元器件的可靠性技术

1、元器件的可靠性技术     一、概论 可靠性问题是军用电子设备得特殊问题，是在第二次世界大战提出 并开始致力解决的问题。随着军事大系统的复杂化和智能化，促使可靠性技术不断创新和发展，逐步形成一套系统的、规范的方法。 可靠性技术基于两个重要的理论基础：失效物理和概率统计，同时，它产生了两个重要的应用领域，即系统可靠性和元器件可靠性。在元器件可靠性领域又进一步可分为元器件固有可靠性和使用可靠性。前者主要研究元器件的设计和制造过程中的可靠性，后者侧重研究在电子系统研制过程中如何选好、买好、用好和管好元器件，防止、控制引入过应力而损坏可靠元器件和接收、

2、使用可靠性不能满足要求得元器件。 1.元器件的失效 失效是元器件不能完成规定任务的一种状况，即在元器件执行任务 过程中功能终止或性能参数超出容许的权限。正是因为存在元器件失效，人们提出和发展了可靠性技术。可靠性技术就是研究失效发生、发展的规律及纠正、控制和预防的一整套办法。 元器件失效判据是针对某个元器件在特定应用条件下的一种具体规定，其范围一般宽于该元器件的合格判据。如 某电阻器的判据是阻值100±20%才算失效。而在某种应用时，阻值变化超出100±20%才算失效。这就是元器件可靠性与元器件质量两个概念的不同之处。 元器件可靠性是在元器件设计、制造过程中形成的固有特性，在

3、一定的使用应力作用下，工作到某个时刻发生失效，可靠性是t=T时的质量。 2.失效模式 失效模式是失效的一种表现形式，如开路、短路、时好时坏、参数超出极限等等。不同元器件失效模式不尽相同。一种元器件往往有多种失效模式，每种失效模式出现的概率是不同的。 了解各种元器件失效及其分布对正确使用元器件很重要：以开路为主要失效模式的元器件，不宜串联使用；以短路为主要失效模式的元器件，不宜并联使用；以参数漂移为主要失效模式的元器件应采取必要的补偿或控制措施。 3.失效原因 元器件失效总是有原因的，具体原因可能多种多样，但从应力与强度关系看可分为两大类：第一类是元器件存在本质缺陷，强度太低，在正确工作应力下失

4、效，叫固有失效或责任失效；第二类是使用中引入过应力导致的元器件失效，叫使用失效或从属失效。 元器件固有失效按其性质和原因又可分为系统性和偶然性的。系统性的失效是在设计或制造或试验过程中控制不良引入某种固有缺陷所致。而偶然失效则是随机的，没有一个主导失效原因在起作用，是设计、制造水平决定的。 使用中过应力失效往往是由于选择不当，或应用不合理或操作失误所致。元器件在工作过程中遇到的电、热、机械、辐照、粒子等单项或综合应力超出了元器件所能承受的程度，就失效。 4.失效后果 元器件失效后果的严重程度取决于元器件在系统中的地位和作用。按照失效对系统的最终影响可分为灾难性的、关键的、严重的和一般的。 灾难

5、性的是指造成系统任务失效和人员伤亡； 关键的是指造成系统任务失效； 严重的是指造成系统任务降低或暂时中断； 轻微的是指造成现场使用中要对系统进行调整或维修。 5.失效的规律 元器件失效引起的严重后果，迫使人们去研究失效发生的规律。通过大量观测和数据的统计分析，把保险界用于寿命预测的“浴盘曲线”作为元器件失效分布规律，研究分析元器件的失效时期。 元器件失效率的高低是与它工作经历的时间相关，大体可分为三个时期，对应三类失效。 O早期失效期-某一特定产品母体寿命的初期阶段，此阶段发生的失效是由于设计制造过程控制不良等原因引起的。早期失效可用筛选的方法剔除。 O偶然失效期-也叫使用寿命期，某特定产品母

6、体寿命的第二阶段，在此阶段仅发生随机失效。失效率近似为常数，其高低取决于设计水平。 O耗损失效期-某特定产品母体寿命的第三阶段，在此阶段发生耗损引起的失效。对付这个阶段的失效，只有进行更换，如液体钽电容漏液。 二、可靠性的度量 1.可靠性 可靠性是指产品在规定条件下，规定时间内为完成规定任务而不失效的概率。可靠性是环境应力、工作应力、使用时间和要完成任务的复合函数，是用失效发生是随机的，失效的概率Q是0-1之间的一个数值，可靠性是不失效的概率，等于1减失效概率，即R=1-Q。 2.失效率 定义：已工作到t时刻的产品（元器件），在t时刻后单位时间内失效的概率，也称失效率函数，简称失效率。 元器件

7、的失效率是一个条件概率，即工作到t时刻未发生失效的条件，在t时刻元器件在单位时间内失效的百分比。 用数值表示的元器件质量水平： =3×10-51/时 亚五级 =1×10-51/时 五级 W =1×10-61/时 六级 L =1×10-71/时 七级 Q =1×10-81/时 八级 B =1×10-91/时 九级 J =1×10-101/时 十级 S 一般情况下，电子系统的可靠性用平均寿命MTTF或 （MTBF）来度量，而元器件的可靠性一般用来表示。 元器件的基本失效率b水平即固有可靠性高低取决于元器件设计、制造水平，如结构形

8、式、材料和工艺水平等。工作失效率P则于b、使用应用的高低和环境的恶劣程度等因素有关。 3.失效率模型 失效率模型是通过对大量失效数据统计分析获得的，如单片集成电路工作失效率模型为： P =QC1TV+（C2+C3）E L 式中：Q质量倍数 E环境系数 L成熟系数 T温度应力系数 V电压应力系数 C1及C2电路复杂度系数 C3封装复杂度系数 元器件可靠性的分析、计算、控制都是在其失效率模型上进行的，对元器件失效模型有一个了解，对正确选择与合理使用元器件是最起码的要求。 4、元器件可靠性对系统可靠性的影响 任何一个复杂系统分解到最低层都是由元器件、零件、材料、工艺、计算机软件和人组成的，系统的可靠

9、性是各部分可靠性的连乘积： RS=R元件R零件R软件R操作 系统可靠性水平低于组成系统任何一个部分的可靠性水平。系统越复杂且可靠性要求越高，对组成系统的各个部分的可靠性要求就更高。要全面分析，抓住关键少数。 假设除电子元器件外其余各部分可靠性为1，元器件失效是相互独立的，如果要保证系统可靠性为0.98，则组成系统的元器件数量越多，对单个元器件的可靠性要求就越高。所以，系统越复杂，即使用的元器件品种、数量越大，使用环境越恶劣，可靠性问题越突出，对元器件可靠性要求就越高，也就是失效率越低。 上述数据说明电子元器件质量状况令人担忧，国产元器件质量问题严重，进口元器件也有不少问题，使用不当问题日益突出

10、。 三、元器件可靠性增长工程 通过实践和系统总结元器件可靠性工作经验与教训，加深对元器件问题和重要性的认识。 首先，电子元器件在新产品中使用量越来越多，担负的任务越来越重要。元器件虽小，作用和影响却巨大，必须引起重视，把元器件作为型号的一个重要组成部分去抓，而且要坚持不断地抓。 其次，新产品研制、装备周期太长，而电子元器件更新换代在型号方案论证时选择的元器件到型号定型时就已经该淘汰了。这给设计选用提出了新课题，既要继承成熟技术，选用标准元器件，又要不断采用新技术，淘汰陈旧过时的元器件，在新方案论证时就要考虑定型后改进和替代品问题。 第三、诸如选用品种多、用量少与供应商要上规模、增效益之间的矛盾

11、日益突出，设计余量小与元器件参数散布大之间的矛盾，以及元器件可靠性上水平与我国工业基础薄弱，材料、工艺水平不高的现状之间的矛盾等等都是亟待解决而又一时难以解决的问题。 解决元器件问题要各方面协同作战，把军用元器件研制费、技术改造费、用户采购费和生产单位 产品开发、改进费捆梆起来使用，从提高元器件固有可靠性和使用可靠性两个方面努力，以重点工程需求为牵引，实施元器件可靠性增长工程。从系统甲套的角度出发，应建立一个高可靠性元器件的“公用平台”。这个“公用平台”搞好了，可以覆盖各型号用的品种的70-80。从提高国产元器件可靠性人手带动元器件国产化和新品研制问题。 1.元器件可靠性增长工程的目标 以需求

12、牵引，通过工程实施争取在3-5年内达到 1)基本消除元器件脏、断、掉、伤、漏等常见的失效模式； 2)主要元器件失效降低尽效率入降低一个数量级，关键参数标准偏差减半； 3)重点工程元器件装机后批次更换为“零”； 4)制订和形成一套高可靠元器件采购规范和质量保证规范。 2.工程主要内容 1)优选压缩品种、厂点，重点抓好品种技术攻关，点重点工序改造。 2)组织技术攻关，重点解决键合强度、剪切力散布大、水气含量高、内部划伤、腐蚀、多余物等问题旷 3)实施技术改造，结合技术攻关进行关键设备技术改造，提高工艺装备水平。 4)制订可靠性增长要求和验收方案，成采购规范体系。 5)完善检测、试验、分析手段。 6)建立信息系统，收集、分析、评价工程进展和效果。 3.改进管理 实行联合领导、多方筹措、统一策划、集中管理，充分利用已有成果，充分发挥已有专业机构的作用。做到有限目标，重点，数据说话，科学决策。 四、改进使用可靠性 1.加强设计师的责