可少的工作。失效分析技术针对设计到应用中失去功效的电子元器件，通过性能、化学、物理等多个方面查找失效的原因，明确失效模式和失效机理，制定合理的纠正措施，从而达到提高电子元器件质量、减少元器件失效率的作用。根据研究，通过二次电池电芯失效分析方法，技术流程包括失效背景信息收集、外观检查、无损检测获取电化学信息、拆解电芯等，从而对电子元器件的样品实施测试。二次电池电芯失效分析方法能够对失效原因、失效机理进行分析，有效提高分析人员的工作效率，形成失效分析数据库，对促进行业发展奠定良好的基础[7]。（3）结构分析。电子元器件的可靠性技术是指在规定的环境下完成有效的任务，从某种程度上来说直接决定了元器件的可靠性，可靠性与结构设计有密切的关系，结构设计中还包括制造材料、工艺流程等，不管任何一个环节出现问题，工艺结构都会出现问题，阻碍了电子元器件的可靠性，进而会对电子产品的整体效能产生影响。在电子元器件前全面了解其结构和工艺上存在的问题，能够减少电子元器件的损失，形成可靠性评估方法。

2.4 可靠性评估技术

元器件可靠性评估技术的内容包括元器件成品、半成品、样片等，通过一定的应力且记录过程变化数据，最后通过梳理统计工具、模拟仿真软件评估电子产品使用寿命。（1）电子元器件的寿命试验。其目的判断电子元器件的寿命影响因素，通过实验能够获取关于寿命的相关参数。试验前要准备数量生产条件相同、未使用过的电子元器件，在模拟环境中工作记录数据，然后分析电子元器件的失效率、平均寿命等。（2）元器件加速寿命试验。随着我国制造行业的发展，对产品质量也提出了极高的要求，制造行业面临极大的工作压力，不仅要做到保持价格稳定，还要提高产品质量。加速寿命试验的应用，能够在可靠性试验的情况下加强实验应力水平，保证元器件能够正常工作，快速获取电子产品的寿命特点。

3.结语

随着科学技术的发展，先进技术的应用也推动了电子元器件的适用范围，那么提高电子元器件在恶劣环境中的使用质量是必需的手段。我们要致力于提高电子元器件的质量及可靠性技术，促进自主研发的电子元器件广泛应用在各个领域中，并且要针对航天行业中的电子元器件进行适当管理，产品设计的质量管理中也要给予相应指导，提高航天行业电子元器件的应用质量。