元器件可靠性培训

电子元器件的可靠性---2013年12月目录1.可靠性的概论2.可靠性试验的分类3.元器件试验的方法与设备4.失效模式与失效机理5.失效分析1.1什么是可靠性？

可靠性定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

该定义明确指出评价一个产品的可靠性，与规定的工作条件和规定的工作时间有关，也与规定产品应完成的功能有关。而“三个规定”是理解可靠性概念的核心。“产品”：新版ISO9000中定义的硬件和流程性材料等有形产品以及软件等无形产品。在这里，我只把“产品”定义缩小为零件，元器件，部件，设备或系统。

规定的工作条件：指产品工作时所处的环境条件、负荷条件和工作方式。

1可靠性概念

1可靠性概念

环境条件一般分为气候环境和机械环境。负荷条件是指电子元器件所承受的电、热、力等应力的条件。工作方式一般分为连续工作或间断工作，不工作的情况属于存贮状态。气候环境：温度、湿度、气压、盐雾、霉菌、辐射等机械环境：振动，冲击，碰撞、跌落、离心、摇摆等电应力：静电，浪涌，过电压，过电流，噪声温度应力：高温，低温，温度循环

规定的时间：“规定的时间”是指评价电子元器件的可靠性和规定的时间有关。可靠性本身就是时间的函数，要保持电子元器件全部性能处于良好的工作状态，时间长比时间短更困难。在同一工作条件下，保持的时间越长可靠性越高。所以，在讨论电子元器件可靠性时，必须指明在多长时间内的可靠性。平均寿命：元器件平均故障间隔时间（MTBF)：整机设备1可靠性概念1可靠性概念1.2可靠性试验的目的

可靠性试验是对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。具体目的有：(1)发现产品的设计、元器件、零部件、原材料和工艺等方面的各种缺陷；(2)为改善产品的完好性、提高任务成功性、减少维修人力费用和保障费用提供信息；(3)确认是否符合可靠性定量要求。1可靠性概念1.3可靠性常用术语和主要特征量可靠性是一项重要的质量指标，只是定性描述就显得不够，必须使数量化，这样才能进行精确的描述和比较。可靠性的定量表示有其自己的特点，由于使用场合的不同，还难用一个特征量来完全代表。可靠度R或可靠度函数R(t)

产品的可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功率的功率.假设规定的时间为t,产品的寿命为T,在一批产品中的寿命有毒T＞t,也有的T≤t,从概率论角度可将可靠度表示为T＞t的概率，即R(t)=P(T＞t)

1可靠性概念在数值上，某个事件的概率可以用试验中的该事件发生的频率来估计。例如取N0个产品进行试验，若在规定的时间t内有r(t)个产品失效，则此时还有N0-r(t)个产品可以完成规定的功能。在N0足够大时，可靠度的估计值为

从可靠度的定义可知，可靠度是对一定的时间而言的，如果规定时间的不同，可靠度的数值也不同。因此，可靠度R是时间t的函数，固又称为可靠度函数R(t)。1可靠性概念可靠度与时间的关系曲线如图1-21可靠性概念累积失效概率F（t）

累积失效概率——是产品在规定条件和规定时间内失效的概率，其值等于1减可靠度。也可说产品在规定条件和规定时间内完不成规定功能的概率，故也称为不可靠度，它同样是时间的函数，记作F（t）。有时也称为累积失效分布函数（简称失效分布函数）。其表示式为：F(t)=P(T≤t)=1−P(T>t)=1−R(t)从上述定义可以得出：F（0）=0，F（∞）=1。1可靠性概念

由此可见，R（t）和F（t）互为对立事件。失效分布函数F（t）与时间关系曲线如图1-4所示。1可靠性概念失效概率密度f（t）

失效概率密度——是累积失效概率对时间的变化率，记作f（t）。它表示产品寿命落在包含t的单位时间内的概率，即产品在单位时间内失效的概率。其表示式为:即1可靠性概念失效率λ(t)

失效率——是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。记作λ(t)，称为失效率函数，有时也称为故障率函数。按上述定义，失效率是在时刻t尚未失效的产品在t~t+Δt

的单位时间内发生失效的条件概率，即：

λ(t)反映t

时刻失效的速率，故也称为瞬时失效率。所以式（1-9）变为：（1-9）2.可靠性试验的分类2.1电子元器件的失效规律

每个电子元器件的失效虽然是个随机事件，是偶然发生的，但是大量元器件的失效却呈现出一定的规律性。从产品的寿命特征来分析，大量使用和试验结果表明，电子元器件的失效率曲线符合“浴盆曲线”，可以划分为三段：早期失效段、恒定（随机或偶然）失效段、耗损失效段。右图失效率

2.可靠性试验的分类早期失效段早期失效段，也称早期故障阶段。早期失效出现在产品寿命的较早时期，产品装配完成即进入早期失效期，其特点是故障率较高，且随工作时间的增加迅速下降。早期故障主要是由于制造工艺缺陷和设计缺陷暴露产生，例如原材料缺陷引起绝缘不良，焊接缺陷引起虚焊，装配和调整不当引起参数漂移，元器件缺陷引起性能失效等。早期失效可通过加强原材料和元器件的检验、工艺检验、不同级别的环境应力筛选等严格的质量管理措施加以暴露和排除。2.可靠性试验的分类偶然失效期

偶然失效期是在早期失效期之后,此阶段是电子元器件的正常工作期,其特点是失效率比早期失效率低得多,而且稳定,失效率几乎与时间无关,近似为一常数。电子元器件的使用寿命就是指这一时期。这一时期的失效是由偶然不确定因素所引起的,失效发生的时间也是随机的。耗损失效期

电子元器件工作的后期称为耗损失效期,此阶段的特点刚好与早期失效期相反,失效率随工作时间增加而迅速上升。耗损失效是由于元器件长期使用而产生的损耗、磨损、老化、疲劳等原因所引起的,是电子元器件的寿命终结。

在实际中元器件不一定都会出现上述的三个阶段,在成批的电子元器件中,有些元器件的失效率曲线是递增型、有些是递减型,而有些则是常数型,如图所示。浴盆曲线可看成是三种失效率曲线的叠加合成。2.可靠性试验的分类2.可靠性试验的分类2.2可靠性试验项目的分类可靠性筛选

定义：在产品制造过程中，将不符合要求的产品（包括成品、半成品）剔除，而将符合要求的产品保留下来的试验过程称为筛选。注意在产品制造过程中，对各种工艺质量的检验，成品、半成品的性能参数测试都要进行筛选。目的：筛选目的是为剔除早期失效的产品。2.可靠性试验的分类筛选应注意的问题：①可靠性筛选可以提高一批产品使用的可靠性，但并不能提高每一个产品的固有可靠性，因为筛选不能改变失效机理而延长任何单个元器件的寿命，它只是剔除早期失效的产品后使剩下产品的平均寿命比筛选前平均寿命提高了。②筛选不同于质量验收。质量验收是通过抽样检验判定一批产品是否合格从而决定接收或拒收，而筛选是对于合格产品100%地进行试验，以剔除早期失效产品。③筛选应力要选择好，不要对好产品造成损伤。2.可靠性试验的分类常用筛选方法检查筛选包括显微镜检查筛选，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，湿度试验筛选环境应力筛选振动，离心加速度，冲击，温度循环等。寿命筛选高温贮存，功率老化等2.可靠性试验的分类2.3环境应力筛选试验原理：环境应力筛选是通过向电子装备施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，以便人们发现并排除。环境应力筛选是装备研制生产的一种工艺手段，筛选效果取决于施加的环境应力、电应力水平和检测仪表的能力。施加应力的大小决定了能否将潜在的缺陷在预定时间内加速变为故障；检测能力的大小决定了能否将已被应力加速变成故障的潜在缺陷找出来，以便加以排除。因此，环境应力筛选又可看作是产品质量控制检查和测试过程的延伸。2.可靠性试验的分类筛选项目目的筛选条件温度循环查找材料热匹配差等缺陷剔除经受不住温度循环的产品检测系统的温度可靠性温度：-55℃~125℃循环次数：5~10次热冲击查找材料热匹配差等缺陷剔除经受不住热冲击的产品检测散热效果温度：0℃~125℃机械冲击查找间歇短路、开路现象剔除经受不住极端机械冲击的产品加速度：1500~6000g冲击次数：5~10次振动加速度查找焊接不牢固，包括虚焊、漏焊等固定不牢固缺陷振动加速度：20g离心加速度查找元器件键合不牢固焊接不牢固、贴片安装不合理内部引线不合理等缺陷随机振动查找不能经受谐振频率的产品谐振时候对电路信号的影响频率：2Hz~2000Hz加速度：2~20g2.可靠性试验的分类2.4寿命试验和加速寿命试验寿命试验的定义

评价分析产品寿命特征的试验。产品的失效率、平均寿命等可靠性特征量反映了产品的寿命特征。寿命试验的作用

了解产品寿命分布的统计规律以作为可靠性分析的基础，作为制定筛选条件和改进产品质量的依据。寿命试验的分类

按试验进行的时间分：长期寿命试验和加速寿命试验按欲测定各阶段可靠性可分为：贮存寿命试验和工作寿命试验按进行试验的截尾方式可分为：非截尾试验和截尾试验，截尾试验又分为定数截尾和定时截尾。2.可靠性试验的分类各类寿命试验的定义或含义

长期寿命试验：模仿正常工作应力进行的寿命试验，该试验需要较长的时间。

加速寿命试验：是在既不改变产品的失效机理又不增加新的失效因子的前提下，提高试验应力，加速产品失效进程的一种试验试法。这种试验可以用较短的时间快速的评价产品的可靠性。

具体又分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验。

2.可靠性试验的分类贮存寿命试验：产品在规定的环境条件下进行非工作状态的存放试验。

通过贮存试验可以了解产品在特定环境条件下的贮存可靠性。如解决贮存期间的参数变化规律，能否保持原有的可靠性指标，贮存期可多长等。

注意：a.贮存条件根据产品的实际贮存情况可有室内，棚下、露天、坑道等。b.由于贮存试验样品处于非工作状态，失效率较低，通常要选择较多的样品做较长期的观察测量。

工作寿命试验:对产品有规定条件下（保证工作状态）作加负荷的试验。2.可靠性试验的分类

非截尾寿命试验:试验一直进行到全部试验样品都失效才截止的试验。

截尾寿命试验：试验没有进行到全部试验样品都失效就截止的试验。

a.定时截尾：试验进行到规定的时间就结束。

b.试验进行到规定的失效数就结束。3.元器件试验的方法与设备3.1元器件的筛选3.元器件试验的方法与设备元器件筛选的方法概述

电阻：高压蒸煮2小时，加电两小时，循环两小时；测试阻值漂移小于技术标准。

贴片电容：湿热试验、温度循环

电解电容：高温加脉冲电压100小时；测试正切损耗角、漏电流、容值，目测漏液、外壳塑封器件：湿热加电，测试漏电流；温度冲击或炉温试验功能测试，I-V测试；空封器件：温度循环，低温监测漏电；温度冲击，全参数测试3.元器件试验的方法与设备试验方法元器件外观检查破坏性检验：如开帽目检，打开封装目视检查，芯片剪切强度试验，变频振动试验可焊性试验外引线抗拉试验：适用于电阻、电容、电感、二极管、插座。外引线抗弯试验外引线抗扭矩试验:目的密封试验:恒定湿热试验:交变湿热试验老练试验键合强度试验案例：整流二极管是筛选确定筛选程序

高温储存

温度冲击常温测试检漏

高温测反向漏电流跌落功率老化外检检查3.元器件试验的方法与设备3.元器件试验的方法与设备高温储存储存温度：150℃（+10，-0）；储存时间：96小时温度冲击要求-55℃（+0，-10℃）~150℃（+10，-0）跌落高度1m处自由下落10次功率老化在常温下（23℃±2℃），按额定电流老化。高温测反向漏电流试验温度要求100℃±2℃，恒温时间30分钟常温测试按常规测试进行测试。4.失效模式与失效机理4.1概述失效（故障）：产品丧失规定的功能。失效模式：失效或故障的形式。失效模式的分类按失效模式的持续性分类：致命性失效、间隙失效、缓慢退化按失效时间分类：早期失效、随机失效、磨损失效按电测结果分类：开路、短路或漏电、参数漂移、功能失效等按失效原因分类：过电失效、机械失效、热失效等4.2失效机理的内容辐射对电子元器件的影响参数漂移、软失效气候环境因素与失效4.失效模式与失效机理气候环境因素失效雨、露、雾电子功能的失效和保护膜损坏灰尘加速材料裂化，破裂和疲劳增大磨损，机械卡死，轴承损坏电气性能变化产生电噪声降低材料的绝缘性能盐雾增大磨损，机械强度下降，电气性能变化，绝缘材料腐蚀产生电化学腐蚀，结构强度变差湿度加速氧化、蚀刻以及引起材料脆化和粗糙物理性能下降，电强度降低，绝缘电阻降低，介电常数增大机械强度下降，电气性能下降，增大绝缘体的导电性4.失效模式与失效机理阳光照射引起颜色退色、材料弹性降低、产品内部温度上升而老化表面特征下降、膨胀、龟裂、折皱、破裂橡胶、塑料变质，电气性能变化绝缘失效、密封失效、材料失效、参数臭氧高温电阻值变化，绝缘失效接触点接触电阻增大，金属材料表面电阻增大橡胶、塑料裂纹和膨胀元器件损坏，锡焊开裂，焊点脱开丧失润滑特性低温丧失润滑特性电气机械功能变化，结构强度减弱，导线破损，橡胶变质结构失效，增大活动件的磨损，衬垫、密封垫弹性失效，引起泄露，机械卡死，结构过载铝电解电容破损，晶振不起振，电池容量降低温度冲击材料的突然过载导致机械失效，结构失效和强度下降，密封破坏，电子元器件封装损坏4.失效模式与失效机理高低气压容器破裂，爆裂膨胀。电气性能变化，机械强度下降绝缘击穿，跳弧、出现电晕放电现象和产生臭氧，电气设备工作不稳定甚至发生故障，设备温度升高气体金属腐蚀，电子迁移，加速氧化电气或机械性能变化，机械强度下降，影响功能振动晶体管外引线、固体电路管脚、导线折断金属结构件断裂、变形、结构失效继电器、开关瞬间断开，电子插件性能下降，粘层、键合电脱开，电路瞬间短路、开路冲击结构失效、电子设备瞬间短路、开路电路中连接和固定设备的松动应力引发的失效模式4.失效模式与失效机理应力类型试验方法可能出现的主要失效模式或机理电应力静电、过电mos器件的栅击穿、双极型器件的pn结击穿、功率晶体管的二次击穿热应力高温储存pn结漏电、Au-Al键合失效低温应力低温储存芯片断裂低温电应力低温工作热载流子注入高低温应力高低温循环金属电迁移、欧姆接触退化机械应力振动、冲击、加速度芯片断裂、引线断裂辐射应力X射线辐射、中子辐射电参数变化、CMOS电路闩锁效应气候应力高湿、盐雾外引线腐蚀、金属化腐蚀、电参数漂移4.2各种元器件失效模式及机理类型主要失效模式典型的近似比例（百分比）微电路数字逻辑高后低时输出中断不工作8020线性参数漂移无输出超过最大输出207010晶体管低增益开路短路高泄露集流器基底20302030二极管整流器短路开路高反向电流1020704.失效模式与失效机理4.失效模式与失效机理类型主要失效模式典型的近似比例（百分比）电容器短路开路泄漏过多参数改变60201010电阻器薄膜固定式开路参数改变3070合成固定式开路参数改变1090可变式开路间歇的噪音参数改变30101050继电器无转换间歇的短路207010焊接连接器开路短路间歇的502010电阻器使用中失效模式其分布4.失效模式与失效机理阻值漂移

长时间的使用可能会导致电阻老化发生电阻变化。开路温度系数变化、绝缘下降电化学腐蚀电容器使用中失效模式其分布4.失效模式与失效机理4.失效模式与失效机理铝电解电容铝电解电容常见的失效模式

短路、开路、电参数性能劣化、防爆阀开裂、漏液电解电容的失效机理

漏液：电容减小；阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大；短路放电：大电流烧坏电极；电源反接:大电流烧坏电极，阴极氧化，绝缘膜增厚，电容量下降；长期放置：不通电，阳极氧化膜损伤难以修补，漏电流增大4.失效模式与失效机理铝电解电容失效原因

过电压：电介质击穿，严重时会起火；反压现象：严重时会爆炸起火；文波电流过大：内部温升过高，介质遭到破坏，电解液干凅，寿命缩短；过高的环境温度：导致材料性能的蜕变或劣化，电解液挥发，寿命缩短；不适当的焊接冲击；机械应力引起的失效；引脚间距与PCB板间距不匹配造成外应力损伤；冲击和振动造成的机械应力损伤；单板加工时电容内部受伤4.失效模式与失效机理金属化薄膜电容的失效模式

过高的环境温度，直接破坏电容器的介质膜；长期的高温环境，加速薄膜材料的老化，使器件绝缘，耐压能力下降；高纹波电流引起的发热，对电容器造成绝缘，耐压能力下降；陶瓷电容的失效模式

电致开裂、热致开裂、机械应力产生裂纹绝缘电阻下降而漏电流上升直至击穿。电容器使用电压和温度应力影响电容器的寿命（失效率），同时也影响电容量、绝缘电阻、介电强度等。电路板弯曲引起芯片断裂，漏电流增大；银迁移引起边缘漏电和介质内部漏电。4.失效模式与失效机理银-钯端子陶瓷电容结构图失效图分立半导体器件定义：电子产品根据其导电性能分为"导体"和"绝缘体"半导体介于"导体"和"绝缘体"之间,半导体元器件以封装形式又分为“分立”和“集成”如：二极管、三极管、晶体管等。使用中的失效模式及分布4.失效模式与失效机理4.失效模式与失效机理功率二极管定义：额定电流大于等于1A的二极管器件，包括整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管。失效模式：反向电压超过额定值导致的电压击穿；正向电流超过额定值及功耗超过额定值导致二极管结温度过高，造成芯片烧毁、封装体破坏；浪涌电流和峰值电流超过额定值导致芯片和内部结构破坏信号二极管定义：额定电流小于1A的二极管器件，包括肖特基二极管和开关二极管。失效模式：

反向电压超过额定值导致的电压击穿；

正向电流超过额定值造成芯片损坏、内部引线熔断；器件功耗过大及热引起的芯片损坏和特性退化。4.失效模式与失效机理稳压二极管定义：工作在反向击穿状态并保持二极管两端电压稳定，适用于控制电路中，做电压基准或电压钳位。失效模式：有瞬间工作电流过大导致芯片烧毁；长期功耗过大或散热不良导致过热损坏；使用时对参数选取不合理，也会造成电路工作不正。TVS瞬态电压抑制器瞬间吸收的功率超过额定值导致的芯片烧毁；长期功耗耗过大或散热不良导致过热损坏；性能退化除TVS器件自身失效外，应用不当还会造成电路的异常或失效：参数选取不合理会使接入TVS器件的电路工作不正常或TVS器件不能有效的抑制电压尖峰，导致被保护器件损坏4.失效模式与失效机理发光二极管和数码管定义：由一些能发出可见光的芯片和透明的封装材料构成的二极管，用于电路工作状态指示、输出数据显示等。失效模式：

瞬间工作电流过大导致芯片烧毁；长期功耗过大导致芯片过热损坏或内部引线断裂；反向电压过高导致芯片击穿损坏。整流桥失效模式:

短路失效；热击穿失效；电压浪涌或电流浪涌造成失效；热疲劳或热循环引起的局部过热失效。三极管失效模式：集电结和发射结反向电压超过额定值导致的电压击穿；基极电流和发射极电流超过额定值导致的内部引线烧断、芯片烧毁；三极管功耗超过额定值或散热不良导致三极管烧毁、封装体破坏；安全工作区超过额定值导致芯片二次击穿。4.失效模式与失效机理集成电路集成电路安装后的失效机理

场致击穿、热致击穿ESD失效电迁移、热电迁移、化学电迁移漏电电化学腐蚀、化学腐蚀界面剪切力爆米花机械应力热应力......4.失效模式与失效机理使用中的失效模式及分布4.失效模式与失效机理集成电路安装后的失效原因芯片缺陷失效封装缺陷失效键合失效塑料封装失效芯片粘接失效焊接热应力失效异常电输入失效安装机械应力失效离子污染失效水汽侵入环境应力（温、湿、震）失效......继电器过高是工作温度，破坏继电器的绝缘系统，导致继电器失效；过热的触点电流发热，直接损坏触点或破坏绝缘系统，导致继电器失效；过大是切换功率（高压、大电流）产生的电弧直接损商触点。导致继电器失效。4.失效模式与失效机理4.失效模式与失效机理蜂鸣器电压如果电压过低，蜂鸣器将会工作不正常；而电压过高，则可能由于共振剧烈导致蜂鸣器声音异常，或者可能使蜂鸣器损坏。电流如果驱动电流不足，将导致蜂鸣器鸣叫不正常；如果驱动电流过大，可能烧毁线圈而导致蜂鸣器失效。环境温度当环境温度超出蜂鸣器的极限温度后，由于蜂鸣片材料性能的显著变化，会产生声音失真的情况。电磁元件包括滤波用的电感器、功率转换用的变压器等。失效模式:热效应下的绝缘材料老化。5.失效分析5.1失效分析的作用找出失效原因，提高使用寿命、避免突然失效造成停机、安全隐患等损失甚至重大损失。作为提高设计水平或改进设计的重要依据之一。作为提高制造、安装、使用及维护的水平的突破点之一。5.2失效分析的程序1）收集失效现场数据（1）基础信息：工作原理、结构、材料、工艺、功能参数；样品来源、型号、批次、编号、时间、地点；失效环境：潮湿、辐射；失效应力：过电、静电、高温、低温、高低温；失效发生期：早期、随机、磨损；5.失效分析

（2）技术信息整机故障现象、异常环境、在整机中的状态、应用电路、筛选应力、失效历史、失效比例、失效率及其随时间变化等。生产工艺条件和方法。2）确认报告的失效模式电测确定短路、开路、参数、功能、稳定失效、间隙失效等。镜检确认颜色变化、形状改变、裂纹、腐蚀、污染等。应力模拟试验确认对于在某种环境（应力）才表现的故障，采用应力模拟哎呀进行确认．

5.失效分析（1）要点防止故障扩大，防止故障消失。如短路模式，加电时继续加大电流，掩盖原有信息；电连接微小脱离而开路，加电时脱离处击穿，开路消失；微小短路通道，在大电流时被烧毁，短路现象消失；离子漏电会因为“干燥”而恢复。......

（2）失效模式确认的可能结果与报告的失效一致/与报告的失效不一致样品的失效是一种