2024年4月26日发(作者：)

电子产品可靠性与环境试验

耘蕴耘悦栽砸韵晕陨悦孕砸韵阅哉悦栽砸耘L陨粤月陨蕴I栽再粤晕阅耘晕灾陨R韵晕酝耘晕栽粤蕴栽耘杂栽陨晕郧

可靠性与环境试验技术及评价

基于可靠性试验的电子元器件物料评价方法

要以IGBT为例要要

杜进桥

1

袁雷晓敏

2

袁王宗标

1

袁皮志武

1

袁李传业

2

2.工业和信息化部电子第五研究所袁广东

渊1.深圳供电局有限公司袁广东深圳

广州

518000曰

511370冤

摘要院

电子元器件物料直接影响着整机的质量与可靠性遥准确地评价电子元器件物料的优劣对于指导产品

选型进而提升整机的可靠性具有重要的意义遥提出了基于可靠性试验的电子元器件物料评估方法袁从质量一致

性尧工艺适应性尧结构分析尧热性能分析和耐久性5个方面建立评价模型袁对电子元器件物料进行整体评价遥

以绝缘栅双极晶体管为例袁对6种不同型号的物料开展了基于可靠性试验的评价袁最终得到了物料的评价结果袁

可用于指导产品选型遥

关键词院

可靠性试验曰物料曰评价方法曰绝缘栅双极晶体管

doi:10.3969/.1672-5468.2021.02.013

中图分类号院TB114.3文献标志码院A文章编号院1672-5468渊2021冤02-0063-05

EvaluationMethodofElectronicComponentsMaterial

BasedonReliabilityTest要要

要TakingIGBTasanExample

DUJinqiao

1

袁LEIXiaomin

2

袁WANGZongbiao

1

袁PIZhiwu

1

袁LIChuanye

2

渊enPowerSupplyBureauCo.袁Ltd.袁Shenzhen51800袁China曰

袁Guangzhou511370袁China冤

Abstract院

Thematerialsofelectroniccomponentsdirectlyaffectthequalityandreliabilityofthe

ofgreatsignificanceforguidingproductselectionandimprovingthereliabilityofthecomplete

uratelyevaluatingthequalityofelectroniccomponentsandmaterialsis

uationmethodforelectroniccomponentsmaterialsbasedonreliabilitytestis

luationmodelsareestablishedfromfiveaspectsofqualityconsistency袁process

adaptability袁structuralanalysis袁thermalperformanceanalysisanddurability袁andtheoverall

thematerialevaluationresultsareobtained袁whichcanbeusedtoguideproductselection.

ingIGBTasan

example袁sixdifferenttypesofmaterialsareevaluatedbasedonreliabilitytest袁andfinally

Keywords院

reliabilitytest曰materials曰evaluationmethod曰IGBT

收稿日期院2020-11-11修回日期院2021-02-26

作者简介院杜进桥渊1988-冤袁男袁甘肃白银人袁深圳供电局有限公司工程师袁硕士袁从事新能源与综合能源服务研究工作遥

通信作者院雷晓敏渊1993-冤袁女袁陕西咸阳人袁工业和信息化部电子第五研究所元器件可靠性分析中心工程师袁硕士袁从

事可靠性与硬件电路设计分析研究工作遥

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

63

电子产品可靠性与环境试验2021年

0引言

随着信息技术的不断突破袁类型各异的电子

和引出端强度等方面的内容

[4]

袁评价电子元器件

经过电子组装后袁是否容易出现工艺缺陷遥

2.3结构分析

电子元器件制造过程中引入工艺相关的缺陷

和不足袁尤其是批次性问题一般会通过器件内外

部的结构尧物理特性尧宏观或微观形貌特征表现

出来遥针对该类情况袁通过对器件的封装结构进

行解剖分析尧物理性能进行测试尧形貌进行观察袁

可逐步地提取其结构及材料参数等设计基线信息袁

暴露工艺缺陷和结构缺陷袁定性地评价工艺水平遥

2.4热性能分析

热性能综合反映电子元器件的传热性能和热

效率状态

[5]

遥通过测试电子元器件与其热性能相

关的参数而达到评价目的遥

2.5耐久性

耐久性是指电子元器件能够无故障地使用较

长时间的能力

[6]

袁该指标考核特定环境应力下器

件的耐退化能力袁这种退化包括内部结构的退化

和功能参数的退化遥通过测试电子元器件环境试

验后的功能参数袁考核其耐久性遥

上述5类考核项是针对不同的电子元器件袁

可包含不同类型的考核点袁通过可靠性试验与测

试袁以打分的方式对电子元器件的物料优劣进行

评价遥具体方式如式渊1冤-渊2冤所示袁按照权重

对每一个考核点进行评分袁并综合所有可靠性试

验的评价项目袁得到电子元器件的总体质量可靠

性评价院

Q

0

=

移

P

i

伊W

i

i=1

n

i=1

n

系统在各行各业中实现应用并迅速普及遥电子系

统以电子元器件为基本单元袁通过拓扑连接构成

整体框架用于实现特定功能遥数据表明袁在电子

系统的使用过程中袁电子元器件物料的质量不可

靠是造成整机失效的主要原因

[1]

子元器件物料作为整机的组成部分决定着一个产

品的质量与可靠性遥在工业生产中袁同一应用场

合可选用的电子元器件的种类繁多袁要保证在众

多型号中选取较优物料袁对于电子元器件物料的

可靠性评价至关重要遥

遥由此可见袁电

1电子元器件可靠性评价方法

所谓电子元器件的可靠性评价

[2]

元器件产品尧半成品尧样品和设计图形等电子元

器件通过各种可靠性评价手段袁对其进行评价和

测试袁运用相关工具或软件技术对电子元器件进

行可靠性评估遥通过对同一类型不同型号的电子

元器件进行物料可靠性评价袁形成评价等级袁从

而指导整机产品的物料选型袁确保系统的可靠性遥

袁指的是对

2

现提出面向电子元器件物料的评价方法袁通

基于可靠性试验的评价方法

过开展可靠性评价试验袁从电子元器件关键参数

一致性尧工艺适应性尧结构分析尧热性能分析和

耐久性5个考核项出发开展评价袁从而对比出不

同型号物料之间可靠性的优劣程度袁为整机电子

元器件物料优选及检验提供依据遥

2.1质量一致性

电子元器件在从制造直至测试出厂的整个生

产过程中质量控制的一致性袁对器件的可靠性有

着至关重要的影响

[3]

渊1冤

渊2冤

过程中的控制水平袁构成质量一致性的重要内容遥

对于电子元器件物料评价袁提取能够有效地表征

质量一致性的参数袁对其进行质量一致性评价遥

2.2工艺适应性

电子元器件在苛刻条件下完成良好焊接和组

装袁实现相应的功能并确保可靠性是获得良好产

品质量的关键环节之一遥从工艺适应性出发袁通

过电子元器件可焊性尧耐热性能尧潮敏等级评价

64

遥参数的一致性反映了生产

要根据考核点的重要程度分配的

式渊1冤中院W

i

要要

加权因子曰

P

i

要要要每一项的评分曰

Q

0

要要要每个考核点的总得分即原始分曰

Q

s

要要要该类电子元器件总体质量可靠性评价的

标准分袁通过分数即可完成对电子元器件物料的评价遥

Q

s

=100伊

移

P

i

伊W

i

/

移

10伊W

i

i=1

n

3

绝缘栅双极型晶体管渊IGBT院InsulatedGate

BipolarTransistor冤袁是由双极型三极管渊BJT冤和

绝缘栅型场效应管渊MOS冤组成的复合全控型电压

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

IGBT物料可靠性评价

第2期

杜进桥等院基于可靠性试验的电子元器件物料评价方法要要要以IGBT为例

驱动式功率半导体器件袁兼有高输入阻抗和低导通

压降两个方面的优点遥IGBT作为电力电子的重要

大功率主流器件之一袁被广泛地应用于家用电器尧

交通运输尧电力工程尧可再生能源和智能电网等领

IGBT物料进行评价袁用于指导整机产品中的器件

选型遥

3.1试验方案

针对IGBT物料袁结合上一章提到的基于可靠

性试验的评价方法袁从5个方面对IGBT器件进行

可靠性考核袁分别对应A尧B尧C尧D尧E5组试验

样品遥具体的试验项目与流程如图1所示遥

结合IGBT的特性与使用条件袁参考现有的对

域遥本次可靠性试验针对某整机产品中使用的

应标准袁总结出具体的考核项如表1所示遥

鉴于每一项功能性能或物理性能对整机的可靠

性的影响程度是不一样的袁因此结合市场使用后失

效机理统计情况袁可以得到各个评价项目对应的权

重值袁具体的权重分配如表2所示遥

本次评价包含不同生产厂商尧不同型号的6

种IGBT物料袁命名为型号1~6遥依照整机电路使

用中的物料的典型使用条件袁得到本次IGBT物料

评价方法的评分参考袁具体如表3所示遥每个考

7分冤尧平均渊6~4分冤尧差渊3~0分冤袁考核项的具

核点给出评分区间院优渊10~9分冤尧高于平均渊8~

体考核点评分依据按照参考标准给出统一的评分

要求遥

试验中袁约定重大缺陷项袁一旦发现并确认

此类问题袁无论其他项目得分

为何袁都不建议选用袁评价结

论为野重大缺陷院该IGBT存在

重大缺陷袁不建议使用冶遥在评

价考核过程中发现的关键或特

殊信息袁有必要提醒设计人员

以改良设计或避免出现误用遥

在评价考核点发现的容易导致

设计可靠性问题的缺陷袁但通

过一定的设计手段可以控制袁

图1IGBT物料评价方案测试项目与试验流程

表1IGBT物料的具体考核项要求

考核项

质量一致性

样品数渊可接收失效数冤

66渊/冤

6

6

3

3

渊/冤

渊/冤

渊/冤

渊/冤

试验评价考核点

漏电流

粘接空洞率

击穿电压渊破坏性冤

静电耐量渊ESD等级冤

可焊性

耐焊接热

外部目检尧测量

X射线检查

扫描声学显微镜检查

内部目检尧测量

键合强度

钝化层完整性检查

剪切强度

芯片SEM观察

切片观察分析渊制样镜检冤

热阻系数测试

高温反偏试验

高压蒸汽试验

功率温度循环渊PTC冤试验

提出警告供设计人员参考袁评

工艺适应性

参考标准

IEC60747-9院2007

GJB548B2012.1

IEC60747-9院2007

JESD22-A114

J-STD-002C

GJB360B方法210

GJB548B尧TM2009.1和GJB548B

TM2012.1J-STD-035

GJB128A尧TM2073和GJB548B

结构分析

6渊0冤

TM2011.1尧GJB548B尧TM2019.2

热性能分析

耐久性试验

3

6

6

6

6

渊0冤

渊0冤

渊/冤

渊/冤

渊/冤

IEC60747-9院2007

JESD22-A102

IEC60747-9院2007

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

65

电子产品可靠性与环境试验2021年

表2分值分配及权重分配

考核项考核点

漏电流一致性

质量一致性

粘接空洞率

静电耐量

击穿电压

工艺适应性

结构分析

热性能分析

耐久性

合计

工艺适应性

结构分析

热性能

高温反偏试验

高压蒸汽试验

PTC试验

/

845

61

17

61

权重W

i

9

8

5

7

2

4

9

2

4

9

3.28

6.56

14.75

13.11

6.56

8.20

2947.54

该项权重占比/%

和市场反馈遥此类问题视严重程度袁或在评

价结论部分提出袁或在评价报告的补充信息

部分提出遥

3.2试验结果

根据试验方案进行试验并给出每项考核

点的评分袁按照约定权重转化为每种物料类

型的标准分遥6种不同型号的IGBT物料评价

结果汇总如表4所示遥

表4不同型号的IGBT评价结果汇总

考核考核型号型号型号型号型号型号

项点

123456

漏电

流一

致性

粘接

质量

空洞

一致

率

性

静电

耐量

击穿

电压

工艺工艺

适应适应

性性

结构结构

分析分析

热性热性

能能

高温

反偏

试验

高压

蒸汽

耐久

试验

性

PTC

试验

10

9

10

8

7

8

8

7

9

9

10

9

10

8

7

8

9

10

9

9

565

93

10

6

10

7

7

4

7

8

9

6

466

76

7

6

10

6

7

7

8

10

9

4

441

72

7

3

10

7

7

7

7

5

9

6

391

64

6

7

10

7

7

6

6

10

9

6

412

68

100.00

表3IGBT物料评分参考

参数值要求

范围

0耀1700V

0nA耀100滋A

对IGBT的一般/

最低要求值渊基

准值冤

实际耐压V

渊BR冤CES

超过1000V

实际I

CES

小于

100滋A

参数

工作电

压V

op

漏电流

I

CES

测试方法或依据

按产品器件规范

测试条件

按产品器件规范

测试条件

在最大开通脉宽

在最大开通脉利用电磁炉平台袁

峰值电

80滋s条件下袁最

宽80滋s条件下测试IGBT的实际

流I

CM

低承受电流不小

0耀150A

破坏极限

于100A

工作温

结温小于150益

度

抗静电

能力

抵抗不超过

3000V的

ESD渊HBM冤

相同工作条件下袁

实际结温小于

130益

实际最低静电等

级测试结不得小

于2000V

最大功率工作

渊煮水冤袁稳定后

测试工作结温

JEDECJESD22-

A114F

对于这类参数袁例如院芯片面积尧芯片粘接空洞尧键合

物料结

丝直径和封装的外引脚最小间距等袁无特别具体要求曰

构性参但一般认为袁芯片面积越大尧芯片粘接空洞率越低越

利于散热袁键合丝直径越大越利于传导电流袁因此可数

以建立相应的评价规则

价结论中应指出警告点遥对于在评价考核点发现

的容易导致制程可靠性问题袁但通过一定的过程

控制可以解决的缺陷袁应提出制程警告供工艺人

员参考遥对于在评价考核点发现的可能导致可靠

性问题的缺陷袁若基于现有的信息尚不能做出结

论性判断袁则需要进一步地搜集信息并跟踪制程

66

原始

523

分Q

0

标准

分Q

s

86

从表4中可以得到通过可靠性试验对不同型

号IGBT物料的评价分数袁具体到每一项考核点的

评分袁该结果清晰有力遥

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

第2期

杜进桥等院基于可靠性试验的电子元器件物料评价方法要要要以IGBT为例

4结束语

参考文献院

[1]李雪袁张天琪袁唐思宇袁等.电子元器件可靠性评价与

质量控制策略研究[J].价值工程袁2019袁38渊21冤院

257-260.

[2]李培蕾袁朱恒静袁王智彬袁等.宇航用球栅阵列器件装

联可靠性评价方法初探[J].航天器环境工程袁

2019袁36渊3冤院284-289.

2016袁36渊5冤院59-64.

[3]翟国富袁叶雪荣袁杨文英.一致性稳健设计是缩短与国

外电子元器件质量差距的重要途径[J].机电元件袁

[4]樊融融.现代电子装联工艺规范及标准体系[M].北京院

[5]钱俊锋袁章云峰袁郑荣良袁等.基于热分析的电子元器

163.

电子工业出版社袁2015.

产品的集成化和小型化对电子元器件物料的

高质量与高可靠性提出了更深一步的要求遥电子

元器件物料评价水平的高低进一步地影响着整机

的性能和可靠性的优劣遥因此袁更加全面与深入

的可靠性评价方法成为了整机选型强有力的支撑

工具遥基于可靠性试验的电子元器件物料评价方

法袁从元器件组装与使用等方面出发袁更加全面

地对电子元器件进行物料评价袁可为整机可靠性

的提升奠定坚实的基础袁同时能够反馈到电子元

器件生产厂商袁形成可靠性提升反馈闭环袁最终

达到可靠性全面提升的效果遥

件可靠性探讨[J].微计算机信息袁2005渊32冤院161-

[6]打越袁政弘.Thestudyofdurabilityofelectroniccompo鄄

nents[D].熊本院熊本县立大学袁2013.

石墨烯-钙钛矿新型X射线探测器问世

据报道袁瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员

通过使用3D气溶胶喷射打印袁开发了一种生产高

效X射线探测器的新方法遥这种新型探测器可以

很容易地集成到标准微电子设备中袁从而大大地

提高了医疗成像设备的性能遥研究成果发表在美

国化学学会科学月刊叶ACSNano曳上遥

这种新型探测器是由洛桑联邦理工学院基础

科学学院福罗带领的研究小组研发的袁其由石墨

烯和钙钛矿组成遥利用瑞士电子学与微电子科技

中心的气溶胶喷射打印设备袁研究人员在石墨烯

基底上3D打印钙钛矿层遥其想法是袁在设备中袁

钙钛矿充当光子探测器和电子放电器袁而石墨烯

则放大输出的电信号遥

此外袁报道称袁研究人员使用了甲基碘化铅

钙钛矿袁由于其引人入胜的光电性能和低廉的制

造成本袁最近这种钙钛矿备受关注遥

该研究小组的化学家恩德雷窑霍瓦特说院野这

种钙钛矿含有重原子袁这为光子提供了高散射截

面袁因此使其成为X射线探测的完美候选材料遥冶

结果表明袁这种方法生产的X射线探测器具

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

要比同类最佳医学成像设有破纪录的高灵敏度要要

备提高了4倍遥

野通过使用带有石墨烯的光伏钙钛矿袁对X

野这意味着袁如射线的响应大大增加遥冶福罗说袁

果我们在X射线成像中使用这两者的组合材料袁

成像所需的X射线剂量可以减少1000多倍袁从

而降低这种高能电离辐射对人体健康的危害遥冶

福罗说袁钙钛矿-石墨烯探测器的另一个优点

是它不需要精密的光电倍增管或复杂的电子设备袁

因此它让医学成像变得很简单遥

报道称袁该项研究中使用的气溶胶喷射打印技

术是一种相当新颖的技术袁可用于制造3D打印的

电子元件袁如电阻尧电容尧天线尧传感器和薄膜

晶体管袁甚至还可在特定基材上打印电子产品袁

如手机外壳遥

除了X光照片外袁X射线医疗用途还包括透

视尧癌症放射治疗和电子计算机断层扫描遥而这

种新型探测器易于合成袁应用领域更加前沿袁可

广泛地应用于太阳能电池尧LED灯尧激光器和光

电探测器等遥渊摘自光明网冤

67