电子元器件可靠性设计技术(孙青教授)

电子元器件可靠性设计技术信息产业部电子第五研究所赛宝培训中心孙青电子元器件的可靠性技术第一章概述第二章可靠性设计技术第三章可靠性评价技术第四章可靠性控制技术第五章可靠性物理与失效分析技术第六章可靠性管理技术第一章、概述1、质量与可靠性的关系2、提高电子元器件可靠性的重要意义3、可靠性技术的基本内容4、保证科学与工程的兴起1、质量与可靠性的关系（1）质量：反映实体满足明确和隐含需要的能力的特性总和。（2）可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的能力。（3）可靠性与质量并驾齐驱的年代1、质量与可靠性的关系①可靠度R（t）：电子产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。R（t）=P（T≥t）T：产品失效前的工作时间，即产品的寿命；t：规定的时间；P：产品在规定时间t不大于寿命T时完成规定功能的概率。若有N个器件从开始工作到t时刻的失效数为n（t），当N足够大时，器件在t时刻的可靠度近似为R(t)≈N－n(t)N1、质量与可靠性的关系②失效率λ（t）：产品在任意时刻t的失效率，或者说产品工作到t时刻后，在一个单位时间内失效的概率。设N个产品从t=0开始工作，到t时刻有n（t）个产品失效，在工作到t+△t时刻，失效数为n（t+△t）则λ（t）可用下式估计N(t＋△t)－n(t)[N－n(t)]△t△n(t)[N-n(t)]△tλ(t)≈＝失效率是标志产品可靠性最常用数量特征之一。失效率越低，可靠性越高。其单位有三种表示方法：%h-1、%/1000h、非特（Fit）。N(t＋△t)－n(t)[N－n(t)]△t△n(t)[N-n(t)]△t1、质量与可靠性的关系随着时间的增长，器件的可靠度会越来越低。（如下图）0≤R(t)≤11、质量与可靠性的关系典型的失效率曲线如下:Ⅰ区：早期失效期Ⅱ区：偶然失效期Ⅲ区：耗损失效期1、质量与可靠性的关系国际上做过如下统计：γ（成品率用不合格品率PPM）与λ（Fit）有如下关系：γλPPMFit15103050701001052502505004501000850电子产品对失效率的要求电视机λ500-1000Fit工业通讯设备λ100-500Fit地下通讯设备λ20-200Fit短、中、长期卫星λ100,10,1Fit超大规模集成电路λ10Fit第一章、概述1、质量与可靠性的关系2、提高电子元器件可靠性的重要意义3、可靠性技术的基本内容4、保证科学与工程的兴起2、提高电子元器件可靠性的重要意义⑴电子元器件直接影响电子装备的可靠性⑵电子元器件在不同失效阶段的经济损失2、提高电子元器件可靠性的重要意义⑴电子元器件直接影响电子装备的可靠性一切电子装备均由各种电子元器件组成。装备的可靠性必然取决于电子元器件的可靠性。结论：可靠性模型是串联模型。可靠性适用于木桶理论。2、提高电子元器件可靠性的重要意义⑵电子元器件在不同失效阶段的经济损失不同用途的电子设备在不同阶段更换元器件的费用如下表所示：第一章、概述1、质量与可靠性的关系2、提高电子元器件可靠性的重要意义3、可靠性技术的基本内容4、保证科学与工程的兴起3、可靠性技术的基本内容⑴可靠性物理⑵可靠性设计技术⑶可靠性评价与控制设计⑷可靠性计算机仿真模拟技术⑸失效分析技术与精确的分析设备技术第一章、概述1、质量与可靠性的关系2、提高电子元器件可靠性的重要意义3、可靠性技术的基本内容4、保证科学与工程的兴起4、保证科学与工程的兴起保证科学与工程：AssuranceSciences&Engineering是研究产品质量、可靠性、安全性、可维护性、经济性等新兴的综合性科学。通过对产品进行全系统、全过程、全因素、全信息的管理与控制以保证产品达到预期可靠性目标的一项系统工程。4、保证科学与工程的兴起结论1、保证工程是全寿命周期的保证工程2、保证高可靠产品一定建筑在高成品率基础上3、保证高可靠产品一定是设计进去制造出来的4、建立一整套可靠性标准为产品的可靠性管理提供具有法规性的有效文件4、保证科学与工程的兴起结论1、保证工程是全寿命周期的保证工程2、保证高可靠产品一定建筑在高成品率基础上3、保证高可靠产品一定是设计进去制造出来的4、建立一整套可靠性标准为产品的可靠性管理提供具有法规性的有效文件第二章、可靠性设计技术1、可靠性设计遵循的基本原则2、可靠性设计的基本依据3、可靠性设计的基本程序4、靠性设计的主要指标5、可靠性设计的基本内容6、耐电应力设计技术7、耐热应力设计8、耐机械应力设计9、耐辐射应力设计10、耐化学应力与生物应力设计11、稳定性设计技术1、可靠性设计遵循的基本原则（1）充分了解产品在全寿命周期内存在的主要失效模式和机理（2）必须将产品的可靠性要求转化成明确的、定量化的可靠性设计指标。（3）必须将可靠性设计贯穿与产品设计的各个方面和全过程。（4）从国情出发尽可能地采用当今国内外成熟的新技术、新结构、新工艺。（5）设计所选用的线路、版图、封装结构，应在满足预定可靠性指标的情况下尽量简化，避免复杂结构带来的可靠性问题。第二章、可靠性设计技术1、可靠性设计遵循的基本原则2、可靠性设计的基本依据3、可靠性设计的基本程序4、靠性设计的主要指标5、可靠性设计的基本内容6、耐电应力设计技术7、耐热应力设计8、耐机械应力设计9、耐辐射应力设计10、耐化学应力与生物应力设计11、稳定性设计技术2、可靠性设计的基本依据⑴合同书、研制任务书或技术协议书。⑵产品考核所遵从的技术标准。⑶产品在全寿命周期内将遇到的应力条件（环境应力和工作应力）。⑷产品的失效模式分布，其中主要的和关键的失效模式及机理分析。⑸定量化的可靠性设计指标。⑹生产（研制）线的生产条件、工艺能力、质量保证能力。第二章、可靠性设计技术1、可靠性设计遵循的基本原则2、可靠性设计的基本依据3、可靠性设计的基本程序4、靠性设计的主要指标5、可靠性设计的基本内容6、耐电应力设计技术7、耐热应力设计8、耐机械应力设计9、耐辐射应力设计10、耐化学应力与生物应力设计11、稳定性设计技术3、可靠性设计的基本程序⑴分析、确定可靠性设计指标，并对该指标的必要性和科学性等进行论证。⑵制定可靠性设计方案设计方案应包括对国内外同类产品（相似产品）的可靠性分析、可靠性目标与要求、基础材料选择、关键部件与关键技术分析、应控制的主要失效模式以及应采取的可靠性设计措施、可靠性设计结果的预计和可靠性评价试验设计等。⑶可靠性设计方案论证（可与产品总体方案论证同时进行）。⑷设计方案的实施与评估，主要包括线路、版图、工艺、封装结构、评价电路等的可靠性设计，以及对设计结果的评估。⑸样品试制及可靠性评价试验。⑹样品制造阶段的可靠性设计评审。⑺通过试验与失效分析来改进设计，并进行“设计—试验—分析—改进“循环，实现产品的可靠性增长，直到达到预期的可靠性指标。⑻最终可靠性设计评审。⑼设计定型设计定型时，不仅产品性能指标应满足合同要求，可靠性指标是否满足合同要求也应作为设计定型的必要条件。第二章、可靠性设计技术1、可靠性设计遵循的基本原则2、可靠性设计的基本依据3、可靠性设计的基本程序4、靠性设计的主要指标5、可靠性设计的基本内容6、耐电应力设计技术7、耐热应力设计8、耐机械应力设计9、耐辐射应力设计10、耐化学应力与生物应力设计11、稳定性设计技术4、靠性设计的主要指标⑴稳定性设计指标如某CMOS集成电路的两项主要性能参数功耗电流IOD和输出电流IOL、IOH的变化量规定值为：在125℃环境下工作24小时，△IOD小于500mA；在125℃环境下工作24小时，IOL、IOH变化范围为±20%。⑵极限性设计指标半导体集成电路能承受各种工作应力、环境应力的极限能力是保证半导体集成电路可靠性的主要条件。⑶可靠性定量指标表征产品的可靠性有产品寿命、失效率或质量等级。⑷应控制的主要失效模式一般半导体集成电路产品应控制的主要失效模式有：短路、开路、参数漂移、漏气等，其主要失效机理为：电迁移、金属腐蚀、静电放电、过点损伤、热载流子效应、闩锁效应、介质击穿、α辐射软误差效应、管壳及引出端锈蚀等。第二章、可靠性设计技术1、可靠性设计遵循的基本原则2、可靠性设计的基本依据3、可靠性设计的基本程序4、靠性设计的主要指标5、可靠性设计的基本内容6、耐电应力设计技术7、耐热应力设计8、耐机械应力设计9、耐辐射应力设计10、耐化学应力与生物应力设计11、稳定性设计技术5、可靠性设计的基本内容(1)线路可靠性设计(2)版图可靠性设计(3)工艺可靠性设计(4)封装结构可靠性设计(5)可靠性评价电路设计5、可靠性设计的基本内容(1)线路可靠性设计线路可靠性设计的一般原则是：①线路设计应在满足性能要求的前提下尽量简化；②尽量运用标准元器件，选用元器件的种类尽可能减少，使用的元器件应留有一定的余量避免满负荷工作；③在同样的参数指标下，尽量降低电流密度和功耗，减少电热效应的影响；④对于可能出现的瞬态过电应力，应采取必要的保护措施。如在有关端口采用箝位二极管，进行瞬态电压保护；采用串联限流电阻，以限制瞬态脉冲过电流值。5、可靠性设计的基本内容(2)版图可靠性设计版图可靠性设计是按照设计好的版图结构，由平面图转化成全部芯片工艺完成后的三维图象，根据工艺流程按照不同结构的晶体管（双极型或MOS型等）可能出现的主要失效模式来审查版图结构的合理性。5、可靠性设计的基本内容(3)工艺可靠性设计在工艺生产过程中的可靠性设计主要应考虑：①原工艺设计对工艺误差、工艺控制能力是否给予足够的考虑（裕度设计），有无监测、监控措施（利用PCM测试图形）；②各类原材料纯度的保证程度；③工艺环境洁净度的保证程度；④特定的可靠性保证工艺，如钝化工艺、钝化层的保证，从材料、工艺到介质膜层的质量（结构致密度、表面介面性质、与衬底的介面应力等）的保证程度。5、可靠性设计的基本内容(4)封装结构可靠性设计封装结构可靠性设计应着重考虑：①键合的可靠性，包括键合连线、键合焊点的牢固程度，特别是经过高温老化后性能变脆对键合拉力的影响；②芯片在管壳底座上的粘和强度，特别是工作温度升高后，对芯片的剪切力有无影响。此外，还应注意黏合剂的润湿性，以控制粘合后的孔隙率；③管壳密封后气密性的保证；④封装气体质量与管壳内水汽含量，有无有害气体存在腔内；⑤功率半导体集成电路管壳的散热情况；⑥管壳外管脚的锈蚀及易焊性问题。5、可靠性设计的基本内容(5)可靠性评价电路设计一般有以下三种评价电路：①工艺评价用电路设计主要针对工艺过程中误差范围的测定，一般采用方块电阻、接触电阻构成的微电子测试结构来测定线宽、膜厚、工艺误差等。②可靠性参数提取用评估电路设计针对双极型和CMOS电路的主要失效模式与机理，借助一些单管、电阻、电容，尽可能全面地研究出一些能评价其主要失效机理的评估电路。③宏单元评估电路设计针对双极型和CMOS电路的主要失效模式与机理的特点，设计一些能代表复杂电路中基本宏单元和关键单元电路的微电子测试结构，以便通过工艺流程研究其失效的规律性。第二章、可靠性设计技术1、可靠性设计遵循的基本原则2、可靠性设计的基本依据3、可靠性设计的基本程序4、靠性设计的主要指标5、可靠性设计的基本内容6、耐电应力设计技术7、耐热应力设计8、耐机械应力设计9、耐辐射应力设计10、耐化学应力与生物应力设计11、稳定性设计技术6、耐电应力设计技术⑴抗电迁移设计⑵抗闩锁效应设计⑶防静电放电设计⑷防热载流子效应设计6、耐电应力设计技术图2.1MOS器件场效应管静电保护电路6、耐电应力设计技术6、耐电应力设计技术6、耐电应力设计技术6、耐电应力设计技术6、耐电应力设计技术第二章、可靠性设计技术1、可靠性设计遵循的基本原则2、可靠性设计的基本依据3、可靠性设计的基本程序4、靠性设计的主要指标5、可靠性设计的基本内容6、耐电应力设计技术7、耐热应力设计8、耐机械应力设计9、耐辐射应力设计10、耐化学应力与生物应力设计11、稳定性设计技术7、耐热应力设计⑴热应力引起的失效可以分为两种情况：①由于高温而引起的失效。②温度剧烈变化引起的失效。⑵耐热应力设计的方