詳談元器件失效及存儲

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1、元器件總體分類

元器件可分為元件、器件兩大類。元件又細(xì)分為電氣元件和機(jī)電元件。

元件指在工廠生產(chǎn)加工時不改變分子成分的成品，如電阻器、電容器、電感器。它們本身不產(chǎn)生電子，對電壓、電流無控制和變換作用。器件指在工廠生產(chǎn)加工時改變了分子結(jié)構(gòu)的成品，例如晶體管、電子管、集成電路，本身能產(chǎn)生電子，對電壓、電流有控制、變換作用（如放大、開關(guān)、整流、檢波、振蕩和調(diào)制等），又稱電子器件。電子器件包括半導(dǎo)體分立器件、集成電路、真空電子器件、光電子器件等。另外，將電聲器件和電池等歸為其他元器件類。

2、元器件存儲

我國大多數(shù)裝備電子產(chǎn)品的研制周期較長，且產(chǎn)品列裝使用后還需要維修，而元器件(尤其是進(jìn)口元器件)更新?lián)Q代是比較快的，往往裝備在研制過程中，某些進(jìn)口元器件已不生產(chǎn)，或定型后使用需要維修時，有些元器件已經(jīng)“斷檔”。為了解決這一矛盾，通常在采購時留有足夠的余量，以解決裝備研制的需要；而且元器件訂貨量大，單價相對來說就低，也有利于節(jié)約費(fèi)用。作為元器件的采購方和使用方普遍采取“一次采購、多次使用”的方式，這不僅能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，也有利于保證裝備產(chǎn)品的研制進(jìn)度。而另一方面，元器件生產(chǎn)廠家也希望“一次技產(chǎn)、多次供貨”以降低生產(chǎn)成本。但“一次訂貨，多次使用”或“一次投產(chǎn)、多次供貨”主要取決于元器件允許長期儲存的期限，以及超過了規(guī)定的儲存期限后，需要通過必要的檢測，才能驗證元器件的質(zhì)量與可靠性仍能滿足裝備研制的要求。

元器件的儲存可靠性以及儲存期的長短主要與下列因素有關(guān)。

(1)由設(shè)計、工藝和原材料決定的元器件固有質(zhì)量狀況。

(2)元器件儲存的環(huán)境條件。

(3)元器件的不同類別。

(4)裝備的可靠性要求。

3、元器件儲存環(huán)境

多數(shù)元器件的總規(guī)范和詳細(xì)規(guī)范中規(guī)定了元器件的儲存環(huán)境，SJ 331《半導(dǎo)體集成電路總技術(shù)條件》規(guī)定了半導(dǎo)體集成電路儲存的溫度范圍為-10℃～40℃，相對濕度不大于80% ；美國軍用標(biāo)準(zhǔn)和我國軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定半導(dǎo)體器件的儲存環(huán)境溫度范圍要寬一些。這些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的儲存環(huán)境都是不允許超過的范圍，并非元器件儲存的最佳環(huán)境。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4798.1《電工電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境:儲存》，對于某些存放精密儀器儀表、元器件的倉庫環(huán)境條件的級別定為最高級別，其主要的氣候環(huán)境條件為20℃～25℃；相對濕度:20%～70%；氣壓:70kPa～106kPa。這三項儲存的氣候環(huán)境條件中，對元器件儲存可靠性影響較大的是溫度和相對濕度，氣壓影響的程度相對較小。儲存環(huán)境除了氣候環(huán)境對元器件的有效儲存期有影響外，GB 4798.1中還規(guī)定了其他環(huán)境(如特殊氣候環(huán)境(輻射等)、生物環(huán)境(霉菌、白蟻等)、化學(xué)活性物質(zhì)(有害氣體等)、機(jī)械活性物質(zhì)(砂、塵等))。此外，振動、沖擊等機(jī)械環(huán)境對元器件儲存可靠性和儲存期的長短也有很大影響。

GJB/Z 123《宇航用電子元器件有效儲存期及超期復(fù)驗指南》中均規(guī)定了元器件的儲存環(huán)境條件：元器件必須儲存在清潔、通風(fēng)、無腐蝕氣體并有溫度和相對濕度指示儀器的廠所。

儲存環(huán)境條件的分類見表

（1）對靜電放電敏感的元器件(如MOS器件、微波器件等)，應(yīng)采取靜電放電防護(hù)措施。

（2）對磁場敏感但本身無磁屏蔽的元件，應(yīng)存放在具有磁屏蔽作用的容器內(nèi)。

（3）非密封片式元器件應(yīng)存放在充惰性氣體密封的密封容器內(nèi)，或存放在采取有效去濕措施(如加吸濕劑、防氧化劑等)的密封容器內(nèi)。

（4）微電機(jī)等機(jī)電元件的油封及單元包裝應(yīng)保持完整。

4、元器件儲存失效機(jī)理

影響元器件儲存可靠性和儲存期長短的主要因素是元器件本身包含的各種缺陷，凡系統(tǒng)中含有存在缺陷的元器件都不能滿足系統(tǒng)長期儲存的要求，無缺陷或缺陷少的元器件就能滿足系統(tǒng)十幾年甚至是20年的長期儲存要求。美國桑迪亞國家實驗室(SNL)收集了美國國防部的部分高可靠微電子器件(如MOSLSI、雙極型SSI)在非工作狀態(tài)下的大量儲存數(shù)據(jù)，儲存期為8年-10年，甚至20年以上。數(shù)據(jù)分析表明，非工作狀態(tài)下元器件的儲存失效并非單純地呈指數(shù)分布規(guī)律，其失效在較大程度上由設(shè)計、制造和生產(chǎn)過程的質(zhì)量監(jiān)控失誤造成的缺陷所引起。

對長期庫房儲存試驗和延壽試驗的失效樣品分析表明，失效的主要原因是由于器件內(nèi)部水汽影響，其次是芯片、引線脫落。不同類別元器件常見儲存失效模式和失效機(jī)理見表2。元器件儲存失效包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效和與封裝、鍵合有關(guān)的外部結(jié)構(gòu)失效，而外部結(jié)構(gòu)失效在儲存失效中占主要部分，包括封裝漏氣失效、引線焊接失效、外引線腐蝕斷裂等，是由于元器件在儲存溫度、濕度等環(huán)境應(yīng)力的作用下潛在的外殼、封裝工藝缺陷而導(dǎo)致失效。

5、有關(guān)元器件儲存期的定義

儲存期ts：元器件從生產(chǎn)完成并檢驗合格后至裝機(jī)前在一定的環(huán)境條件下存放的時間。

有效儲存期tvS：一定質(zhì)量等級的元器件在規(guī)定的儲存環(huán)境條件下存放，其批質(zhì)量能滿足要求的期限。

基本有效儲存期tBVS：未考慮元器件質(zhì)量等級的有效儲存期。

儲存質(zhì)量系數(shù)CSQ：根據(jù)元器件的不同質(zhì)量等級，對基本有效儲存期的調(diào)整系數(shù)。

超期復(fù)驗：超過有效儲存期的元器件，在裝機(jī)前應(yīng)進(jìn)行的一系列檢驗。

繼續(xù)有效期：超期復(fù)驗合格的元器件在規(guī)定的儲存環(huán)境條件下存放，其批質(zhì)量能滿足要求的期限。

6、元器件儲存期計算

元器件的儲存期的起始日期通常按以下原則計算獲得。

（1）經(jīng)過二次(補(bǔ)充)篩選，其篩選項目和條件不少于相關(guān)規(guī)定的相應(yīng)超期復(fù)驗 中非破壞性檢驗項目，且二次(補(bǔ)充)篩選完成日期或生產(chǎn)日期不超過12個月的元器件，可按二次(補(bǔ)充)篩選報告上(批合格)篩選完成的日期計算。

（2）元器件上打印的生產(chǎn)日期(或星期)代碼(號)，如進(jìn)口器件代碼“9908” 表示1999年第8周生產(chǎn)；凡僅有年月而無日期的均按該月15日計算(如果為星期代號，則按星期四的日期計算)。

（3）按產(chǎn)品合格證上的檢驗日期計算。

（4）按包裝容器上的包裝日期提前一個月計算。

（5）按元器件驗收日期提前兩個月計算，如果驗收時能確定元器件的生產(chǎn)日期，則應(yīng)按生產(chǎn)日期計算。

當(dāng)?shù)玫皆骷膬Υ嫫诘钠鹗既掌诤?，元器件的儲存期即是從元器件儲存的起始日期至預(yù)定裝機(jī)日期的時間。

7、元器件有效儲存期

元器件的有效儲存期與元器件的材料、結(jié)構(gòu)和儲存的環(huán)境條件有關(guān)。不同類別的元器件由于結(jié)構(gòu)等差異，其有效儲存期也將有所不同。有些元器件的產(chǎn)品規(guī)范(總規(guī)范或詳細(xì)規(guī)范)中規(guī)定了元器件的儲存期限，這些規(guī)定的期限在一定程度上就是“有效儲存期”。

較早的美國軍用軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-S-19500E《半導(dǎo)體器件總規(guī)范》中規(guī)定了庫存超過12個月的半導(dǎo)體分立器件，交貨時要進(jìn)行重新檢驗的程序，可以認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了半導(dǎo)體分立器件的“有效儲存期”為12個月；而20世紀(jì)90年代發(fā)布的MIL-S-19500J規(guī)定了庫存超過36個月的半導(dǎo)體分立器件，交貨時要進(jìn)行重新檢驗的程序，表明隨著半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體分立器件的“有效儲存期”亦隨之延長。

美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-M38510《微電路總規(guī)范》規(guī)定了微電路的“有效儲存期”:20世紀(jì)80年代時為24個月，20世紀(jì)90年代已延長為36個月。此外，歐洲空間局(ESA)標(biāo)準(zhǔn)ESAPSS01-60《ESA空間系統(tǒng)的元器件選擇、采購和控制》以及歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(ECSS)標(biāo)準(zhǔn)ECSS-Q-60A《空間產(chǎn)品保證電子、電氣和機(jī)電元器件》均規(guī)定了從制成到預(yù)計裝機(jī)日期超過了60個月的庫存元器件，裝機(jī)前應(yīng)進(jìn)行復(fù)驗程序。

目前我國軍用“七?！痹骷?，也有部分元器件的技術(shù)條件規(guī)定了“有效儲存期”。如QZJ 840620規(guī)定了射頻插頭座在環(huán)境溫度為5℃-35℃、相對濕度不大于80%的庫房中儲存60個月內(nèi)應(yīng)具有使用性；QZJ 840621規(guī)定了石英諧振器出廠后，在正常的存放條件下，96個月內(nèi)的頻率變化應(yīng)在補(bǔ)充技術(shù)條件規(guī)定的范圍內(nèi)。有效儲存期作為元器件的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該由元器件生產(chǎn)廠家給出，而大多數(shù)國內(nèi)生產(chǎn)廠家要做到這一點還存在一定的困難。在元器件生產(chǎn)廠家不能提供的情況下，通常在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，參照國內(nèi)外經(jīng)驗自行規(guī)定元器件的有效儲存期。元器件的有效儲存期與儲存的環(huán)境條件有關(guān)，但在美軍標(biāo)準(zhǔn)及歐洲空間機(jī)構(gòu)的同類標(biāo)準(zhǔn)都未說明36個月或60個月是在怎樣的儲存環(huán)境下的有效儲存期。對此只能理解為歐美的倉庫環(huán)境條件較好，或已達(dá)到相當(dāng)于I類的儲存環(huán)境條件。不同的元器件其結(jié)構(gòu)和材料等有一定的差異，所以其有效儲存期也不盡相同，歐洲空間機(jī)構(gòu)類似的標(biāo)準(zhǔn)化文件將元器件的有效儲存期一律定為60個月，這種做法不一定很科學(xué)。元器件的有效儲存期與元器件的質(zhì)量等級有關(guān)，但在美軍標(biāo)準(zhǔn)及歐洲空間機(jī)構(gòu)的類似標(biāo)準(zhǔn)中都未說明元器件的質(zhì)量等級。

8、元器件的超期復(fù)驗

美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-S-19500規(guī)定半導(dǎo)體分立器件庫存超過了36個月，交貨時要通過電參數(shù)測試和外觀檢查；MIL-M-38510規(guī)定集成電路庫存超過了36個月，交貨時要通過電參數(shù)測試。歐洲空間局標(biāo)準(zhǔn)ESA-01-60以及歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織ECSS標(biāo)準(zhǔn)ECSS-Q-60A規(guī)定超過60個月的庫存元器件，裝機(jī)前應(yīng)進(jìn)行復(fù)驗。這兩個管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的復(fù)驗程序包括電參數(shù)測試、外觀目檢、密封性檢查和破壞性物理分析等。

儲存期超過有效儲存期的元器件應(yīng)按一定的程序進(jìn)行復(fù)驗，復(fù)驗通過的元器件，才能作為合格品用于裝備型號正（試）樣上。

以下簡要介紹我國軍用元器件超期復(fù)驗的要求。

A、超期復(fù)驗的分類

元器件的超期復(fù)驗需按照超過有效存儲期時間的長短進(jìn)行分類。

元器件的超期復(fù)驗超過有效儲存期的時間分為A、B、C三類。

（1）儲存期已超過有效儲存期，但未超過1.3倍的為A類。

（2）儲存期已超過有效儲存期1.3倍，但未超過1.7倍的為B類。

（3）儲存期已超過有效儲存期1.7倍，但未超過2.0倍的為C類。

除非另有規(guī)定，超過有效儲存期2.0倍的元器件不得進(jìn)行超期復(fù)驗；對于已通過了A、B類超期復(fù)驗，而且其總儲存期未超過有效儲存期2.0倍的元器件，允許按C類進(jìn)行第二次超期復(fù)驗；已經(jīng)過C類超期復(fù)驗的元器件，不得再次進(jìn)行超期復(fù)驗。

不同的裝備研制，可根據(jù)需要對上述分類進(jìn)行細(xì)化或剪裁，某航空型號的《元器件儲存管理規(guī)定》中規(guī)定按有效儲存期的長短分為A、B兩類。

（1）儲存期已超過有效儲存期，但未超過1.5倍的為A類。

（2）儲存期已超過有效儲存期1.5倍，但未超過2.0倍的為B類。

B、元器件超期復(fù)驗的要求

通常情況下，儲存期超過有效儲存期的元器件必須按相關(guān)技術(shù)文件的檢驗過程進(jìn)行復(fù)驗，通過復(fù)驗的元器件，才能作為合格品裝機(jī)使用，未經(jīng)復(fù)驗的超期元器件不得裝機(jī)使用。超過有效儲存期2.0倍的元器件不得進(jìn)行超期復(fù)驗。

在復(fù)驗過程中發(fā)現(xiàn)致命缺陷（功能失效）或嚴(yán)重缺陷的元器件，應(yīng)進(jìn)行失效分析；如果分析結(jié)果表明缺陷為批次性，則同一生產(chǎn)批的元器件不得用于型號產(chǎn)品。

復(fù)驗合格的元器件應(yīng)繼續(xù)在規(guī)定的環(huán)境條件下存放；復(fù)驗不合格的元器件應(yīng)嚴(yán)格隔離。以下簡要介紹元器件超期復(fù)驗要求。

A類超期復(fù)驗要求

A類超期復(fù)驗時元器件儲存期超過有效儲存期的時間不長，重點檢查對元器件的外觀、電性能以及密封情況；

B類及C類超期復(fù)驗要求

B類或C類的超期復(fù)驗時元器件儲存期超過有效儲存期的時間較長，除按A類超期復(fù)驗 的要求進(jìn)行復(fù)驗，還要重點對檢查元器件的引出端可焊性以及引出端的強(qiáng)度，對于某些類別的元器件還要抽樣進(jìn)行破壞性物理分析檢測。

有關(guān)元器件DPA的方法及批不合格判據(jù)，規(guī)定如下：

（1）分立器件按GJB 128A方法2072~2075、2037、2017分別進(jìn)行內(nèi)部目檢、鍵合強(qiáng) 度和芯片剪切檢驗；集成電路按GJB 548B方法2013、2011.1、2019.2分別進(jìn)行內(nèi)部目檢、鍵合強(qiáng)度和芯片剪切檢驗。檢驗結(jié)果如果發(fā)現(xiàn)腐蝕等批次性失效模式，則整批不得裝機(jī)使用。

（2）對非固體鉭電容器進(jìn)行內(nèi)部目檢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有腐蝕孔或普遍腐蝕的現(xiàn)象，則整批不得裝機(jī)使用。

（3）對密封繼電器、石英諧振器、振蕩器等進(jìn)行內(nèi)部目檢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有腐蝕現(xiàn)象，則整批不得裝機(jī)使用。

審核編輯 黃宇