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測量與控制類課程研究型實驗教學研究

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前言


現代的社會,航天事業正進行得如火如茶。經歷了血的教訓與洗禮,人們越來越重視可靠性工程的研究與探索。電子元器件可靠性是可靠性工程的基礎,也是可靠性工程中最為復雜的工作。從生產,到二次篩選,再到裝機調試和最后投入運用這一過程當中,電子元器件的可靠性保障都是十分重要的。特別是二次篩選,要嚴把質量關,才能更為有效的避免不必要的損失。在二次篩選的過程當中,除了剔除原有的早期失效的電子元器件還有可能會由于檢測試驗的操作不當、防護不當等引入其他缺陷或許隱患。如航天某廠由于在存放時將一鉭電容極性放反而導致附近的電子元器件在裝機使用過程中出現失效。靜電損傷的現象更是層出不窮。


所以在二次篩選過程中做好電子元器件的可靠性保障工作是十分重要的。


 



二次篩選中電子元器件可靠性保障


1.     環境對電子元器件的影響








導帶







價帶







禁帶







E

電子元器件都有一個運用環境要求,特別是溫濕度、電應力和機械應力的要求。像溫度傳感器、熱敏電阻這些對溫度比較敏感的器件,在貯存和轉運過程中,應該盡量在貯存常溫條件下,轉運時盡量熱阻較高、導熱性能差的容器進行轉運。否則容易發生溫度劇變導致器件失效或許長時間的高溫狀態而導致器件熱應力疲勞。


在檢測試驗時,應該保證電信號的穩定性,否則易發生由于電浪涌等而造成的過電應力損傷。


對于電子元器件,一般應該輕取輕放,否則容易造成外形變形或尺寸變化。電子元器件在插入或拔出測試夾具時不能猛插猛取,否則會由于用力過大而造成機械損傷或機械應力疲勞;在保證接觸良好的狀態下,對器件管腳施加的應力應該越小越好。


貯存濕度不能過高,否則容易發生管腳表面腐蝕或許電性能惡化。QJ2227-92《航天用電子元器件貯存和超期復驗要求》A2規定了電子元器件的有效貯存期和貯存環境,貯存的濕度越高,其有效貯存期就越短。


另外,像光電器件類對輻射敏感的器件應該盡量遠離輻射源,否則容易造成輻射損傷。


2.靜電防護


2.1 靜電來源:靜電的來源比較廣泛,日常生活中常見的如摩擦起電,感應生電,人體與塵埃。工業生產中,由于機械的運動,電磁感應等也容易產生靜電。所以機械物品上也會存在靜電荷。


另外,由于能量量子的輻射與吸收,也會產生電荷。因為在材料中,特別是半導體材料,由于吸收了相應能量量子,使得價帶上的電荷得以躍遷到導帶上形成自由電荷。或許由于輻射能量量子而使得導帶上的電荷躍遷到價帶,減少了導帶電荷而使得電荷不平衡。其示意圖如下:



1.電荷躍遷示意圖


2.2靜電放電模型及分類介紹:當前國際上,靜電放電大致可以歸納為三種主要模型:人體模型,機械模型,放電模型。人體模型等效電阻較大,機械模型等效電阻稍小,放電模型是指感應靜電荷而產生放電,他可以包括帶電器件模型、電場感應模型、帶電芯片模型。隨著納米器件的興起和半導體工藝向納米級推進,放電模型對電子元器件的影響也將越來越突出和明顯。


靜電放電級別按元器件類型和靜電敏感度進行分類,根據GB1649-93《電子產品防靜電放電控制大綱》可分為1級(01999V)、2級(2000V3999V)和3級(4000V15999V)。微波器件、離散型MOS場效應晶體管、聲表面波(SAW)器件、結型場效應晶體管(JFETs)、電荷耦合器件(CCDs)、精密穩壓二極管、運算放大器、薄膜電阻器、集成電路、使用1級元器件的混合電路、超高速集成電路(VHSIC)等一般均屬于1級靜電敏感元器件;試驗數據確定為2級的元器件和微電路、精密電阻網絡、使用2級元器件的混合電路、低功率雙極型晶體管(Ptot<100mWIc<100mA)等屬于2級敏感元器件;試驗數據確定為3級的元器件和微電路、Ptot<1WIo<1A的小信號二極管、普通要求的硅整流器、光電器件、片狀電阻等屬于3級敏感元器件。


根據不同防靜電級別的元器件,要不同程度的提高防靜電注意力,做好防靜電措施。


2.3靜電損傷與靜電防護:靜電損傷主要是場效應管的絕緣柵、電路的外圍器件(保護二極管)、薄膜電阻器、金屬化條等,損傷嚴重的直接會使器件擊穿或毀壞器件,有些電路被損傷以后通過外觀檢查和電參數測試也不能暴露問題,損傷較輕的通過試驗和電參數測試也未必能夠顯示出來,這就給器件的運用留下了隱患。靜電損傷后,容易造成器件開路、短路、特性曲線惡化、反向電流加大、頻率特性惡化等失效模式。所以,在二次篩選實驗室,靜電防護也是十分重要的。


靜電的防護,除了按照相關標準規范等的規定和要求進行防護外,還應該從靜電的來源、靜電泄放的條件等方面去考慮。


首先,靜電來源方面,主要是人體與衣服摩擦起電、空氣中帶電塵埃、電磁感應、靜電感應、能量量子輻照等造成。因此,我們可以從以下五個方面來減少靜電的產生:


.接觸電子元器件的相關工作人員的衣服著裝方面,應該盡量穿棉質衣服,這樣可以減少人體與衣服摩擦產生的靜電量,同時也可以減少吸附空氣中的帶電塵埃。


.檢測試驗間不應該大面積長時間與外界通風,這樣可以減少外界帶電塵埃的侵入。


.不適宜采用無靜電防護措施的金屬盒長距離轉運電子元器件,且穿過強電磁輻射區。這樣可以減少因電磁感應而產生的靜電荷的影響。所有檢測儀器的金屬外殼應該接地。


.人體靠近強電場區應該帶上靜電防護手腕,穿上防靜電工作服。在強電場區不應該用金屬盒放置靜電敏感器件。否則容易產生靜電放電影響。


.電子元器件,特別是對光電敏感的器件應該避免強光照射,遠離大功率能量量子輻射區。


其次,靜電泄放方面除相關規范規定外,還要注意以下幾個方面:


.防靜電工作服不宜頻繁搓洗,以免搓壞衣服里面的金屬絲而不能更好的釋放靜電。


.接觸電子元器件的工作人員應該盡量穿棉襪,這樣能保證腳上靜電能更好的通過防靜電工作鞋而得到釋放。


.使用金屬盒放置電子元器件時,應該先對其釋放靜電;或許將金屬盒放置于能夠釋放靜電的地方。


3.破壞性物理分析(DPA)和失效分析(FA)在電子元器件可靠性保障中的作用


破壞性物理分析(以下簡稱DPA)和失效分析(以下簡稱FA)是一項新興工程,起源于二戰后期。從20世紀50年代開始,國外就興起了可靠性技術研究,而國內則是從改革開放初期開始發展。


3.1 FA是質量保證和可靠性保證中不可缺少的技術,電子元器件的失效分析更多的是微觀分析。FA是對根據失效判據定為失效的電子元器件所進行的一種事后檢查與分析工作。主要指分析和研究失效的發生和影響,確定失效模式,研究判斷失效機理,盡可能研討提供改進措施。


美國軍方在20世紀60年代末到70年代初采用了以失效分析為中心的元器件質量保證計劃,通過制造、試驗暴露問題,經過失效分析找出原因,改進設計、工藝和管理,而后再制造,再試驗,再分析,再改進的多次循環,再67年間使集成電路的失效率從7×10-5/h降到3×10-9/h,集成電路的失效率降低了4個數量級,成功的實現了“民兵Ⅱ”洲際導彈計劃、阿波羅飛船登月計劃。可見FA在各種重大工程中的作用是功不可沒的。歸結起來,FA的作用有主要以下5點:


Ⅰ 通過FA得到改進設計、工藝或應用的理論和思想。


Ⅱ 通過了解引起失效的物理現象得到預測可靠性模型公式。


Ⅲ 為可靠性試驗(加速壽命試驗、篩選)條件提供理論依據和實際分析手段。


Ⅳ 在處理工程遇到的元器件問題時,為是否要整批不用提供決策依據。


Ⅴ 通過實施FA的糾正措施可以提高成品率和可靠性,減少系統試驗和運行工作時的故障,得到明顯的經濟效益。


3.2 DPA又叫良品分析,它是作為失效分析的一種補充手段,在進行產品的交付驗收試驗時,由具有一定權威的第三方或用戶進行的一種試驗。它的主要特點是對合格元器件做解剖(分解)分析。


DPA的作用:如何減少缺陷是工廠可靠性工作的重要內容。即使是合格品,也可能存在缺陷。對合格品的分析就是采用與失效分析同樣的技術方法,調查評估特性良好的電子元器件的缺陷。二次篩選試驗中,采取對合格品抽樣進行分析的措施,很容易早期發現電子元器件的的缺陷,以反饋給生產廠改進和提高自己的生產工藝等。DPA有利于發現異常批次性的產品,以保證提高裝機產品的可靠性。


例如,航天某所在對進口的某批集成電路進行DPA試驗時,發現所抽樣品和追加樣品均有不符合標準規范規定的裂紋,如圖2所示。在對某國產云母電容進行的DPA抽樣試驗中,發現有不少器件端電極與云母片間有較大的空洞,如圖3所示。這些都有利于拒用有批次性缺陷的電子元器件,從而更好的保證航天產品的可靠性。


2,芯片邊緣裂紋超過127μm



3,云母電容端電極有空洞



總的來說,在二次篩選試驗中開展DPAFA工作,對重大工程產品的質量保障與可靠性提高都有著非常大的作用。


4.其他人為因素造成的影響


 在電子元器件的篩選檢測過程中,主要存在以下幾種方面失效:


4.1程序設置不當造成電子元器件的檢測失效;


4.2極性接反造成元器件失效;


4.3錯誤信號造成元器件失效;


4.4電應力過沖造成元器件失效;


4.4適配器誤用造成電子元器件失效;


4.5插拔方式不當造成機械應力失效;


4.6在存放過程中誤將某些有極性的元器件放反等。


這些現象都是曾經有過案例,如某所在檢測某一三極管時因程序設置不合理造成該器件燒毀;某廠使用的以鉭電解電容在系統調試中發現失效,調查分析原因為該批器件在保存過程中誤將其中靠近所使用器件的一只器件極性放反。


小結


二次篩選是元器件裝機前可靠性的重要保障過程,但是二次篩選的不當操作和防護也能給電子元器件的運用留下隱患或許直接造成失效。所以,在二次篩選檢測試驗中,從環境保護、操作審查與小心操作、靜電防護、DPAFA等方面做好電子元器件的可靠性保障工作是十分關鍵的。


 

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