整机元器件的可靠性控制

2、元器件的失效率等级
元器件的可靠性，常用失效比例来测定，比较容易理解的是平均失效率。
平均失效率=失效产品的百分比/工作时间。
如果失效产品为1%，工作了1000 个小时，它的失效率就是1×10-5/元件小时。
元器件的失效率等级中规定的失效率是在未计算元器件的环境应力、性能和结构、质量系数等因数
的影响，只包括在电应力和温度应力作用下的失效率，称基本失效率， 用入b 表示，仅计算温度和电应
力的比（即工作应力/额定电应力）影响的失效率。我国参照国际标准，并根据我国实际情况规定了以下
失效率等级。
实效率等机 代表符号 失效率
亚五级 Y 3×10-5
五级 W 1×10-5
六级 L 1×10-6
七级 Q 1×10-7
八级 B 1×10-8
九级 J 1×10-9
十级 S 1×10-10

3、“七专”元器件
在国产元器件质量等级表中“补充说明”一栏有QZJ8406 和 7905 “七专”技术条件，“七专”元
器件是在70 年代特定的历史条件下,为了满足我国航天事业对元器件可靠性要求，针对我国当时元器件
技术落后，质量管理混乱而采取的一项质量控制措施，所谓“七专”是指凡是“七专”元器件都必须专
技（专门制定技术条件）；专料（经过认定合格的材料）；专线（专门设立高可靠元器件生产线）；专人（从
生产线挑选技术最好的生产人员组成）；专检（用最先进的检测方法专人进行检验）；专卡（要求每个元
器件有跟踪卡片，每道工序都要在卡片上填写操作者姓名）；专筛（针对每种元器件的失效机理制定筛选
条件进行筛选）。通过“七专”质量控制，元器件的可靠性水平提高了1—2 个数量级，基本上满足了当
时航天事业的需要。“七专”元器件是在“四人帮”特定的历史条件下采取的质量控制措施，它自始自终
贯切了以责任制为核心，对提高元器件的可靠性起到了重要作用。“七专”元器件的出现，对提高我国电
子产品可靠性起到了重要的历史作用。
“七专”元器件适用于列入<<七专电子元件器目录>>的产品,供武器系统、军事电子装备和国防工程
使用。“七专”技术条件是现行有关标准的补充，若与现行有关标准的内容有矛盾，应以“七专”技术条
件为准。“七专”产品必须严格按“七专”电子元件器可靠性工作管理办法进行管理。“七专”产品的失
效率应按技术条件要求达到的可靠性等级。产品包装和产品上应有“七专”标志（G），非“七专”产品
不得使用。
“七专”产品的每种元器件都制定了相应的“七专”技术条件，对产品的筛选、技术要求及检验规则
进行了规定。

4、微电子器件的二次筛选
半导体器件的二次筛选，是在元器件制造厂商进行工艺筛选的基础上，整机研制和生产单位，为了
满足整机系统对元器件的可靠性要求，按规定的筛选条件或标准，由整机单位或要求元器件厂进行的筛
选一般称“二次筛选”或可靠性筛选。
半导体器件的二次筛选是为了淘汰由于制造缺陷造成的早期失效产品，提高器件整批可靠性的有利
措施，所以被整机单位广为采用。但是，它不能提高每只器件的故有可靠性。高可靠的器件是靠器件厂
商设计制造出来的，不是靠筛选出来的。可靠性差的器件，无论采取什么样的筛选，都不可能筛选出高
可靠的器件。
半导体器件的筛选条件或标准，原则上讲应该根据现场使用统计，对失效器件进行失效分析，搞清
失效样品的失效模式和失效机理，针对器件内部存在的缺陷，采取不同的应力，使其提前暴露，而对良
品则不应当受到损伤。元器件的筛选条件或标准，应经过大量的试验验证，经过充分论证来确定。
美军标MIL-STD-883《微电子器件试验方法》、MIL-S-19500《半导体器件总规范》、国军标GJB5484-96
《微电子器件试验方法和程序》、GJB33A-97《半导体分立器件总规范》都对筛选条件做了严格的规定。
元器件筛选试验是一个耗时、费力而且在短期内又不容易见到直接效益的行业，所以不容易得到许多领
导的重视，因而许多单位不愿投入大量资金购置试验设备、仪器，造成试验条件简陋不能严格按有关标
准进行筛选。有些单位为了在现有条件下，达到较好的筛选效果，在制定筛选规范时，采用超应力筛选
以弥补有些试验项目的不足，其结果事与愿违，不但达不到筛选的目的，反而可能使器件受到损伤，影
响可靠性。
下面就有关筛选试验方面的有关问题进行研讨：
（1）半导体器件的电功率老化筛选
半导体器件的电功率老化，由于比较接近器件的实际工作状态，在老化过程中有电应力、热应力及
电磁应力的综合作用，所以被认为是一种最有效的筛选方法。但是，要取得最佳筛选效果，国外把168
小时作为电功率老化时间的最低要求。也就是说，要想通过此项试验使大部分早期失效器件得到淘汰，
达到浴盒曲线的拐弯处，最少要老化168 小时。这么长的老化时间，一般单位很难做到。有些单位为了
缩短老化时间又能达到较好的筛选效果，而采用超功率老化，有的甚至把半导体器件的老化功率加大到
1.5 倍以上，其结果可能使被老化器件引入新的失效机理。因为器件的额定值是由器件制造厂商在产品手
册上给定的极限值，它取决于器件自身材料、结构和工艺的极限性质，也就是说器件只能在额定值以下
正常工作，才能保证其固有可靠性不受影响，是绝对不能超越的界限，一旦超过轻者使器件受到损伤，
重则造成器件永久失效，所以不能采用超功率老化的方法提高筛选效果。
（2）高温存贮试验筛选
高温存贮也有的叫稳定性烘焙。是一种加速性质的存贮寿命试验。它的作用主要是利用热应力的作
用，加速器件内部化学反映，使器件内部的水蒸气或其它离子引起腐蚀作用。如表面漏电、表面沾污、
金——铝之间氧化物的生成等缺陷，通过高温存贮使器件内部在的污染，引线焊接不良、氧化层缺陷的
器件能提前暴露。此项筛选过去一致认为方法简单易做被元器件制造厂和整机厂广为采用，尤其在我国
八十年代以前，由于我国半导体器件制造技术落后，环境条件差，器件内部污染严重，当时把我国半导
器件质量问题归为脏（内部污染严重）、漏（密封性差）、断（引线容易断）。采用高温存贮筛选对淘汰以
上缺陷有一定筛选效果。从1968 年美军标MIL-STD-883 开始有此项筛选试验至今已有三十多年，再加之
所需设备简单（许多单位购置的是一般医用烘箱，按要求应使用温度梯度有一定要求的高温试验箱）有
许多单位由于没有其它筛选设备或由于电老化时间短，把高温存贮筛选条件定得过高，主观上想通过高
温存贮应力来弥补其它项目的应力不足。现在我们分析一下提高此项应力对器件可靠性的影响。众所周
知，高温可加速器件引线镀层的氧化，造成易焊性差，对内引线造成抗拉强度下降。以30 微米直径的硅
铝丝做内引线为例，未做高温存贮试验前抗拉强度为5-6 克，经高温筛选试验后下降至2-3 克。美军标
MIL-STD-883 的试验条件以最严酷而著称，但在高温存贮试验则筛选应力逐步降低，高温存贮筛选对器件
可靠性造成的负面影响，逐步被人们认识，如果再用加大高温存贮应力的办法筛选，对器件的可靠性只
能有害而无利。随着微电子制造技术的提高，器件内部污染及表面氧化技术等工艺问题的解决，二次筛
选项目的高温存贮筛选试验，对淘汰早期失效产品基本上没有什么作用，所以美军MIL-STD-883D 删去了
此项筛选，我国国军标GJB548A-96 虽然仍保留了此项目，但温度应力已降到很低。集成电路为+150℃，
24h；分立器件由100%筛选改为“任选”。（分立器件为国军标GJB33A-97）。从以上分析可以看出，已沿
用了三十多年的高温存贮筛选最近几年有了改变，看来我们的二次筛选也要随着科技进步，不断总结经
验，为求达到科学合理。
高温存贮筛选，美军标已取消了，国军标也在等待各厂家研究之后修改，目前有些单位已取消，有
些厂家还在继续做，还没有取得一致意见，请大家研讨，本人观点建议取消，不妥之处请指正。
（3）温度循环筛选
温度循环也叫温度冲击，即在器件允许的高低极限温度条件下，经过多次高低温循环试验，来淘汰
由于器件内部材料热膨胀系数不匹配造成的早期失效产品。是目前广为采用并认为是一种最有效的筛选
方法。下面我们分析一下此项目对器件可靠性所产生的影响。
微电子器件是由各种不同材料构成，如硅芯片、氧化硅绝缘膜、铝互连线、金属引线及封装等材料。由于这些材料的热膨胀系数各不相同，一旦受到巨烈的温度变化，就会在不同材料的交界面产生压缩或
拉伸应力，造成器件芯片与管脚之间的键合失效，管壳的密封性受到破坏，某些材料的热疲劳劣化等。
为了使器件能适应现场使用中温度巨裂变化的能力，只能通过设计及工艺加以防范，来减少由于材料热
膨胀系数不同对器件可靠性的影响。为了考核器件的耐环境能力，国军标规定了包括温度循环试验和热
冲击试验的有关标准。
微电子器件耐温度巨裂变化的能力，在工艺较稳定的情况下，主要取决设计。只有设计水平比较高
的企业，才有可能制造出高可靠的器件。温度循环筛选试验，虽然可以通过高低温度应力的巨裂变化，
使有缺陷的器件提前暴露，但是由于筛选是对器件100%的试验，对于其它被试验的器件，也会受由于各
种材料热膨胀系数不同，不同材料界面产生压缩或拉伸应力的负面影响，造成器件故有可靠性下降。如
何使我们进行的筛选试验，真正实现有缺陷的器件提前暴露，使良品则不受到任何损伤。建议有条件的
制造厂商及科研院所进行研究。
（4）快速筛选
根据现场使用统计及筛选试验证明，在对大量的失效器件进行失效分析中发现，由于温度过热引起
的失效占有较大比例。引起器件过热的原因，主要是管芯与外壳焊接不良，存在着空洞使热阻增大造成
的，尤其是大功率更为严重。快速筛选就是在极短的时间（即在几秒钟内），对器件施加超稳态功率，使
器件达到或接近器件的最高结温Tjm，利用测试器件加功率前与加功率后的热敏参数VBE、ICBO、HFE 变化量，
把热阻大的器件剔除来达到筛选效果。
由于快速筛选省时、省力又比较经济，所以深受整机单位的欢迎，从快速筛选仪一出世许多单位就
开展了此项筛选。但是，快速筛选技术只限于对由于热阻大而引起的早期失效产品有一定的筛选作用，
并不像有些仪器厂讲的“快速筛选可以代替常规老化筛选”。目前快速筛选只能对一部分分立半导体器件
及三端稳压器进行快速筛选，对用量较大的微电子器件还没有相应仪器。筛选效果比较好的主要是大功
率管。
在筛选中存在的另一个值得引起注意的问题，有些单位没有相应的检测手段，虽然通过各项应力筛
选试验，使有缺陷的器件提前暴露，但是，如果没有相应的检测手段，不能从中鉴别出来，同样达不到
剔除早期失效器件的目的。因为器件失效一般分为两种失效形式，一种是致命失效，即失去应有的功能；
二是电参数离散失效，虽然有功能但电参数老化后不合格或超过一定范围。一般情况，大部分早期失效
器件反映是电参数离散失效。器件的电参数离散失效反映器件在制造过程中存在着某种工艺缺陷，如果
在筛选中不能把这种存在工艺缺陷的器件淘汰掉，将大大影响筛选效果。
测试实际上也是一种筛选，通过测试可以淘汰电参数不合格的器件保证器件的电性能质量。这里所
指的测试是指对器件的电参数测试而不能理解成对器件功能的测试。例如，有些元器件供货商就是利用
许多单位没有集成电路的参数测试仪，把国外大批只有功能而电参数不合格的集成电路向我国倾销。器
件的电参数不仅对电性能有很大关系，而且有些电参数如器件的功耗、漏电流等对可靠性影响很大，所
以筛选不仅具备各种先进的筛选试验设备，而且还要具备相应的先进测试仪器。

三、元器件的选择规则
元器件是构成整机系统最基本的单元，要保证整机系统的可靠性，首先必须合理的选用元器件。
选择电子元器件一般按如下原则：
1、尽量选用列入合格产品清单（QPL）的元器件。
目前美国以形成一整套QPL（Qualified produces list 军用电子元器件合格产品清单），被列入
QPL 清单的元器件必须满足以下条件：
a.生产厂家和生产线经过了国家认证合格；b、生产过程得到了严格的控制,产品通过了性能检验、
可靠性试验和质量一致性检验；c、按要求的筛选条件进行了100%的筛选；d、生产和检验完全按照军用
标准规范进行。因此它的质量和可靠性得到了有效的保证。
我国的QPL 清单也有国防科工委军用元器件管理中心，有计划的进行制定，首批QPL 清单已公布。

2、尽量选用优选元器件清单的产品（PPL）
国外几乎所有的研究工程机构都要制定符合自己的元器件优选清单（Preferred parts list 简称
PPL），我国大多数单位从八十年代开始，成立了元器件认定机构，编写了适合本单位的元器件优选手册，
根据许多单位的经验，抓“三定”（即定元器件的型号规格，定元器件合格供货商，定筛选条件），对有
效控制元器件质量，提高整机系统可靠性起到了非常重要的作用。
3、正确选择元器件的质量等级
元器件的质量等级对可靠性影响相当大，例如以国产集成电路为例，选择A3 类C2 类质量等级的器
件，失效率相差56 倍，但A3 类比C2 类器件的价格也高许多倍，所以选择元器件的质量等级要根据整机
系统重要程度、使用条件、可靠性要求合理选用。
4、尽量选用标准和通用元器件，慎重选用新品种和非标准元器件
新品种元器件一般具有优越的性能和独特的功能，所以引起设计人员的强烈兴趣，对提高整机系统
的性能可起到至关重要的作用，但是，由于新型元器件没有经过现场使用的检验，稳定性和可靠性一般
达不到成熟品种的可靠性水平，因此在使用前，要严格的试验和认真的评审。
5、在提供元器件清单时，必须弄清楚元器件标志的含义，防止采购回来的元器件不符合整机系统的可靠
性要求（见附录1）。
每种元器件的命名方法其字母含义各不相同，尤其国外微电子器件，同一个国家不同的制造商命名
方法及标志各不相同，元器件标志上的字母不仅反映出型号，规格，制造商，且还反映出使用环境条件，
质量等级，封装形式等，如果在提元器件清单时 ，没能按字母含义写完整，采购回来的元器件不能满足
整机系统的质量要求。
有些元器件供应商就是利用采购人员搞不清元器件标志上的字母含义，以民品充军品高价销售。 军
品与民品元器件的区别，不仅是环境温度，最主要的区别是在军用环境条件下的可靠性，有些人把仅符
合军温条件下的54 系列的集成电路当成军品器件是错误的，真正的军品器件应该是严格按军标要求生产
并经国家军标委认可，上了军用QPL 清单的产品；国外军用器件应该是“B-1”级以上质量等级的器件，
国内有些单位把军用器件扩大到“B-2”级。购买国外高可靠的军用器件，不仅价格高，而且还可能受到
限制，目前我国军用电子装备所采用的元器件，要求比较高的一般选用美国集成电路质量等级中的“B-1”
级，也就是我们通常讲的“883”级器件。该器件是按标准军用图纸或美国国防电子供应中心的图纸提供，
通常器件外壳上标有“883”。“883B”或“883S”标志，有的标有“DESC”图纸号。“B—2”级不属于“883”
级器件，所以不能打“883”标志。
为了帮助大家从器件外壳标志上识别“883”级器件下面举几个例子供参考。
(1).美国马克斯公司（MAXIM）的看门狗电路，MAX691MJE 数字后面的字母M，表示军温条件即-550C+1250C。
如果其后标注 “883B”才可以证明是“883”器件（B—1 级质量等级器件）。
(2).美国莫托罗拉公司(MOTOROLA)的54F33/BRAJC，斜杠后面的B 表示该器件为“883B”产品。
(3).美国哈里斯公司（HARRJS）的HCT 电路，CD54HCT347F3A，其中F3A 表示“883B”级器件。
由于美国各公司微电路产品命名方法、质量等级标注各不相同，所以在选择器件时一定要搞清各公
司标注上的字母含义，以防搞错（本书附录2 收集了国外主要生产厂商的命名方法）。
6、封装形式的选择
微电子器件的封装最基本的有三种类型，即PO 型（金属圆壳）封装、扁平封装、双列直插式(DIP)
封装。从密封方面又分气密封和非密封器件；塑封器件成本低，耐湿性差，其可靠性比气封器件低一个
数量级以上，属于非密封器件，一般适用于环境条件较好，可靠性要求不太高的民用电子产品。军用电
子装备或要求可靠性比较高，环境条件比较严酷的大系统电子设备一般应选用气密封的金属、陶瓷、玻
璃封装的器件。从可靠性角度上考虑选用金属圆壳封装器件，其密封性和散热性均好，但因受引脚较少
的限制有许多品种不可能做成金属圆壳器件。从电磁兼容方面考虑应选用金属外壳和金属化的陶瓷封装
器件，便于外壳接地，有利于屏蔽电磁干扰。
7、航天、航空及高可靠电子系统的选择
对于航天、航空及高可靠的军用电子装备，除按以上要求外，不允许选用锗材料半导体器件。一方
面锗器件温度范围窄，二是稳定性差：不允许选用点接触二极管，因点接触二极管在强烈的震动冲击下
易损坏。除以上要求外，对于 引线的涂覆形式，抗辐射等方面应加以考虑。

四、研制整机系统的元器件质量控制
1、制定元器件可靠性保证大纲
根据国军标GJB-450《装备研制与生产的可靠性通用大纲》有关可靠性设计与评价的九个项目中，
元器件保证大纲是保证军用电子装备可靠性及其重要的组成部分。制定元器件保证大纲的目的就是为了
有效的控制元器件的选择和使用，从而达到满足整机对元器件的可靠性要求。元器件保证大纲要对元器
件的选择，使用与控制做出详细的规定，以便使各类人员有章可循。元器件保证大纲编制与实施的好坏，
直接反映出一个单位可靠性工作深入程度。要求编制的元器件保证大纲具有可达性。可操作性，可检查
性。可达性就是按编制的元器件保证大纲实施后，能使所选用的每种元器件满足整机系统的可靠性要求，
使每个元器件在整个寿命周期内处于受控状态；可操作性就是要求大纲的所有规定详细具体；可检查性
就是定期检查大纲的执行情况，对检查项进行量化，对于没达到大纲要求的要采取补救措施。元器件保
证大纲一般应具备以下几个方面的内容：
（1） 根据整机系统的使用要求，指定出所用元器件的环境条件要求。环境条件应包括温度，湿度，
大气压力，振动，冲击等项要求。
（2） 要规定各种元器件的质量等级要求。
（3） 对关键件、重要件要由总师组织有关人员进行充分论证，必要时要进行FMEA 故障模式及影响分
析或FTA 失效树分析。
（4） 对新型元器件要经过认真分析并经环境实验最后经评审确定。
（5） 要根据整机可靠性预计要求，制定出各种元器件的详细降额要求。
（6） 要指定出需要进行二次筛选元器件的筛选条件。
（7） 要建立元器件信息反馈系统，要对元器件进行失效分析，要对失效元器件采取防范措施。
（8） 要建立元器件质量控制领导小组。控制领导小组的任务就是使元器件保证大纲各项要求得到落
实，其中包括组织，协调，检查，使所有上机元器件得到有效控制，是实施元器件保证大纲的
组织保证。一般有总设计师，电路设计师，元器件可靠性工程师，标准化及物资部门组成。
由于有些单位领导及总设计师存在着重电性能指标（因可以通过仪器测试出来）轻可靠性的思想（因
可靠性是随机的 ，是无法用仪器测试出来的），所以在编制及可靠性管理工作中，存在着走过场现象，
把编制可靠性保证大纲当成应付用户或上级检查的手段，或不按具体课题编，把大纲编成每个课题都“适
用”的“通用”大纲，这就失去了编制大纲的意义，达不到有效控制元器件可靠性的目的。
整机研制阶段的元器件质量控制，对整机可靠性设计起着重要的保证作用。因为设计决定可靠性，
制造保证可靠性，使用维持可靠性。虽然GJB-450《装备研制与生产可靠性通用大纲》对研制与生产做了
要求，但对整机研制过程中的元器件控制不具体，目前还没看到这方面的成熟经验，本文根据我们在研
制工作中的一点体会，谈一下对这个问题的肤浅看法，起到抛砖引玉的目的。
2、研制过程中元器件的质量控制
研制整机元器件的控制一般可按三个阶段进行控制:
（1）整机系统设计方案开始提元器件清单时开始控制，控制的重点是关键元器件和新型元器件。
整机系统的研制，首先要根据研制任务书要求制定总体设计方案，总体设计要根据要求的主要电性
能及可靠性指标，设计整体方框图并对各分机及部件的主要技术指标及可靠性指标进行预分配，经可行
性论证后即可开展方案实验验证。为了进行实验需提出所需关键元器件清单，关键元器件涉及总体方案
的主要性能指标，所以它的选择非常重要。新型元器件由于有独特的性能，在整机研制中采用新型元器
件对整机性能起着举足轻重的作用，由于新型元器件还没有经过现场使用的检验，它的稳定性可靠性必
须经过实验后确定。
在这个阶段由于各部份采用何种具体电路尚无确定，所以不可能提出详细的元器件清单，控制的重
点应放到关键元器件和新型元器件上。
（2）电路试验阶段对选用的元器件品种进行控制。
总体方案确定后，各分机，部件及单元电路的各项技术性能指标基本上确定，需要设计电路进行试
验。这个阶段需要提出比较详细的元器件清单，在提元器件清单时要按照前面提到的选用规则进行合理
选用。所谓合理选用就是要根据电路的电性能要求既不能以低代高，也不能以高代低。如有些电路并不
要求高速电路，如果选用高速电路，不仅价格高而且失效率高。不要盲目的选用超高频器件，因器件的
二次击穿电流与fT 平方根成反比，选用的器件fT 越高，越容易发生二次击穿。
在电路实验阶段对元器件的控制重点应放到元器件的品种上，使选用的元器件不仅能满足电路的性
能要求，而且要满足整机系统的环境要求及质量等级要求。
（3）在详细设计阶段对元器件使用应力进行控制。
在详细设计阶段，各单元电路的电性能及可靠性指标基本上确定，所用的元器件型号规格也基本上
可以定下来，在这个阶段对元器件控制的重点，应放到对每个元器件承受的应力，是否满足可靠性预计
的降额要求。
设计决定产品的固有质量，质量控制的重点是设计质量，设计质量控制的重点是可靠性，在可靠性
设计中，元器件的降额设计是保证可靠性的重要环节。根据国内外大量资料统计，大约有50%以上元器件
的失效是由超应力造成的。降额设计就是通过线路设计使整机在各种环境条件下，使元器件有一定的安
全余量。对于不同的元器件及不同的使用条件降额参数也不相同。降额参数通常是那些对元器件可靠性
有显著影响的关键参数。如微电子器件的结温，功耗，输入电压，输出电流等。对于军用电子装备，一
般可按国军标 GJB/Z35-93 给出的降额准则。在降额设计时，还应对每个元器件所处的环境条件进行分析。
例如，额定功率为1 瓦的碳膜电阻按Ⅲ级降额准则进行设计，所承受功率为0.6 瓦。
但该电阻最高环境温度可达+800C，经查该电阻的功率温度曲线 ，在+800C 条件下已能承受的功率只
有0.42W，实际上该电阻是在超应力条件下工作，没有达到降额设计要求。
电容器的额定工作电压是在一定环境温度条件下给定的，当温度超过允许的环境温度时，温度每上
升10 度，电容器的使用寿命要降低一半，以钽电解电容为例，在+250C 时工作电压为43 伏，在+1250C 时
下降到23 伏。钽介电容器规定额定工作电压，当环境温度超过+850C 时，额定工作电压要比标称值降低
一挡电压使用。如额定电压为25 伏电容应降到16 伏使用，这并不等于降额设计，降额设计应在16 伏的
基础上按降额要求才算达到了降额设计要求。
为了便于对元器件的应力进行控制，要求电路设计师在设计报告中，列出每个元器件主要电参数的
降额数值，并在设计评审中对元器件应力进行分析，从评审中可以定量的发现设计中的问题，以便及时
得到更正，达到可靠性设计要求。