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电路中元器件筛选的3个原则

2019-08-08
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01
元器件筛选的必要性


电子元器件的固有可靠性取决于产品的可靠性设计,因此,应该在电子元器件装上整机或设备之前,就要设法尽可能排除掉存在问题的元器件,为此就要对元器件进行筛选。那么,元器件筛选都有哪些方案?原则是什么?常见的筛选项目有哪些?

安排测试筛选先后次序的两种方案:


方案1:将不产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面,将可以与其它失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面。


方案2:将可以与其它失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面,将不产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面。


如果选择方案1,会发现将可以与其它失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面,如果出现本身失效模式没有被触发,但其它关联的相关失效模式先被触发的情况,因为该类失效模式的检测已经在前面做过了,所以不能准确地定位和剔除这种带有缺陷的元器件。而选择方案2就可以非常有效地避免上述问题的发生,使筛选过程更加优质、经济和高效。


02
筛选方案的设计原则


定义如下:

筛选效率W=剔除次品数/实际次品数

筛选损耗率L=好品损坏数/实际好品数

筛选淘汰率Q=剔降次品数/进行筛选的产品总数


理想的可靠性筛选应使W=1,L=0,这样才能达到可靠性筛选的目的。Q值大小反映了这些产品在生产过程中存在问题的大小。Q值越大,表示这批产品筛选前的可靠性越差,亦即生产过程中所存在的问题越大,产品的成品率越低。


筛选项目选择越多,应力条件越严格,劣品淘汰得越彻底,其筛选效率就越高,筛选出的元器件可靠性水平也越接近于产品的固有可靠性水平。但是这样做要付出更高的费用和更长的周期,最终降低了筛选效率。


因此,筛选条件选择过高会造成不必要的浪费,筛选条件过低则劣品淘汰不彻底,产品的使用可靠性得不到保证。由此可见,筛选强度不够或筛选条件过严都对整批产品的可靠性不利。


为了有效而正确地进行可靠性筛选,必须合理地确定筛选项目和筛选应力。为此,必须了解产品的失效机理。产品的类型不同,生产单位不同以及原材料及工艺流程不同时,其失效机理就不一定相同,因而可靠性筛选的条件也应有所不同。


因此,必须针对各种具体产品进行大量的可靠性试验和筛选摸底试验,从而掌握产品失效机理与筛选项目间的关系。


元器件筛选方案的制订要掌握以下原则:

1)筛选要能有效地剔除早期失效的产品,但不应提高正常产品的失效率。

2)为提高筛选效率,可进行强应力筛选,但不应使产品产生新的失效模式。

3)合理选择能暴露失效的最佳应力顺序。

4)对掌握所有产品的失效模式。

5)为制订合理有效的筛选方案,必须了解各有关元器件的特性、材料、封装及制造技术。


此外,在遵循以上五条原则的同时,应结合生产周期,合理制定筛选时间。


03
几种常用的筛选项目


1)高温贮存

电子元器件的失效大多数是由于其体内和表面的各种物理化学变化所引起,它们与温度有密切的关系。温度升高以后,化学反应速度大大加快,失效过程也得到加速,使得有缺陷的元器件能及时暴露,予以剔除。


高温筛选在半导体器件上被广泛采用,它能有效地剔除具有表面玷污、键合不良和氧化层缺陷等失效机理的器件。通常器件需要在最高结温下贮存24~168小时。


高温筛选简单易行,费用不大,在许多元器件上都可以施行。通过高温贮存后,还可以使元器件的参数性能稳定下来,减少使用中的参数漂移。各种元器件的热应力和筛选时间要适当选择,以免产生新的失效机理。

2)功率电老炼

筛选时,在热电应力的共同作用下,能很好地暴露元器件体内和表面的多种潜在缺陷,它是可靠性筛选的一个重要项目。


各种电子元器件通常在额定功率条件下老炼数小时至168小时。有些产品,如集成电路,不能随便改变条件,但可以采用高温工作方式来提高工作结温,达到高应力状态。各种元器件的电应力要适当选择,可以等于或稍高于额定条件,但不能引人新的失效机理。


功率老炼需要专门的试验设备,其费用较高,故筛选时间不宜过长。民用产品通常为数小时,军用高可靠产品可选择100或168小时,宇航级元器件可选择240小时甚至更长的周期。

3)温度循环

电子产品在使用过程中会遇到不同的环境温度条件,在热胀冷缩的应力作用下,热匹配性能差的元器件就容易失效。温度循环筛选利用了极端高温和极端低温间的热胀冷缩应力,能有效剔除存在热性能缺陷的产品。元器件常用的筛选条件是-55℃至+125℃,循环5-10次。

4)离心加速度

离心加速度试验又称恒定应力加速度试验。这项筛选通常在半导体器件上进行,把高速旋转产生的离心力作用于器件上,可以剔除键合强度过弱、内引线匹配不良和装架不良的器件,通常选用离心加速度20000g而且持续试验一分钟。

5)监控振动和冲击

在对产品进行振动或冲击试验的同时进行电性能的监测,常被称为监控振动或监控冲击试验。这项试验能模拟产品使用过程中的振动、冲击环境,能有效地剔除瞬时短、断路等机械结构不良的元器件以及发现整机中的虚焊等故障。在高可靠继电器、接插件以及军用电子设备中,监控振动和冲击是一项重要的筛选项目。


典型振动条件:频率20-2000Hz,加速度2-20g,扫描1~2周期,在共振点附近要多停留一段时间。典型的冲击筛选条件是1500-3000g,冲击3~5次,这项试验仅适用于元器件。


监控振动和冲击需要专门的试验设备,费用昂贵,在民用电子产品中一般不采用。


除以上筛选项目外,常用的还有粗细检漏、镜检、线性判别筛选、精密筛选等。


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