1、第l1卷第3期 2009年6月 黄山学院学报 Jou real of Huangshan University Vo111N0-3 Jun2009 电子元器件可靠性增长方法和技术 孙晓君 (北京航空航天大学可靠性_T-程研究所，北京100191) 摘要：从电子元器件的可靠性存在的问题出发，与可靠性增长相联系，筒述了可靠性增长曲线和电子 元件的可靠性分析基本思路方法。从元器件可靠性物理分析技术角度，系统地阐述了失效信息的收集与分 析、失效分析、破坏性物理分析、失效模式及机理与工艺的相关性分析、失效模式与影响分析等元器件的质 量与可靠性分析技术。得出分析失效机理和失效原因才可以有效实现可靠性增长的
2、相关结论。 关键词：元器件；可靠性增长；失效物理；分析技术 中图分类号：TB341 文献标识码：A 文章编号：1672447X(2009)03005105 随着电子技术的发展，对电子设备产品也提出 了更高的要求。由于设备技术性能和结构要求等方 面的提高，可靠性问题愈显突出。如果没有可靠性 保证，高性能指标是没有任何意义的，现代用户买 产品就是买可靠性，对生产厂家来说，可靠性就是 信誉，就是市场，就是经济效益。从整机来讲，可靠 性贯穿于设计、生产、管理中。【 】 电子元器件作为电子设备和电子系统的基本 组成单元，其可靠性得到了高度重视，从部件、元器 件的角度来讲，电子元器件的可靠性水平决定了整
3、机的可靠性程度，2】因此电子元器件的可靠性技术 也显得越来越重要。目前，国防对武器装备性能和 可靠性的要求提高到一个前所未有的高度，星、箭 都在进行可靠性增长工程，如果元器件的可靠性没 有相应地跟着增长，星、箭的可靠性增长必将受到 极大的影响。【3J 本文从元器件可靠性物理分析技术角度出发， 首先总结了电子产品可靠性增长相关的实施步骤 与过程。然后系统地阐述了失效信息的收集与分 析、失效分析、破坏性物理分析(DPA1、失效模式及机 理与工艺的相关性分析、失效模式与影响分析 (FMEA)等元器件的质量与可靠性分析技术，说明了 只有准确分析失效机理和失效根本原因，才能有效 控制或消除失效模式，实现
4、电子元器件的可靠性增 长。 2电子产品的可靠性增长基本过程与方法 21可靠性增长曲线 产品的固有可靠性是由设计确定并通过制造 实现的。由于产品复杂性的不断增加和新材料、新 工艺、新技术的广泛应用，产品设计需要有一个不 断认识、改进、完善的过程。针对样机在试验或运行 当中不断暴露出的薄弱环节，加以纠正、改进，从而 提高产品的可靠性水平，逐步达到可靠性目标值。【4】 通过不断消除产品在设计或制造过程中的薄 弱环节，使产品可靠性随时间而提高的过程，称为 可靠性增长。有计划地激发失效，分析失效原因和 改进设计。并证明改进措施的有效性而进行的试 收稿日期：200812一O1 作者简介：孙晓君(1986-
5、)，北京航空航天大学可靠性工程研究所硕士研究生。研究方向为电子产品可靠性、失效分析与可靠性物理等。 -52 黄山学院学报 2009生 验，称为可靠性增长试验。12-61大量 程实践证明，可 靠性增长是保证现代复杂系统投入使用后具有所 要求的可靠性的一种有效途径，贯穿于产品寿命周 期的各个阶段。在不同的寿命周期阶段，可采用不 同的方法及技术实现可靠性增长。图1直观地表示 一个理想的可靠性增长过程。|351 第一台样 机可靠桂 MTBF (小时) 面生产 使用过 可靠性 长 试验开始 进入试 可靠性进入全面 日历时间 生产 验证试 生产 (小时) 验开始 图I 理想的可靠性增长过程 第一阶段：研制
6、阶段。样机刚研制出来时，由于 存在设计缺陷等系统性的薄弱环节，初始的平均故 障间隔时间(MTSF)较低 点)。在可靠性增长试验 及其他试验过程中。不断地暴露系统性失效，通过 分析，有针对性地采取改正措施，改进设计，直到研 制阶段结束，在此过程中可靠性不断增长，达到 点。 第二阶段：试生产阶段。由于设计阶段样机数 量较少，设计缺陷很难充分暴露出来，特别是批次 性的元器件缺陷不能充分暴露出来。设计阶段元器 件由设计人员掌握，设计更改、元器件更换随意性 较大，往往会掩盖设计方面的不足和元器件方面的 缺陷。虽然样机的应力筛选试验很充分，但在生产 阶段，产品不可能有如此长的环境应力筛选周期。 所以，在试
7、生产开始的时候，产品的可靠性低于研 制结束时的设定可靠性，故途中从 点下降到C 点。在试生产过程中，通过继续采用纠正、改进措 施，可靠性仍会不断增长，达到D点。 第三阶段：批生产和使用阶段。在批生产开始 的时候，由于工艺缺陷、装配缺陷以及质量控制问 题，会使批生产产品的可靠性水平下降，图1中从D 点到E点。随着关键问题的不断解决，各种工艺缺 陷、装配缺陷得到纠正，可靠性将继续增长，达到规 定的MTBF。 由以上可知。实现可靠性增长是反复设计、反 复纠正的结果。随着设计的逐步成熟，通过试验、分 析等手段，研究确定实际存在的或潜在的故障源， 从而确定进一步的设计修正工作。 22电子元器件可靠性增长
8、的基本方法 电子元器件可靠性增长的主要目的是消除或 控制元器件的主要失效模式和失效机理。主要手段 是失效分析一控制失效模式一提高产品的可靠性 的方法。基本方法是通过试验诱发产品失效。对失 效样品进行失效分析，明确失效机理，找出失效原 因，并进行改进，以消除薄弱环节，然后再试验，一 方面验证改进的有效性，另一方面诱发新的失效。 但由于失效分析是事后分析，实现可靠性增长的周 期较长、费用很高，所以在可靠性增长中非常必要 引入预防措施，以现代可靠性物理、分析技术为基 础，将可靠性增长的工程技术方法融入元器件的产 品设计、制造过程，并在产品设计、研制阶段综合考 虑可能出现的失效模式、失效机理及可能影响
9、。针 对分析得到的失效根本原因有目的地提出改进措 施，控制和消除可靠性隐患，实现元器件的可靠性 增长。6-0】在具体分析中需要考虑如下内容：13,16nAgl 1器件发生失效的各种条件，包括时间、空间、 应力、外观变化及各种参数变化等。 2如何通过正确的分析程序和采用的有效检测 方法和手段，包括各种先进的理化分析仪器设备。 找出失效的原因。 3如何通过电子元器件的工作原理、材料特性、 工艺技术等与环境应力的复杂关联性的效应。确定 失效机理。 4根据物理、化学等分析和统计，确定失效模 型，或对新的失效机理作进一步的实验研究。 5失效分析的结果对电子元器件的设计、研制、 生产、检验及应用起到一定的
10、指导作用，以最终提 高电子元器件的可靠性。 在元器件可靠性增长的实施过程中。两次试验 比较增长法和逐步消除失效模式法最为常用。为了 分析元器件可靠性的增长效果通常采用两次试验 的方式。第一次试验是掌握产品可靠性现状和摸清 产品的存在问题，然后根据增长目标，通过分析产 品的失效模式及影响可靠性增长的因素，进行设计 或制造工艺改进和工艺控制，有针对性地消除或控 制产品的失效问题。第二次试验是验证纠正措施的 有效性并检验其增长效果，逐步消除失效模式法主 要针对有多种失效模式并存的产品，需要针对主要 失效模式采取“逐个击破”的方式逐步消除失效模 式，实现产品的可靠性增长。在这个循环过程中，常 第3期
11、孙晓君：电子元器件可靠性增长方法和技术 53 采用有针对性的高应力试验，有意识地激发产品使 其暴露薄弱环节，再采取有效的纠正措施，经过多 个循环后，可使产品的失效模式都得到控制或消 失。5,68,t4j 3现有的电子元件可靠性增长分析技术 针对以上所述的可靠性增长、可靠性物理的方 法过程，以下简要介绍常用的分析技术。 31失效信息的收集与分析 可靠性增长的第一个环节是收集产品全寿命 周期中各个阶段的失效信息，从信息源的数据中获 取元器件可能出现的失效模式。信息源可分为间接 经验、可靠性分析、试验、生产经验和现场使用等。 电子元器件全寿命期内不同阶段的信息源对可靠 性增长效费比的影响是不同的。同
12、一个失效模式信 息，若是从产品寿命的初期信息源提出，可经济地 实现设计更改和可靠性增长，若是在产品寿命的后 期则可靠性增长的效费比要低得多。所以在可靠 性增长的过程中应重视各种信息源的组合。以经济 地实现可靠性增长。 相关的可靠性数据分析方法主要有直方图法、 主次图法和因果图法。其中直方图法主要用于整理 失效数据，可根据其图形形状确定其分布规律，并 计算产品寿命的平均值和方差。主次图法是分析、 查找主要因素的直观图表，可以用于故障频数分 析、主次要原因分析和主次要失效模式分析。因果 图法是以产品的失效模式为结果，以导致产品发生 失效的诸因素为原因，绘出图形，从各种错综复杂 的失效原因中找出主要
13、原因，从而采取有针对性的 纠正措施消除或控制失效模式及机理。2,313l 32元器件的失效分析技术 失效分析是指在了解元器件的主要失效模式 后对失效样品进行电测量并采用先进的物理、冶 金及化学的分析手段，明确失效模式和失效机理， 确定失效的根本原因，针对故障根源提出改正措 施，以防止这种失效模式和失效机理重复出现的方 法。这种方法是电子元器件质量和可靠性保证体系 的重要组成部分，是电子元器件可靠性增长中最主 要、最基本的方法。 进行失效分析必须根据失效样品的种类和失 效分析的需求，选用适当的测试与分析设备和技 术。随着现代加工技术的飞速发展和武器系统的需 求，电子元器件不断引入新材料、新技术、
14、新工艺和 新结构，使其尺寸微型化，结构复杂化，其可靠性研 究及分析不断面临新的问题，促进了失效分析技术 和分析设备的快速发展。在失效分析中比较成熟和 常用的失效分析技术和设备有：【3 “ 1光学显微镜和电子扫描显微镜的显微分析技 术，以形貌异常点作为分析对象，其形貌放大能力 可从几倍到数十万倍。 2红外显微镜分析技术利用锗、硅等半导体材 料及薄金属层对近红外光透明的特性，不用剖切器 件就能观察芯片内部的缺陷和芯片的焊接情况。 3红外热像分析技术是对失效样品的表面各点 的热辐射(远红外区)进行非接触测温的技术，通过 检测器件表面的热分布，暴露由于不合理设计或工 艺缺陷而导致的异常热区。 4扫描声
15、学显微镜分析技术利用不同材料对超 声波衰减或反射不同的性质检测分析空洞、裂缝、 不良粘接、分层剥离等缺陷。 5x光检查分析技术检查封装内部的缺陷。如芯 片的粘接空洞、内部多余物、其它结构上的缺陷等。 同时。在失效分析中还常常用到电性能测试分 析和元器件解剖技术。 1电性能测试分析：是证实失效模式和失效现 象，包括元器件的功能、参数、引线间特性和结构特 性的测试，将测试结果与良好器件的有关特性进行 比较，通过失效样品与良品的参数差异确定元器件 失效与自身物理性能的关系和失效的可能范围。并 用来确定后续的分析方法。 2元器件解剖技术：是对器件进行微观的内部 检查和必要的内部测试，其基本方法有机械和
16、化学 方法两种。常用的解剖技术有封装(外壳)开封、表 层剥离和剖面制取技术。 33破坏性物理分析 破坏性物理分析(DPA)是指通过抽样方式对元 器件进行常规的分析，以验证元器件批次是否符合 相关标准和技术规范的要求。通过DPA可以发现在 常规筛选检验中不一定能暴露的与产品设计、结 构、材料和工艺相关的缺陷，获得元器件工艺过程 或设计中存在的偏差和缺陷。作为元器件生产过程 的质量监测，通过DPA可以在分析过程中查找在产 品设计、制造工艺、结构和材料方面存在的质量问 题，用于元器件批次质量的评价，把问题暴露于事 前，积极采取纠正措施，有效地防止元器件潜在的 54 黄山学院学报 2009缸 质量问题
17、在使用中导致失效的发生。从面提高元器 件的可靠性，实现可靠性增长。13,151 34失效模式与设计和工艺的相关性分析 在进行元器件故障纠正，实现可靠性增长之 前，首先应研究元器件失效模式与设计和工艺的相 互关系。若失效模式来自设计，则采取设计方面的 纠正措施，若失效模式与工艺制造的关系更为密 切，则必须进行工艺方面改进，以实现故障纠正。 电子元器件的生产工艺十分复杂，往往存在许 多影响器件性能和参数的相互影响的工艺生产参 数因素。随着相关因素的增多，要透过表面现象抓 住本质就更加困难，这里存在两方面的问题：第一 如何设计试验，使得用较少的试验次数获取较多的 信息。第二，如何分析试验数据。分析故
18、障与工艺的 相关性，可以通过工艺流程分析、正交试验、工艺拉 偏试验、正交分析等方法确定对失效模式及参数产 生直接影响的关键工序同时确定出关键工艺参 数。在确定工艺条件拉偏的范围和水平时，既不能 使生产目标发生物理性质的改变也要符合设备的 能力范围。 ，l4】 35失效模式与影响分析 FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)是一 种元器件可靠性增长的重要方法，是在产品设计、 生产过程中，通过对产品各组成单元潜在的各种故 障模式及其对产品功能的影响进行分析，提出可能 采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种分 析方法。其核心是确定失效模式及影响，分析失效 原
19、因，提出改进措施，它是一个“事前行为”，采用 FMEA在产品设计或制造过程之前，评价潜在失效 模式及影响。实施改进措施，降低产品设计、制造过 程中潜在的失效风险。nl4】 FMEA是“由下而上”的原因和结果分析方法， 即从元器件基本失效的原因及影响逐级向上分析， 直至对整个元器件或组件进行分析，评价影响后 果。用分析的方法对元器件的结构、材料、工序、工 艺等的失效模式、影响、严重程度与发生的概率进 行评估。由于元器件失效原因主要与设计、制造过 程、使用、供应商以及服务有关，因此FMEA又细分 为设计FMEA、过程FMEA、使用FMEA和服务 FMEA四类。其中设计FMEA和过程FMEA最为常
20、用。【3觚 31 1设计FMEA(DFMEA1是在设计概念形成之时 或之前开始，评价与分析的对象是最终的产品以及 每个与之相关的结构、材料、工序、工艺等。 2过程FMEA(PFMEA)是在生产准备之前、在过 程可行性分析阶段或之前开始，要考虑每步工艺或 工序可能导致的潜在失效模式。其评价与分析的对 象是工艺环境、工艺参数、设备状况、工序等。 4结 论 电子元器件可靠性增长过程中的核心在于分 析，要有效地控制或消除失效模式，实现元器件可 靠性增长，前提是对导致元器件失效的因素分析准 确到位，才能采取相应的有效的纠正措施。 针对电子元器件在从计划、研制、设计、生产到 使用的产品全寿命周期，在考虑原
21、材料、元器件、设 备以及系统工程等各个方面进行产品可靠性研制 和生产时，需要将可靠性增长工程技术方法融人到 元器件产品设计、制造过程中，在产品设计、研制阶 段就要综合考虑其可能出现的失效模式、失效机理 及影响程度。这样才可能在设计、研制阶段就能针 对性地提出改进措施，控制和消除可靠性隐患，实 现元器件的可靠性增长。 参考文献： 。【1丁小东电子设备产品的可靠性试验【J】电子质量，2005，(2)： 3234 【2】黄云电子元器件可靠性增长的分析技术【J电子产品可靠 性与环境试验，2004，(3)：1317 【3】姚立真可靠性物理【M】北京；电子工业出版社2004 4】彭苏娥，王蕴辉，王群勇质量
22、与可靠性管理【M】北京：电子工 业出版社2004 【5阳红成，苏小光电子产品研制阶段可靠性增长试验研究叨 现代电子技术200730(3)：140142 6】田开让有效的可靠性增长管理技术【J电子产品可靠性与 环境试验，2001，(1)：2024 【7郭志刚试论元器件失效与可靠性改进【J当代经理人， 2006，(8)：252 【8】陈昭宪电子元器件的可靠性增长方式【J】电子产品可靠性 与环境试验，1996，(3)：5859 9孔学东电子元器件可靠性物理及其应用技术的发展趋势 与对策J电子产品可靠性与环境试验，1996，(1)：11-14 10曾天翔可靠性增长试验J航空标准化与质量，1995，(6
23、)： 364O 【11刘大福半导体器件的可靠性J红外，2003，(5)：11-20 12】王志斌对电子产品可靠性增长试验的思考【J国防技术 基础，1999，(5)：2930 第3期 孙晓君：电子元器件可靠性增长方法和技术 55 【l3】刘尧臣分析方法在可靠性增长中的应用【J】电子产品可 靠性与环境试验，1999，(2)：P42-45 【141杨家铿元器件可靠性增长评估叨电子产品可靠性与环 境试验，2006，f6 79 151徐爱斌，刘发破坏性物理分析技术(DPA)促进国产电子元 器件质量提高【 电子产品可靠性与环境试验，2002，(5)：5860 【16Crow，LHAn extended r
24、eliability growth model for man aging and assessing corrective actions【C】Reliability and Maintainabilitv20o4 Annual SymposiumRAMs2004：73 80 【17Krasich，MQuigley，JWalls，L，Modeling reliability growth in the product design processCReliability and Maintain ability，2004 AnnuSymposium-RAMS2004424-430 f18Do
25、novanJ，MurphyE；Improvements in reliability-groh modeling【C】Reliability and Main-tainability Symposium， 2001，Proceedings Annua296301 责任编辑：胡德明 The Reliability Growth Methods and Techniques of Electronic Components Sun Xiaojun (Institute of Reliability Engineering，Beijing University of Aerormutics and
26、Astronautics，Beijing 100191，China) Abstract：The reliability level of electronic components decides the performance of the whole machine This paper starts with the existing problems in electronic components reliability，relates with the reliability growth method，and introduces the curve of reliability
27、 growth and the reliability analysis method of elec tronic componentsThen，the paper systemically discusses the quality and reliability analytic techniques of the components such as the collection of failure information，failure analysis，destructive physical analysis， the relationship between failure
28、modes and failure mechanisms and processing，and failure mode and effects analysis from the perspective of physics analytic techniques of component reliabilityFinally，the paper al- fives at a conclusion that one of the important ways to realize the reliability growth is the analysis of failure mechanisms and root cause of failure Key words：component；reliability growth；failure physics；analytic technique
