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《日科干货》晶体管器件失效的原因和老化筛选

日期: 2018-08-15
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电子设备及仪器使用的电子元器件,一般需要在长时间连续通电的情况下工作,并且受到环境条件(温度和湿度等)的变化和各种其它因素的影响,(如是在煤矿井下恶劣的条件下工作)因此要求它必须具有高的可靠性和稳定性。 保证电子器件的质量和焊接质量,是整机生产中的两个关键环节。


为了保证整机使用的电子器件的质量,必须在装配前对它们进行严格的检验和老化筛选。一般电子器件在出厂前已进行,叫做”出厂老化”。但由于每个使用行业的特殊要求,像军工和煤矿这样的企业,所以在使用前必须对器件进行进一步的老化筛选。


1、元器件失效的普遍规律和相应对策


元器件的可靠性是指元器件在规定的时间内(通常称为保险期),规定的条件下,完成规定的功能(或任务)能力。它是产品本身寿命和使用时产品质量的综合体现。通常用失效率来定量的描述器件的可靠水平。失效率等于单位时间内产品的失效数和运用产品总数之比:


                  失效数

  失效率=   ——————————

              运用总数×运用时间

 

失效率越低,说明元器件可靠性越高。


需要指出的是,元器件的电参数指标和性能稳定之间并没有直接的联系。电参数指标好的器件,可靠性不一定高;相反,电参数差的元器件,可靠性不一定低。元器件的电参数可以通过仪器仪表立即测量出来,但是元器件的可靠性和稳定性必须通过各种可靠性试验,或者大量的(或长时间)使用后才能判断。


大量同类元器件的失效可以分成三个阶段:


 1)早期失效期

新制造的电子器件,刚投入使用一段时间叫做早期失效。早期失效的特点是失效率高,但随着工作时间的增加而迅速降低。这一段的失效原因有的是制造器件的原材料的缺陷造成;有的是元器件的生产过程中工艺措施不当造成的。


总的来说,早期失效是元器件本身设计和制造的缺陷而隐藏在内部的一种潜在故障。在使用中会继续恶化,故障暴露出来而造成的失效。所以元器件的早期失效对使用者来说是十分有害的。在整机生产的工艺过程中,元器的老化筛选的主要目就是加速早期失效,使整机出厂前就进入到正常的使用阶段,筛选掉早期失效的元器件,保证整机的可靠工作。


 2)偶然失效期

电子元器件在早期失效器后,就进入到偶然失效期。这一阶段的特点是失效率低而稳定,而表现的是偶然性质。这是元器件最好的工作阶段。因为这一段使用时间长,所以也叫使用寿命期。一个好的集成电路,其偶然失效可达百万小时以上。


在此期间的失效原因,可以看成是在某一时刻元器件所积累的应力(指对器件的功能有影响的各种因素,如温度,电压,电流和机械应力等)超过元器件对抗这些应力的强度。一般有下列三种情况:遭受突然的机械冲击或热冲击引起引线断脱等;因为大电流引起的结的损坏;环境变化超过了适用范围,使元器件特性变化过大而不能工作,甚至失效。


对于上述情况,应从最坏的情况出发,考虑到元器件参数的可能变化的范围进行电路设计,并考虑一些具体措施,如散热通风措施和防电磁干扰措施等,以避免环境变化超过适用范围。


3)损耗失效期

元器件经过正常使用其后,由于老化,损耗,磨损和疲劳等原因,失效率随着工作时间的增加而上升,这一阶段叫做损耗失效期,又叫晚期失效期。


损耗失效主要是由于材料的化学和物理变化引起的,如管子内部引线键合点表面长期氧化而表面氧化使电阻增大,导致热量过大而使键合点开路;又如表面化学反应,改变电子空穴的分布,产生反型层,形成导电沟道,使反向电流增大,参数变坏而使器件失效等。损耗失效是正常的自然规律,表明元器件已到额定使用期,对此采取的措施是定期更换。


2、老化筛选的作用和内容


老化筛选的作用就是在于外加应力,将早期失效的元器件的潜在故障加速暴露,并及时筛除掉,以保证正常使用的电子元器件有较高的可靠性。外加应力可以是热的,电的,机械的,或者多种应力的综合。外加应力不可太小,否则达不到筛选效果;但也不能太大,否则引入新的失效原因。目前广泛采筛选项目有:高温存储,高低温冲击,高温功率老化,机械震动,离心加速度,捡漏,湿热等等。对于使用企业的筛选,即使用筛选,不一定要全面的进行。实践证明,以下几种试验项目能有效的发现早期失效的器件,故比较常用。优其是高温功率老化试验使用的最为普遍。


1)高温存储

这是一种以热负载作为为应力的寿命试验。它是在不同点的情况下,把元器件存放在高温环境中一定时间的老化筛选。高温对电子元件的影响,主要是电参数的变化、散热困难、软化、熔化、热老化、化学分解和尺寸的变化等。高温存储的目的就是考核高温对电子元件的影响,确定电子元件在高温条件下工作和存储的适应性。


元器件放在仓库中不用,半年或一年拿出来复测,其参数也会变化。原因是元器件虽然不工作,但内部也会产生化学变化,高温存储就是要这样的过程加快。高温存储的具体可以有以下几种作用:加速晶片表面化学反应的进行;加速正离子运动过程,稳定参数;加速内引线压焊点虚焊的氧化过程等。


有人做过试验证明:在+175℃温度存放一小时的过程,相当于在室温(+25℃)下存放1000小时。一般的讲,温度越高,时间越长,效果越好;但也不宜过高、过长,否则元器件引线镀层也会氧化、变色,不易上锡造成虚焊。一般,高温存放的温度在120℃-300℃之间,存放时间可以从几十小时到几百小时。试验时,视对元器件可靠性的要求而定。


2)高、低温冲击

这种方法是在不通电的情况下,把元件进行低温、高温的交替存放,以检验元器件承受由低温到高温或由高温到低温这样一个突变(热胀冷缩的应力)的能力。它可以检验元器件中不同结构材料之间热膨胀和冷收缩性能是否匹配。例如可以发现如下几种潜在故障:晶片有裂纹、密封不好和内部引线压焊质量不好等。


试验的严格程度,取决于所用选用的高温和低温、高低温下暴露时间的长短和循环次数等因数。实例:把元器件在+125℃和-55℃的箱子里交替存放半小时,循环5次。转换过程越快越好,最多不超过一分钟。一般来说,经过3、5次循环冲击,足以暴露早期失效的元件,而无损于完好的元器件。循环次数不要过多,以免损坏好的元器件。


3)高温功率老化

高温功率老化是是使元器件通电,模拟元器件在实际电路中的工作条件,再加上高温(温度在+80℃-+180℃之间)进行老化。这是一种很有效的筛选方法,它对于表面沾污、引线焊接不良、漏电、晶片裂纹、氧化层缺陷、存在着局部发热点等元器件,都有筛选效果。


3、老化筛条件和方法


功率老化筛条件和方法,使用企业没有统一标准,推荐几个方法:


1)二极管可在:+100℃、 -30℃各储藏24小时。

其阻值和常温相差大于±30%筛去不用  


 2)三极管

高温储存

硅管:   +125℃,存放24小时。

锗管:   +70℃,存放24小时。

低温储存:

硅、管:   -40℃~-45℃, 存放24小时。

高低温冲击:

硅管:   +125℃~-45℃;

锗管:   +70℃~-45℃;

高低温各存放半小时,循环三次,交替时间小于一分钟。

常温功率老化: 满功率通电8小时。


3)数字集成电路

直流和动态参数初测。

高温储存: +125℃,存放72小时。

高低温冲击:  +125℃――45℃   各存放半小时,  循环5次,交替时间不小于1分钟。

高温功率老化: 通电带满负荷,老化温度+85℃,老化时间 72小时。

高温动态电参数测试:电路不通电,在85℃稳定后进行动态参数复测,平均延迟时间变化不得超过20%。

静态参数复测。


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