元器件使用可靠性技术综述

元器件使用可靠性技术综述

深圳市华为技术有限公司万玉喜518057

摘要:本文从电子元器件的使用过程中如何提高可靠性入手，阐述了如何提高元器件的使用可靠性，分别从器件的选型、可靠性设计、降额设计、使用中的静电防护、可靠性安装等方面分析了如何提高元器件的使用可靠性，阐述了提高元器件使用可靠性的途径和措施。（本文所指可靠性为广义可靠性）

关键词：电子元器件使用可靠性

1 引言

在元器件可靠性领域中，把避免使用不当造成元器件失效的技术称为使用可靠性技术，又称使用可靠性。它不同于电子元器件的固有可靠性，固有可靠性主要取决于产品的设计和制造。尽管器件固有可靠性逐年提高，使用器件的技术人员的素质也不断提高，但由于器件的结构复杂度和功能的增加，应用条件的多变，以及使用不当，使用失效在器件的总失效总数中占的比例一直为50%左右，由于设计问题造成失效的比例为元器件失效总数的30%左右。造成器件失效的主要原因有设计不合理、器件选型不当、运输和装调过程的静电损伤等。设计不合理主要表现为电路中的电浪涌、电路中缺少必要的保护电路以及热效应。本文分别从器件的选型、可靠性设计、降额设计、使用中的静电防护、可靠性安装等方面讨论了提高元器件使用可靠性的途径和措施。

2 元器件的使用可靠性技术

2.1元器件的正确选型

器件的正确选型是避免元器件在使用中失效的先决条件。要依据工程的需求和成本核算选择器件的质量等级。对于型号相同的器件，若质量等级不同，其工作条件（如电源电压的额定值）和环境条件（如工作环境温度范围）的适应性性出不同，在同一工作条件和环境条件下工作时，其寿命会有较大的差异。

特殊的工作条件和环境条件下使用的器件要进行特殊的采购。如在辐射能力的器件；在有静电产生的环境下工作的设备，应选择有相应抗静电能力的器件；在海洋性气候条件下工

作的设备，要选择有抗盐雾能力的器件等等。在选择器件时，优先选择合格产品清单（QPL）和优选元器件清单（PPL）上的产品，能在很大程度上保证整机质量。

2.2 针对不同的失效模式，采用不同的设计

电子元器件的可靠性设计是在产品功能设计的同时，针对产品在规定的条件下和规定的期间内可能出现的失效模式，采取相应的设计技术，以消除或控制元器件失效，使产品在全寿命周期内满足规定的可靠性指标。设计前，要进行失效分析，分析设计对象在使用中将要遇到的环境条件、可能出现的失效现象，以及造成失效的主要原因，并针对相应产品曾产生的主要失效模式来采取相应的可靠性设计技术。目前我国电子元器件常采用的可靠性设计技术有：抗力学应力设计、抗热应力设计、抗电应力设计、抗低气压计、抗辐射损伤设计、防误操作设计、稳定性与长寿命设计、裕度设计、功能容限设计、冗余设计等。以下是针对产品不同的失效模式，进行可靠性设计的基本方法的示例：

2.2.1抗电应力的设计

与电应力有关的失效模式主要有：①高电压（强电场）引起的击穿失效；

②大电流引起的烧毁失效；③与热效应伴随的热电击穿失效；④长期电应力下使用元器件发生缓缓物理化学变化引起的性能参数漂移失效等。

可采用如下方法进行抗电应力的可靠性设计：①过电应力防护设计，即复加设计过程，过压保护结构。例如在集成电路的输入端复加设计过压保护二极管，脉冲防护电容等；②自修设计。例如用控制电应力引起的开路自修复设计和短路自修复设计；③控制有害离子在电应力劣向漂移的栅格结构，以减少电应力的设计。

2.2.2抗热应力的设计

元器件的热应力失效主要是高温失效，高温失效率随温度升高呈指数增加，高温失效在元器件失效中占相当高的比例，在开发阶段需要进行有效的热设计。热设计是一项专业技术。热设计可以借助仿真软件进行。

2.2.3防静电放电的设计

半导体集成电路的静电放电（ESD）失效可以是热效应，也可以是静电效应。热效应可使器件局部金属互连线熔化或芯片出现热斑，以致诱发二次击穿。静电效应可产生过电压导致介质击穿或表面击穿。预防半导体集成电路放电失效的设计措施主要为：对MOS器件主要采用场效应管防静电保护电路和二极管防静电保护电路；对双极器件也可采用类似于MOS器件的箝位二极管或限流电阻进行保护。

2.2.4防止低气压失效的设计

与低气压的失效模式有三类：①元器件的部分材料在低气压下发生几何变形或化学变化引起失效；②在低气压下元器件周围的热阻增大引失效；③低气压下由于电离作用，电极间易形成离子导电通路或电极间的高压放电造成失效。通过材料选择附加热沉结构或扩大电位差大的电极间的距离，减少电极间电场强度待设计可以预防和控制这些失效，从而提高元器件产品抗低压的能力。

2.3 元器件降额设计

降额使用就是使器件在低于额定值的状态下工作。这既是提高器件使用寿命、保证电子设备可靠性的通用做法，也是可靠性设计的重要内容。器件的寿命在其结构确定后，主要决定于它所承受的应力。降额使用是用减小应力的方法提高寿命的有效措施。

不同的器件，实施降额的参数和幅度不同，相同的器件在不同的工作条件和环境条件下也不区别。器件的降额使用，不是降额幅度越大越好，通常存在一个最佳降额区。过低的降额会引起器件性能的劣化和可靠性降低。例如双极功率模拟微电路，过低的电流降额会导致增益的降低。数字电路较出电流的降额会使扇出能力减小。对器件实施降额可参考GJB/Z23等降额手册。

2.4 元器件使用中的静电防护

在元器件的运输、装配、调试和设备的使用环境中不可避免会有带电体与元器件接触，损伤元器件。为减少静电损伤应进行以下措施：

2.4.1工作人员的防静电措施

①操作者要带防静电腕带。防静电腕带有两种，一种是半导电的塑料和橡胶材料制作的，一种是导电金属材料制造的。它们都必须接地，导电金属防静电腕带要通过一个250千欧～1兆欧的电阻接地。其目的是使静电荷缓慢释放，也是为了保护人体的安全。

②操作者的服装和鞋帽都应具有防静电的功能。即应当由半绝缘材料制成。

③操作者应避免在工作时脱掉衣服、鞋帽，避免挠头、搓手等易产生静电的动作。

2.4.2建立防静电环境

装配、调试和设备的使用环境应有必要的防静电措施。环境的防静电措施主要有，

①要求防静电地板不易产生静电、不结累电荷，且能以适当的速率与大地交换电荷。地板材料的表面方阻在105欧～109欧，地板的接地端与大地要有适当的串联电阻以保证电荷的缓慢泄放。