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1、1,元器件检测技术,北航可靠性与系统工程学院Dept. of Reliability and System Engineering,2,电子元器件可靠性概念,电子元器件筛选试验,电子元器件可靠性试验,电子元器件基础试验,电子元器件鉴定试验,电子元器件测试,提 纲,在规定的时间内和规定的条件下完成规定的功能的能力,可靠性的基本概念,1. 规定的时间,储存时间、管理时间、连续工作时间、间歇工作时间、故障维修时间等,时间:时间、里程、循环次数、开关次数等,元器件可靠性是“时间”的函数,2. 规定的条件：使用条件+环境条件,热状态：内部的温度分布及热对流状态化学状态：在元器件内部所引起的化学变化状态电
2、磁状态：元器件在恒定或交变的电磁场中工作时产生的影响流变状态：流体和流动黏态对元器件的影响构造状态：固体材料内部存在的内应力疲劳状态：因内应力而产生的变形电化学状态：与电腐蚀和接触腐蚀有关的化学过程。,使用条件:进入元器件内部而起作用的应力条件 电应力、化学应力、物理应力包括以下状态的应力：,可靠性的基本概念,电子元器件在使用过程中所遇到的主要环境条件,气候条件：温度、湿度、气压、盐雾、腐蚀性气体等机械条件：振动、冲击、碰撞、离心、失重、爆炸等生物条件：霉菌、昆虫、啮齿动物等辐射条件：太阳辐射、核辐射、紫外线辐射、宇宙射线辐射电磁条件：电场、磁场、雷击、放电等人为因素：使用、维修、包装等,可靠
3、性的基本概念,3. 规定的功能与故障状态,规定功能:技术性能指标，也是判断元器件好坏的依据,故障状态：不能执行规定功能的状态故障判别标准,可靠性的基本概念,4.能力定量，元器件可靠性的程度,元器件可靠性指标：可靠度平均寿命失效率等,元器件可靠性试验的目的,保证元器件的可靠性（元器件的质量认证、批量合格与否的判定等）对新材料、新工艺、新产品、新设计进行评价（如安全裕量和耐环境能力的确定，潜在缺陷的发现等)研究新试验方法（如加速试验方法及其加速系数的确定，试验应力的种类及其量值、循环次数、试验时间的确定，抽样方案选择等）暴露使用过程中可能出现的不安全因素研究预防故障发生的措施（如故障的再现性，故障
4、分析，措施效果的验证等）研究元器件失效分布规律（如元器件在寿命不同阶段的失效分布情况、失效模式分布等）为进行有效的可靠性管理提供依据,保证和提高元器件可靠性的必要手段,环境条件,元器件可靠性试验的分类多种分类方法,试验项目,试验目的,试验性质,模拟试验,现场试验,环境试验,寿命试验,加速试验,特殊试验,可靠性增长试验,筛选试验,鉴定试验,验收试验,破坏性试验,非破坏性试验,环境试验,元器件可靠性试验常用分类法,寿命试验,筛选试验,现场使用试验,鉴定试验,考察元器件在各种环境（振动、冲击、离心、温度、热冲击、湿热、盐雾、低气压等）条件下的适应能力，是评价产品可靠性的重要试验方法之一,研究元器件寿
5、命特征的方法，这种方法可在试验室模拟各种使用条件来进行。在于了解元器件的寿命特征量、失效规律、失效率、平均寿命及在寿命试验过程中可能出现的失效模式，对元器件的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高元器件可靠性水平,对元器件进行全数检验的非破坏性试验。目的为选择具有一定特性的元器件或剔除早期失效的元器件，以提高元器件批使用可靠性。,使用现场进行试验，评价元器件的可靠性试验计划、验证可靠性试验方法和评价试验的准确性，作用更大。,根据抽样理论制定出的抽样方案，对元器件的可靠性水平进行评价而进行的试验。,元器件可靠性试验技术的进展加速寿命试验,就是在不改变原来试验目的的前提下，通过各种办法来减少试验
6、时间或样品数量。,时间加速寿命试验,强制劣化寿命试验,判定加速寿命试验,增加断续工作的次数，使得在较短的时间内获得等效于正常寿命试验的效果,加大试验应力，从而加速产品性能劣化过程,加严失效判据以缩短试验时间,三者统一,可靠性试验技术的进展2定性寿命保证试验,为了能在短时间内鉴定出元器件所能承受的环境极限强度，如冲击极限、离心加速度极限、高低温极限等的负荷能力，或在新品研制时，暴露元器件潜在的缺陷或不安全因素。或由于分析上的需要，把已经出现过的故障再现，或掌握元器件在制造过程中其材料和工艺的缺陷及变化情况等，常对元器件施加高于额定工作条件的应力来进行试验，称为：定性寿命保证试验。,过酷试验,极限
7、试验,可靠性基础试验的分类,按照施加应力的种类：,温度应力试验机械应力试验电应力试验湿度应力试验特殊应力实验,按照施加应力的方式：,机械环境应力试验气候环境应力试验电性能参数测试验,可靠性基础试验详细的分类,可靠性基础试验详细的分类,可靠性筛选的目的和意义,可靠性筛选目的： 就是设法在一批元器件中剔除那些由于原材料、设备、工艺等 (包括人的因素)方面潜在的不良因素所造成的有缺陷元器件早期失效元器件，而把具有一定特性的合格元器件挑选出来。可靠性筛选意义： 一批元器件由于通过筛选剔除了早期失效的产品，就可提高该批产品的可靠性水平。在正常情况下，失效率可以降低半个到一个数量级，个别的甚至可降低两个数
8、量级。,可靠性筛选的特点,电子元器件失效机理在元器件制造出来以后就已经固定。所以，可靠性筛选不能改变其失效机理，不能改变单个元器件的固有可靠性水平。但是，通过筛选，可剔除早期失效元器件，从而提高成批元器件总体的可靠性水平。或者说，筛选不能提高元器件的固有可靠性，只能提高元器件的使用可靠性。可靠性筛选对性能良好的元器件应该是一种非破坏性试验，即试验应力对好元器件的损伤要尽可能小。反映在整批元器件特性上，就是不应影响其失效机理、失效模式和正常工作，在此前提下，可考虑加大应力进行筛选，以提高筛选效果和缩短筛选时间。可靠性筛选不同于对元器件的质量验收和工艺质量管理： （1）筛选的目的不是检查元器件在测
9、量的时候是否合格，而是 假设所有元器件在开始时都是合格的； （2）筛选是一个挑选过程，故要对元器件进行100的筛选检查； （3）由筛选分出的等级是由寿命要求和元器件预期应用的工作 条件而定的。 因此，从概念上说，筛选与质量验收工艺、质量管理不同，它不是因为一个或几个参数测量值超过可接收的标准范围而加以剔除，而是考虑这些测量值可能是潜在的早期失效(不可靠)的预兆。,元器件失效的代价,可靠性筛选的分类（1）,按筛选性质分类： 检查筛选：显微镜检查筛选；红外线非破坏性检查筛选； X射线非破坏性检查筛选。 密封性筛选：液浸检漏筛选；氦质谱检漏筛选；放射性示踪检漏筛选；湿度试验筛选。 环境应力筛选：振动
10、、冲击、离心加速度筛选；温度冲击筛选。 寿命筛选：高温储存筛选；功率老化筛选。,可靠性筛选的分类（2）,按生产过程分类： 生产线工艺筛选； 成品筛选； 装调筛选(即用模拟整机使用状态的筛选装置进行动态筛选)。,可靠性筛选的分类（3）,按筛选方法按筛选的复杂程度)分类： 分布截尾筛选：对元器件参数性能的分选； 应力强度筛选：对元器件施加一定强度的应力后进行测量分选； 老炼筛选：在规定的时间内对元器件施加各种应力后进行测试筛选； 线性鉴别筛选：类似于老炼筛选，但要运用数理统计技术进行判别； 精密筛选：在接近元器件使用条件下进行长期老炼并多次精确地测量参数变化量进行挑选和预测。,可靠性筛选条件的选择
11、,筛选项目筛选应力的类型和等级筛选试验时间制定失效标准,美军标MIL-STD-883规定微电路筛选程序,元器件筛选试验与失效机理,常用的二次筛选方法,目检筛选电测试筛选X射线筛选密封性筛选高温储存筛选功率老化筛选温度循环筛选监控振动和冲击多余物检测筛选精密筛选,补充筛选(二次筛选)的适用范围,元器件生产方未进行“一次筛选”，或使用方对“一次筛选”的项目和应力不具体了解时元器件生产方已进行了“一次筛选”，但“一次筛选”的项目或应力还不能满足使用方对元器件质量要求时；在元器件的规范中未做具体规定，元器件生产方也不具备筛选条件的特殊筛选项目对元器件生产方是否已按合同或规范的要求进行了“一次筛选”或对
12、承制方“一次筛选”的有效性有疑问而需要进行验证的元器件。,二次筛选的实施,二次筛选试验的实施,为了避免在筛选试验过程中损伤静电敏感器件，必须对筛选和测试用仪器设备、操作过程、元器件拿取、传递、包装、存放等环节采取符合静电防护的有效措施。,二次筛选试验的实施严格按照二次筛选流程卡确定的试验项目、试验顺序和试验条件实施。,各检测组应根据需要来确定是否要在各筛选试验项目前后对元器件进行检验测试，并熟悉该试验的技术规范。如参照诸如GJB63有可靠性指标的固体电解质固定钽电容器总规范、GJB65有可靠性指标的电磁继电器总规范、GJB128半导体分立器件试验方法、GJB548微电子试验方法和程序、GJB3
13、60A电子及电气元件试验方法等标准提出的要求和方法进行。对出现的异常情况要进行复核。筛选过程要记录完整、准确，每项结束后要签名或盖章，并对记录负责,二次筛选注意的问题,二次筛选和可靠性：二次筛选只能提高元器件的使用可靠性，而不能提高个体元器件的固有可靠性。不能依靠二次筛选来解决元器件质量与可靠性问题，但也不能错判、漏 判。,二次筛选工作应在质量验收合格后才能进行：现在有些单位对采购来的元器件不经验收就进行二次筛选，认为反正筛选下来的可以到元器件厂去换。另一种情况是验收不合格也送去筛选，认为筛选会把不合格品筛掉等等。,二次筛选要有适当的标准：应该根据产品使用的需要规定合格或被淘汰的标准，要特别注
14、意避免“合格不合用”的现象发生。,二次筛选要有针对性：要根据不同的产品，不同的使用部位，产品技术规范等因素制定二次筛选方案。,补充筛选(二次筛选)的风险性,筛选应力(包括电应力、热应力、机械应力和时间)的选取。操作失误或设备故障，也将使筛选带来风险。,为了减低补充筛选(二次筛选)的风险，对于已能满足要求的元器件应尽量不做承受电应力、机械应力、热应力的筛选项目，仅做一些必要的检查性和测试性的筛选项目。对于必须做补充筛选(二次筛选)的元器件；电应力、热应力、机械应力的选取在任何情况下不得超过元器件的最大额定值 。,二次筛选试验项目（二极管）,元器件鉴定试验的定义,鉴定试验： 选择具有代表性的元器件
15、产品，按照标准规定的程序，在规定条件下所做的一 项或一组或多组试验，以验证元器件的设计是否与规定的质量和可靠性保证等级要求一致，并以此作为该元器件是否满足要求的评价依据。鉴定试验是验证和评价元器件质量和可靠性水平的关键试验之一。,鉴定试验的目的,鉴定试验的目的：向订购方提供合格证明，证明元器件在批准投产之前已经符合最低可接受的质量和可靠性等级要求。鉴定试验侧重验证元器件是否达到质量和可靠性等级要求，不同于筛选试验主要侧重于暴露并剔除引起早期失效的不良品，也不同于增长试验侧重于暴露元器件缺陷并采取纠正措施提高元器件质量和可靠性。只有通过鉴定试验的元器件才能设计定型并做出投入生产的决定。,鉴定试验
16、的分类和特点,技术鉴定设计定型鉴定生产定型鉴定,鉴定试验管理,鉴定试验由鉴定机构管理，并应在鉴定机构认可的实验室或设施上进行，鉴定试验结果应反映产品的实际情况，并提供已经验证的质量和可靠性评价值。 需要进行鉴定的元器件：新研制开发的元器件，经过重大设计、工艺、材料更改的元器件在一定环境条件下不能满足整机质量和可靠性要求的元器件。,鉴定试验管理,鉴定形式：关键项目直接检测重点项目监督检测一般项目数据审查,鉴定试验工作程序,鉴定检验批组成鉴定试验样品抽取测试、试验项目及其条件失效判据允许失效数试验数据处理和出具鉴定报告失效报告与纠正措施报告鉴定合格资格的维持,鉴定试验大纲,鉴定试验产品名称、型号、
17、生产或委托厂家；鉴定试验依据的标准和最低质量保证等级要求；鉴定批样品组成、批大小、抽样方式；鉴定形式、计划时间、周期；测试、试验项目及技术条件；失效判据标准；置信度、失效率等级及允许失效数；试验所需样品数及分配，追加、备份、叠加样品说明加速试验条件及加速系数(适用时)； 测试、试验仪器设备清单及计量校准；其他。,元器件测试的作用,检测: 确定被测器件(DUT) 是否具有或者不具有某些故障； 诊断: 识别表现于（ DUT）的特定故障； 器件特性的描述: 确定和校正设计和/或者测试中的错误； 失效模式分析(FMA): 确定引起DUT缺陷制造过程中的错误。,测试的基本原理,元器件测试的主要环节,测试
18、规范测试仪测试程序数据分析,集成电路测试的主要环节测试规范,测试规范（Test Specification）是器件的规范文档，是其开发过程的开端，应该包含以下内容：功能、参数参数特性和测试条件、功能特性和要实现的算法、输入输出信号的特征(波形、信号定时值等)、数据信号和控制信号的行为、时钟频率等；器件的类型逻辑电路、微处理器、存储器、模拟电路、数模混合信号电路等。 物理特性封装、引脚分布等；工艺门电路、定制电路、标准单元等；环境特性工作的温度范围、供电电压、湿度等；可靠性质量等级(每百万个器件的缺陷比例)、每1000h的失效率、噪声特性等。,集成电路测试的主要环节测试仪,测试仪的基本功能是向被
19、测器件(Device Under Test，DUT)施加输入，并观察其输出。测试仪通常也被称为自动测试设备(ATE，Automatic Test Equipment)。 为VLSI器件选择ATE时必须考虑该器件的规范，主要的因素包括速度(该器件的时钟频率)、定时准确度、输入输出引脚的数目、模拟信号和数模混合信号测试要求等。其他的因素还有费用、可靠性、服务能力(serviceability)、编程难易程度等。,集成电路测试的主要环节测试程序,一旦器件被安放在测试仪上，需要有3件事情来控制测试过程，即测试程序、数字的测试向量(test vector)以及模拟的测试波形(test waveform)
20、。,集成电路测试的主要环节测试数据分析(test data analysis),如果器件没有通过测试，当然可以立即指出该器件有问题。但是，即使器件通过了测试，也不能说该器件就是合格的，除非测试过程的故障覆盖率达到了100。对测试数据的分析可以提供有关器件质量的信息。由于制造过程中会有一些随机的偏差，所以器件的特性也会有高低之分。测试数据分析还可以将那些性能高于平均水平的芯片挑选出来。对失效芯片进行失效模式分析(failure mode analysis)，可以为进一步提高集成电路工艺提供信息。失效器件经常会对不同的测试向量都表现出失效现象。这些失效的原因可以指出设计中的薄弱环节，即对工艺偏差比
21、较敏感的地方。这些信息对于逻辑设计规则以及版图设计规则都是十分有用的。,半导体技术的发展对测试的影响,测试的发展趋势混合信号测试,Centralized control,Trends,Changes in testing,Demands,大规模集成,多功能,高速,人力资源短缺,高生产效率,Increased number of pins,Sub-micron rule,Testing-cost increase,Longer Test-time,Complicated Procedure,Increased Test Rate,Decrease of skilled operator,Integration of production Line,Shorter pin-electronics,High accuracy,High rigidity,High cleanliness,Multi-site probing,Simplified operation,Ease of operation,Automation,48,謝謝!,
