电子元器件可靠性试验

吴俊

（浙江兆晟科技股份有限公司 浙江省杭州市 310023）

质量（Quaility）与可靠性(Reliability)可以说是产品的生命，好的品质和耐久性是产品的核心竞争力。开展质量与可靠性工作尽管这几年得到长足进步，但相比一些大行业和通用技术，尤其是在国内它还是处在起步阶段。质量一般通过测试，判断是否符合各项性能指标和合格率，比较容易理解和做到。可靠性工作怎么开展就比较棘手，要评价一个产品生命周期有多长，能使用多久，验证什么，如何去验证和去哪里验证是一般碰到的三个问题。本文就电子元器件可靠性试验进行简要概述，旨在提高元器件可靠性试验手段、方法的认知，并开展可靠性失效机理、失效模型的研究。

1 试验标准

在长期的研究分析、设计制造和使用过程中，对其材料、设计制造工艺、使用和验证方法等方面研究，建立了比较完善的可靠性评估模型和试验验证方法。在此基础上制定出各种各样的标准，使得这些工作变得不再盲目，变得有章可循。解决了我们验证什么、如何去验证的两个问题。

1.1 标准体系

元器件尤其是半导体器件在西方发达国家开展得比较早，研发、设计、制造等经过半个多世纪发展且相对要成熟得多，由此形成统一的标准体系。主要有：美国军用标准；JEDEC 标准；GJB 国家军用标准；IEC 国际电工委员会标准；IEEE 国际电气和电子工程师协会标准；JIS日本工业标准等。上述标准有各自的侧重行业或领域，作为我们从事电子产品可靠性的工程师，掌握和应用前面三大标准已经比较全面了。

1.2 标准体系的应用

每个标准体系都有其侧重的行业或应用场景。就可靠性试验标准而言，军工行业等领域比较倾向于MIL 美军标和GJB 国军标，GJB 标准基本是从MIL 标准对应过来的；半导体行业比较倾向于JEDEC 标准。

2 电子元器件寿命

电子元器件作为电子产品的重要组成部分，电子元器件的可靠性水平决定了电子产品的可靠性程度。在进行可靠性试验之前，我们有必要了解一下元器件的寿命周期和不同时期的失效情况。和自然界万事万物一样，元器件也有寿命并在不同时期失效率相差较大。半导体器件寿命周期内失效率可以用典型的“浴盘曲线”来表示。失效率随使用时间变化分为三个阶段：早期失效期、偶然失效期、耗损失效期。

3 可靠性试验和失效分析

可靠性试验的目的主要有：

（1）发现产品设计生产过程中因设计、材料和工艺问题和缺陷，提高产品可靠性水平；

（2）产品老炼筛选，剔除不合格品和早期失效器件，提高产品使用可靠性；

（3）例行试验，评估产品生产工艺过程中是否达到规定要求；

（4）评价产品使用寿命。可靠性试验按试验目的分为：寿命试验/加速寿命试验、老炼筛选试验、鉴定试验/例行试验、可靠性增长试验等；按试验方式又分为：电应力试验、热应力试验和机械应力试验。就客户试验目的而言，元器件设计单位试验的主要目的分为使用寿命评估、可靠性增长、例行试验和用户质量要求等级的老炼筛选（行业里俗称“一筛”）；元器件使用单位试验的目的主要是器件可靠性验证和老炼筛选（行业里俗称“二筛”），来提高器件使用可靠性；第三方检测机构的目的主要帮助客户解决元器件寿命试验、失效分析和老炼筛选，就目前国内而言主要集中在为客户提供老炼筛选服务。

失效分析原因主要分为与材料有关的失效、工艺有关的失效和电学有关的失效。将失效分析应用于器件设计部门、器件生产厂家和使用单位，为研发设计部门提供设计验证和设计改进建议，从而加速产品的研发速度，为生产部门提供材料、工艺和制造中的问题，有助于提高产品合格率和可靠性，为使用者提供可靠性设计数据，提高整机的合格率和可靠性。

4 电应力试验

可靠性试验按性质来划分，可分为破坏性试验和非破坏性试验两大类。从事的寿命试验为破坏性试验，得到试验结果和目的后被试器件就不再使用了；老化筛选为非破坏性试验，试验的目的是剔除不合格或早期失效的器件，提高器件使用的可靠性。绝大部分机型和试验方式都是建立在上述两种试验方式的基础上，都是根据试验对象、目的、标准和要求来进行具体的应用。

4.1 寿命试验

寿命试验主要目的在于设计验证其可靠性水平、可靠性增长、例行/鉴定试验和寿命评价，是一项破坏性试验。寿命试验的核心是给器件施加电应力、热应力的应力水平。一般我们工作中必须掌握和应用三个公式即：Tj=Ta+Rth(a-j)×PW、Tj=Tc+Rth(c-j)×PW、Tj=Ts+Rth(s-j)×PW（Tj 代表结温；Ta 代表环境温度；TC 代表器件壳温；Ts 代表散热器温度；Rth(a-j)代表半导体PN 结至环境的热阻；Rth(c-j)代表半导体PN 结至管壳的热阻；Rth(s-j)）代表半导体PN结至散热器的热阻；PW 代表器件施加得耗散功率）。以上三个公式的应用场景主要取决于试验时的散热方式，对于没有散热器的被试器件DUT（一般为小功率器件），无论是实验室环境还是高温环境，均采用第一个公式；对于有条件检测被试器件DUT（一般为小功率器件）壳温Tc 的，采用第二个公式；对于检测被试器件DUT（一般为小功率器件）散热器温度Ts 的，采用第三个公式。

4.2 高/低温寿命试验

半导体器件高温寿命试验是针对小功率器件的寿命试验的应用，由于小功率器件施加的电应力不足以使器件的结温Tj 达到150℃，靠环境温度的热应力Ta 来保证期间试验结温Tj 达到150℃。有一些特殊的应用场景需要做严酷的高温寿命试验，如：测井、汽车等行业就需要考察器件的高温工作寿命或加速寿命试验。高温寿命试验主要考察失效机理：电子迁移、氧化层破裂、相互扩散、不稳定性、离子沾污等。

半导体器件低温寿命试验以前应用就比较少，主要是它不太符合应力试验的机理。存在需求主要考虑到半导体器件严酷的应用场景，如：汽车电子低温非工作状态时可能在-40℃，汽车启动后有些器件工作温度高达150℃或更高200℃（引擎传感控制器件）。所以有用户提出半导体的高低温寿命试验，加剧的温度变化对半导体材料和工艺提出更高的要求。

4.3 间歇/动态寿命试验

间歇寿命试验或功率循环试验是一种疲劳试验，属于破坏性试验，如：二/三极管的间歇寿命试验、功率器件的功率循环试验等。以功率循环试验为例：当下热门的汽车功率电子IGBT，必须设计为可达到数千小时的工作时间和上百万次功率循环，承受高达200℃的温度。IGBT 功率循环试验主要验证键合线疲劳寿命和散热工艺，据国外专业杂志报道，功率器件引线键合造成的失效占到半导体器件失效的49%，可见键合线的可靠性对整个模块的可靠性的影响是非常关键的。

动态寿命试验主要是模拟器件动态工作状态和集成度很高的IC 电路，如：微波器件的脉冲/射频寿命试验、集成电路的动态寿命试验等。以集成电路的动态寿命试验为例：由于IC 的集成度原来越高，逻辑越来越复杂，寿命试验中除了重点关注输入输出外，总是希望更多的晶体管工作起来，动态激励信号的输入实现了这一目的。

4.4 高温反偏试验

高温反偏是半导体器件可靠性中最敏感和最容易失效项目，也成为业界最关注可靠性试验项目。高温反偏试验后最主要的表征就是DUT 参数退化甚至失效，其主要原因是器件芯片和封装生产过程中沾污的可动金属离子在高温反偏的高温高压环境下移动而重新分布，造成器件参数退化甚至失效。另外还有考核器件封装后的水汽含量，尤其是塑封器件，由于材料和工艺问题过高的水汽含量在高温反偏试验时会造成漏电流增大，甚至形成局部热点致使器件失效。

4.5 高加速寿命试验

高加速寿命试验、高加速应力试验、高加速应力筛选是由美国军方延伸出来的设计质量验证和制造质量验证的试验方法。高加速应力试验在环境试验方面已经得到广泛应用，在加电寿命试验方面也得到推广，在这方面主要有高温高湿下的寿命试验和高温反偏试验，如：温度85℃/湿度85%的双85 高温高湿试验。直接评估器件寿命是非常困难的，因此通过试验手段来获取，如加速寿命测试方法：将器件放在高于正常值的应力条件下工作，得到加速后的器件寿命，再根据退化或失效机制，推出正常工作条件下的寿命。在设计研发阶段，可靠性试验用于帮助确认最佳的设计方案和工艺方案；在生产阶段则用于监控工艺的稳定性；在成品阶段则一般是用于进行可靠性的鉴定和验收。

4.6 存储器周期耐久性试验/数据保持力试验

存储器周期耐久试验是通过数据写入存储器存储单元，在擦除数据，重复这个过程多次，来评估非挥发性存储器在多次读写算后的持久性能。数据保持力试验主要是在重复读写之后加速非挥发性存储器存储节点的电荷损失。具体的试验条件和估算结果可参考：MIT-STD-883E Method 1003。

4.7 老炼筛选试验

老炼筛选试验是提高产品使用可靠性十分有效的手段，剔除不合格或早期失效器件提高器件使用可靠性。元器件的承制方，交付产品时必须进行100%的老炼筛选，就是我们俗称的“一筛”；元器件订货方，按产品质量大纲要求验收和监督，俗称下厂验收和“蓝筛”时有必要进行二次筛选，简称“二筛”；对于很难采购的进口元器件，采购工业级器件进行升级筛选，俗称“升筛”。元器件老炼筛选是根据国情开展的一项十分重要的工作，这项工作在电子元器件行业已经卓有成效的推行了三十多年并且做出了重要贡献。

5 环境试验

环境试验在元器件、部件和整机可靠性中都处在举足轻重的作用和地位。美国国防部可靠性分析中心发布的《产品可靠性蓝皮书》中指出飞行记载设备有52%以上是由环境因素引起的，其中温度因素占42%、振动因素占27%、湿度因素占19%，三者占52%的88%。因此对产品可靠性影响环境试验应力是温度、振动和湿度，可见其试验得重要性。所以一般环境可靠性试验都要求上述三种试验，对于一些特殊产品如使用在高海拔的产品还应增加低气压（真空度）应力试验。

6 结束语

国内可靠性基础研究、失效机理、验证标准方法、数据分析和软件评估等很多方面的大量工作主要集中在航天为代表的十大军工集团、广州五所和北京航空航天大学等科研院校单位。随着中国经济的转型升级和中国制造2025 的推进，电子产业迎来前所未有的好时机，与之相关的电子元器件可靠性要求和失效分析工作必将会开展得更系统、更深入。