型号研制过程中电子元器件的可靠性控制
摘要：电子元器件是电子产品功能的最基本单元。本文从工程研制需求角度出发，分析了型号研制过程中电子元器件控制与管理闭环系统的几个方而，包括元器件选用、二次筛选、DPA、保管贮存、电装调试、失效分析以及信息管理等工作。
关键词：电子元器件；二次筛选；DPA；失效分析
Reliability Control for Electronic Part in Engineering Development
Abstract：Electronic component is the basic element of electronics product’s function. In this paper, we discussed the close –loop control system for electronic component, including choosing component , secondary screening , DPA , saving，adjusting，failure analysis and information management, etc
Key Words: electronic component; secondary screening; DPA; failure analysis
1 概述
电子元器件（以下简称元器件）是电子产品的重要组成部分，是电子产品的最基本单元。元器件的可靠性直接关系到整个系统的可靠性。因此，元器件的可靠性是型号研制过程中保证产品可靠性的重要环节之一，同时也对加快型号研制进度、保证研制质量、节约研制经费、降低综合保障费用和寿命周期费用都有重要意义。
元器件的可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是指元器件制造完成时所具有的可靠性，主要由元器件的设计、工艺和原材料性能来决定，是通过设计和制造等工作赋予元器件的一种“先天”特性，并且“后天”不可改变，保证元器件固有可靠性是元器件制造厂商的任务；使用可靠性则是指元器件应用于具体电路时所具有的可靠性，它不仅与元器件的固有可靠性有关，而且与元器件从出厂至失效所经历的工作与非工作条件有关，是通过使用人员正确的选择和使用元器件来反映的。国内外大量的故障统计表明，在电子元器件失效中，由固有可靠性和使用可靠性造成的元器件失效比例各占50%左右，因此，提高电子产品的可靠性，就必须采取一定的措施来提高元器件的固有可靠性和使用可靠性。
为了保证型号研制电子产品的可靠性，应从元器件可靠性的两个方面着手，首先选用有质量保证的、经实践证明固有可靠性较高的产品，其次，应开展二次筛选、降额设计和热设计等可靠性设计，并建立完整的质量跟踪及质量数据库，从而形成一种闭环控制系统，提高元器件的使用可靠性。这个闭环控制系统一般包括元器件性能、质量等级的选择、降额设计、热设计、采购、监制、验收、二次筛选、破坏性物理分析(DPA)、保管、电气装配、失效分析、信息管理等环节。
2 元器件的选用
在研制新的电子产品时，应根据产品的使用环境条件及可靠性要求，同时考虑到产品的重要性程度、允许的费用和时间、现有的科技水平等来确定元器件的选用。
1.1 选用原则
根据系统设计的要求和产品使用环境条件要求，按照以下原则进行元器件的选取：
⑴ 在质量、进度等方面满足分系统或系统要求、性能价格比相近的前提下，应优先选用国产元器件。这从保证定货、进度以及进一步提高过程元器件水平等方面来说均有好处，并有利于提高武器装备的自主保障能力，避免出现进口元器件的“断档”问题；
⑵ 元器件应在选用目录或优选目录中选用，超选用目录或优选目录选用时，应按规定填写申请表，经批准后方可选用；
⑶ 当无适用的老品元器件时，应按规定在系列型谱或军用电子元器件新品指南范围中选择新品元器件进行研制。新品元器件必须经过设计定型，方能用于航天型号的试(正)样产品上。未经鉴定通过的新研制品种，不要优先选用。这是因为，从制造工艺角度上看，新研产品往往不够成熟，技术状态未最终固化，应用问题尚未被彻底地暴露出来。若为了完成型号研制任务而必须使用时，则一定要制定其它的特殊质量控制方法，加强对它的监控和旁核；
⑷ 在选用时应最大限度地压缩品种和生产厂家，一方面便于采购，另一方面也便于质量监控，并降低型号交付使用后的后勤保障费用，但每一元器件尽可能保证有两个生产厂家；当选用目录或优选目录中同一元器件有一个以上供货单位时，应选择生产线质量受控、元器件性能稳定、信守合同或有良好合作经历的单位，作为供货单位。
⑸ 选用元器件的参数及其允许使用环境时，必须考虑在任何情况下不得超过其极限值或最大额定值，并按规定进行降额使用；
⑹ 优选选择经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件、不允许选择淘汰品种和禁用品种(例如锗管和塑封器件)。
1.2 编制优选目录
按QJB 3065.1《元器件选用管理要求》的规定，一般按以下程序编制元器件优选目录:
⑴ 成立优选目录编制组，提出编制实施计划；
⑵ 调研元器件使用要求、国内生产质量情况及选用国外元器件情况；
⑶ 提出征求意见稿，广泛征求用户意见；
⑷ 汇总并分析意见，编制送审稿；
⑸ 组织审查，编制报批稿；
⑹ 呈报审批。
1.3 优选目录的管理
根据型号任务的进展和元器件品种、质量和供货单位的变化，应及时补充、修订选用目录或优选目录，对选用目录或优选目录实行动态管理。
由于优选目录自身的局限性和滞后性，往往还存在超目录选用的情况，对此一定要进行控制，严格实行会签、批准的确认方式，履行相关审批手续。
同时，优选目录的制定不能一劳永逸，必须实施动态管理，在型号研制的不同阶段，比如"C”型件或“S”型件研制结束后，根据各使用单位的反馈意见、超目录选用情况和各生产厂家的质量变化情况，对优选目录进行修订。
1.4 进口元器件的选用与管理
对于国内不能生产或质量、进度等方面不能满足整机或系统要求的元器件，应按规定程序提出申请，经批准后，按QJ2671规定选用进口元器件。制定进口元器件选用目录，参照MIL-STD-454，MIL-STD-199，MIL-STD-198，MIL-STD-1346，MIL-STD-1353选用；选用经过航天产品使用，并积累了足够的可靠性数据的元器件和选择有成功合作经历、国际著名的公司、制造商作为供货单位。
3 元器件二次筛选
元器件的筛选分为“一次筛选”和“二次筛选”两类。元器件在交付用户使用前按元器件的产品规范(总规范、详细规范)进行的筛选称为“一次筛选”。使用方在采购以后根据使用要求进行的再次筛选称为“二次筛选”。
3. 1 二次筛选的目的
高可靠性的元器件是设计和生产出来的，但即使再好的生产工艺和生产控制还是不可避免地会产生一些缺陷、质量不符合要求的产品。二次筛选就是针对不同的失效模式进行一些试验以剔除不合格的、或由于某种缺陷会引起早期失效的元器件。这种手段已被证明是行之有效的方法。但有一种错误观点必须澄清，即认为通过了二次筛选的元器件至少达到了什么质量等级了。元器件的固有可靠性水平，在设计、生产完毕后，实际就确定了，通过二次筛选是不能提高元器件个体的固有可靠性水平的，最多可以认为通过剔除不合格品，从生产批次的角度上讲，改善了批次的固有可靠性水平。
目前，国内元器件的生产水平，总体上与研制产品的使用要求相比或多或少地存在着一些差异，厂家进行的一次筛选的筛选项目和应力要求也不一定能满足产品研制的需要；进口元器件中真正的“军标”产品不是很多，大部分还是中低档产品，其中还可能存在许多假冒伪劣品。而研制产品往往针对性很强，对存在某种失效模式的元器件必须严格剔除，否则不能保证产品可靠地进行工作。这些都要求我们通过二次筛选来保证元器件的质量。元器件的二次筛选是元器件质量控制工作中的重要措施之一，对产品的可靠性保证有着重要意义。
3.2 二次筛选时应注意的几个问题
⑴ 对型号研制中采用的元器件应实行100%的二次筛选，这样才能最大限度地剔除存在有某种失效模式的元器件。
⑵ 针对产品的用途进行有选择性的筛选。例如：抗幅照能力的考核就是一个特例。对宇航电子设备是必须考虑的，对地面电子设备则基本上可以不考虑。
⑶ 对由于手段问题不能进行筛选的元器件，须采取其它的控制方式来保证其质量。例如在使用的电路上进行了一些试验或者委托其它单位进行试验等等。
⑷ 考虑到二次筛选的局限性，必须严格控制它的批允许失效百分比(PDA)。
3.3 二次筛选的通用项目
温度循环：检查结构缺陷
恒温加速度：检查内引线
颗粒碰撞噪声检测：检查有无杂质
电老炼：检查早期失效
高低温测试：检查参数漂移
常温初测和终测：检查产品是否合格
检漏：检查漏气与否
外观目检
4 元器件的破坏性物理分析（DPA）
破坏性物理分析(DPA)技术是应工程需要，为保证元器件的高可靠性要求而发展起来的，由于它能反映出元器件二次筛选过程中不可能发现的一些缺陷，使它在70年代美国的航天领域率先得到推广使用，欧洲航天系统在80年代也开始推广使用，而我国近几年也开始引起重视并推广使用，并取得了良好的效果。有些研制型号由于有多次使用、长期性能优良的需要，所以对元器件的可靠性要求从某些角度上讲可以等同或高于航天型号的要求，虽然要花费不少费用，但由于它特殊的效能，总比因元器件的隐患引起研制任务的失效要经济得多。所以开展D PA工作对保证整机的可靠性水平有着特殊作用。
对一个批次的元器件、抽样进行D PA是对元器件二次筛选工作的有益补充。破坏性物理分析的有效性在于，有些隐藏得很深的缺陷，在试验过程中根本发现不了，但在解剖后却能轻易发现。如水气含量过高，它的失效模式是一种进行式的失效，前期一般发现不了，但随着时间的推移，它会逐渐引起铝条、引线的腐蚀，最终导致失效。这种失效模式在二次筛选过程中几乎发现不了，但在做破坏性物理分析的水气含量试验这个项目时却很容易发现。所以D PA的结果往往是做出整批拒收的重要依据之一。DP由于是从“良品”中抽样进行，所以试验的成本较高。为保证研制产品的可靠性水平，在实际做法中也可考虑一些变通方法。例如列出关键、重要元器件目录，对这些元器件进行DPA试验，根据实际研制工作对元器件可靠性要求，对DPA项目进行适当的剪裁，从二次筛选淘汰下来的废次品中抽取样品做一下DPA等等。这样所花费的资金有限，在某种程度上也对元器件的质量进行了有效控制。
大量数据统计中表明：壳通过筛选淘汰的不合格品项目如外部目检、PIND和检漏所占的比例在36.9%，而通过筛选不能剔除的缺陷入内部目检、剪切力、键合力等比例达到63.1%，可见无法通过筛选提出的数量多。开展DPA一般原则：
⑴ 重要型号或一般型号的重要电子产品所选用的元器件需作DPA；
⑵ 器件的等级低于型号要求的元器件；
⑶ 未能按型号要求几逆行能够补充筛选的元器件；
⑷ 在试验中曾发生故障的同批次元器件；
⑸ 超过贮存期的元器件，做DPA试验时要合理选择项目、选择有关部门认证的DPA试验室进行。
5 元器件的贮存和保管
元器件的贮存与保管必须符合其规定的贮存保管条件，特别对需要防潮、防腐、防老化、防静电等电子元器件更应妥善保管，存放元器件的库房存放应做到不同品种和不同批次分类存放，库房内应标志明显、排列有序、安全稳妥、存放合理、库房整洁、温湿度有记录。并对库存放过程中对有定期测试要求的电子元器件进行定期质量检验，发现不合格品及时隔离出库，并记录在案。
6 元器件的电装和调试
当元器件的固有可靠性和使用可靠性为一定值时，则电装工艺的可靠性决定了电子产品的可靠性.因此，我们必须重视电子元器件的电装可靠性，以保证电子元器件的使用可靠性。
元器件进入生产车间，依据图纸和工艺要求，进行电装焊接。电装工艺对各种元器件的焊接时间，焊接温度以及元器件对防静电的要求都应明确给出，如某CMOS集成电路焊接时间小于4s，焊接温度小于240℃，应在静电防护区内焊接。对于某些集成电路为更换方便或不宜直接焊接，应明确先焊接集成电路插座，对有散热要求的，应明确焊接高度。
生产车间的电装工人应经过培训，能完成元器件抽检中未尽事宜，如元器件是否混装，标识是否正确，焊脚或插针是否变形，外观是否有破损等。
通电调试印制板前，主要检查元器件方向，以及印制板焊接有无短路、虚焊等。
调试过程是否带电作业，应特别注意静电防护和调试工具。调试工具是否符合防静电要求，直接影响静电敏感器件在调试过程中静电放电通路的顺畅。调试更换元器件或发现问题，应有详细记录，并通知设计人员，查找原因。例如：计使用500Ω偏差不超过10%的电位器，批质量临界 461Ω，判合格，电装调试发现预定功能难调，设计人员根据调试记录，分析电路，具体到哪一种元器件参数不合适则更换，以提高元器件的使用可靠性。
7 元器件失效分析
失效分析是发现问题并解决问题的重要途径，在产品测试，系统连调等过程中发现元器件失效时，对于典型失效或批次质量问题的元器件，元器件质量控制部门应组织有关技术人员和质量控制人员共同进行失效分析，明确失效机理，查明失效原因；关键的、重要的元器件失效、重复多次出现失效而原因不明的元器件以及选用的质量等级不明或偏低的元器件，应将其作为重点，可由专业的失效分析实验室进行。通过试销分析可以改进设计，加强关键工序的管理，使产品的可靠性不断提高；同时，也提高了设计、制造和相关人员的业务技术水平。
失效分析后确认属批次性质量问题的，至少应在本研制型号的范围内发出通报和警示，以避免类似情况的再次发生。
8 建立元器件质量数据库
建立元器件质量数据库能够比较综合地反映出元器件的质量状态，从中可以看出厂家的生产水平、工艺水平，对型号研制所选用元器件可提供相应的质量数据，为一些决策提供依据。据此也可调整供货厂家，有选择地委托特定厂家进行新型元器件研制工作和提出资助技改的建议，从而进一步保证元器件的质量与可靠性。型号研制单位应建立从元器件从选用、订购、监制验收、二次筛选、DPA、保管和失效分析全过程的信息存入信息库，并建立能检索元器件去向包括装机元器件和失效元器件信息的信息库。
数据库应该由质量检验部门建立，采购、试验和研制等部门配合，并提供相应的数据。质量部门利用计算机对数据库进行统计和分析，再将结果反馈至采购、试验和研制部门，据此对元器件的采购、试验、采用进行调整，提高元器件的与可靠性。。
9 结论
为提高电子元器件的使用可靠性，必须做好元器件的设计选用、检验、测试、筛选、储存保管、电装等工作；它将为提高电子产品可靠性提供坚实基础。根据上面的论述和一些型号研制的经验，归纳出型号研制过程实施元器件质量与可靠性工作的一般程序，如图1所示，可见：
⑴ 编制型号元器件优选目录是开展元器件工作的基石，必须予以充分重视。
⑵ 二次筛选是装机元器件必须进行的，重点型号要求100%进行二次筛选。
⑶ 失效分析和D PA是发现元器件质量问题的重要手段，从长远来看，它们大大减少了装备的寿命周期费用。
图1 元器件质量与可靠性工作的一般程序流程
参考文献
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2. QJ3065.1-1998 元器件选用管理要求
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5. GJB 4027-2000 军用电子元器件破坏性物理分析方法
6. 王亦平. 电子工艺基础. 北京：电子工业出版社，1999
7. 姚立真. 可靠性物理. 北京：电子工业出版社，2004.8
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