电子元器件物料控制技术(赛宝)

中国赛宝实验室可靠性研究分析中心物料(电子元器件)质量控制技术王有亮前言针对电子元器件，特指未上到板上的还处于“物料”阶段的电子元器件，如何做一些有效的工作，降低或避免因元器件的质量问题影响整机的可靠性水平？产品整机可靠性保障：整机研发设计整机验证评价量产电子组装试样生产试验整机老化筛选试验整机外场使用整机维护维修器件定型选型工作纲领试验标准流程要求可靠性保障主要内容电子元器件质量控制及案例假冒翻新器件及其鉴别技术电子元器件物料质量控制及案例电子元器件的可靠性电子元器件是电子设备和系统的重要物质基础，对产品整机的可靠性至关重要。元器件的可靠性：行业惯行的控制方法元器件物料的控制首当其冲是管理控制，即对选型采购活动的控制和对元器件供应商的控制采购环节、采购人员的政策约束供应商能力评价元器件优选目录的建立采购文件资料的审查元器件供应商检验验证文件审查主流物料管控模式的不足这些物料管控工作是当下及今后一种很好的质量管理模式，对来料元器件质量保证起了很好的作用。但是，这种物料控制具有模式天生的缺陷：•未真正触及元器件自身的可靠性特点。•元器件因结构引起的使用可靠性风险无法评估。•元器件工艺质量实情的考察缺失或不全面。历史上，元器件工艺质量评价技术的发展和提升元器件物料控制面临的问题技术上企业遇到的问题：为应该采购哪一家的产品而不知所措！确定了电子物料供应商（制造商），其产品质量可靠性是否真的符合要求，怎样评价？某批电子物料质量波动，用在整机中后果严重，怎样预防？某种关键电子物料必须100％筛选，或加严控制，什么方法有效？库存较久的一批电子物料，还能不能使用？是否经过某些处理可放心使用？希望改变某批电子物料的用途，怎样分析评价？流程管理上企业遇到的问题：采购部门或质量部门不知道哪些评价项目是有效。已经制订内部电子物料检测评价方法，但方法复杂，高成本。由于成本压力，只好买什么用什么。有方法等于无方法。由于没有测试仪器而不进行评价，直接装机使用，结果某批产品在用户使用一段时间后出现大量故障才知道采购到伪劣电子物料。已经执行了内部电子物料检测评价，从来就没有找到不合格批，因电子物料问题而引起的产品质量可靠性还是没有得到有效控制。执行了内部电子物料检测评价，还是偶尔出现某批电子物料导致产品被投诉，甚至成批产品召回，损失惨重。解决方案综合考虑元器件性能功能，整机工艺的适用度，使用中的器件可靠性风险，以及最为关键和重要的、决定元器件固有可靠性的工艺、结构状况，开展全面的元器件物料控制工作。元器件物料控制评价项目元器件物料控制评价项目评估对象电子物料大类具体电子物料种类元件电阻器、电容器、电感器、变压器、开关、连接器、声电器件、晶体谐振器、继电器、传感器器件二极管、三极管、LED、可控硅、场效应管、光耦、IGBT、ICIC存储类IC、电源类IC、处理器类IC、常规功能性IC、微波IC等，以及不同的封装形式模块振荡器、电源模块、整流模块等PCB纸板、纤维板、单面板、多层板等焊接辅助材料焊料、助焊剂、锡膏、锡丝、清洗剂、胶粘剂等适用企业从事PCBA组装或电子整机组装的企业整机产品涉及家电产品、个人消费类电子产品、汽车电子产品、通信产品、工业控制产品等应用场合初次使用该类电子物料质量可靠性评价多家供应商电子物料质量可靠性比对周期性（或不定期）电子物料质量抽查电子物料本身设计或工艺变更时的针对性可靠性评价电子物料在现场使用出现暴发性失效后的针对性可靠性评价基于可靠性分析的评价结构质量分析工艺适应性评价关键参数评价技术原理技术核心在于对电子物料的失效机理的充分理解。关键参数测试：技术特点：参数是元器件性能的最直观表现，从使用角度，参数也是产品对元器件提出的设计要求的量化体现。•测最能体现元器件性能指标的参数（与设计需求相关）•测最能反应出元器件工艺质量好坏的参数（与元器件本征质量相关）•测与元器件寿命可靠性影响度最高的参数（与元器件长期可靠性相关）结构质量评价“金玉其外，败絮其中”。内在的、本质的才是决定其好坏的关键。对于电子元器件来说，这个内在的，便是它的结构设计、材料选用，以及这些设计和要求的生产控制及工艺实现情况。•专项试验考察：外部目检、X射线透视、粒子碰撞噪声检查、声学扫描检查、气密性检查、键合拉力和芯片剪切力检查、内部目检、制样镜检、成分分析。•基于元器件特征的关键可靠性信息的考察。工艺适应性评价技术特点：元器件到整机，必须经历焊接过程，将元器件组装焊接到电子线路板，器件才能真正融入线路，成为支持整机功能实现的一部分。这就要求元器件具备承受组装及焊接过程强应力的素质。•可焊性测试•耐焊接热测试•引出端强度•潮湿敏感度基于可靠性分析的评价技术特点：不同元器件运作原理和结构设计千差万别，使用的材料和工艺制成也存在很大差异，决定了不同的元器件具有不同的可靠性敏感要素。——对不同类器件有不同的测试评价手段——同时，同种器件因为应用需求的差异，其敏感因素的侧重点也有所区别。给企业带来的效益电子物料的质量可靠性控制做到有的放矢、点中要害，保证质量控制工作的有效性大量节省质量成本，大量节省评估时间藉由对电子物料的质量的控制，进而保障整机的质量水平可快速有效地评估新采购电子物料的质量水平可快速判断同功能电子物料多家供应商的选择具备特定情况下对电子物料的针对性评估和筛选的能力对于元器件制造方来说，也有着极为关键的作用和意义。1）监控元器件质量水平，及时的了解当前生产线上产品的工艺水平。2）发现潜在的工艺缺陷和工艺失效常发部位，以便调整工艺参数或改进工艺水平。3）新的元器件结构设计是否符合使用可靠性理论的要求。–案例1：首批物料没有有效评估出现了严重的后果•某磁盘驱动器生产企业，首次采购某公司的霍尔器件，进行了该企业规定的内部检验后合格，投入磁盘驱动器生产。•磁盘驱动器生产次品率控制值为300ppm，该批霍尔器件使用后，磁盘驱动器生产次品率约500ppm。怀疑是该批霍尔器件引起磁盘驱动器次品率的波动。经分析，霍尔器件内部的输出连接采用金薄膜电极图1－1霍尔器件外观图片内部金电极图片霍尔器件外观图片金薄膜电极边缘有残边，残边的附着差，在霍尔器件注塑时，由于注入的液态塑料的冲击，导致残边脱离，落在两电极之间，使电极之间存在潜在漏电、短路通道。而且，金残边是批次性的缺陷。内部金电极残边图片•由于磁盘驱动生产次品率的波动幅度仅几百ppm，但缺陷性质是批次性的，成品磁盘驱动器要进行100％返工，造成了周期和费用的极大后果。•评：对于本次首批霍尔器件的评价，如果采用结构分析，完全可以通过解剖分析，发现霍尔器件内部金电极残边脱离散落在电极之间的潜在缺陷，及时控制该批霍尔器件用于磁盘驱动器。这就是结构分析的“简单有效评价”。IGBT物料评价案例IGBT模块在整机外场使用中失效，该模块批次多IGBT模块内部结构的X射线探测IGBT模块内部各材料界面声学扫描分析IGBT模块内部互连结构的切片分析IGBT内部芯片及互连结构的检查IGBT物料问题的发现及评价通过综合评估发现该模块的工艺变化及薄弱环节，变更为外引线框架处额外多加了一个自举二极管，互连的失效发生在此处，究其原因，焊接时由引脚传递的瞬间高温与封装本体的常温产生极强热冲击，导致封装界面破坏，二极管粘接界面损伤互连开路的失效机理机理：塑封材料，基板陶瓷，芯片材料等的热膨胀系数不同，在温度变化时，产生界面剪切力等有害应力。能够引起界面分层，材料裂纹等问题。照明LED领域面临的问题IGBT物料评价方案耐焊接热试验低温高频制热未用器件考察板上器件考察端口特性声学扫描探测剖面制样镜检1）器件批次质量状况优劣2）器件使用可靠性风险高低之前的引线框架新引线框架PKGLineBSDBSDDAP锁紧孔0.82mm1.38mmEMC锁紧孔里的EMC能够象销钉一样，减少焊接过程中EMC和引线框架之间的相对位移，从而减小相互之间的剪切力自举二极管旋转90度，由竖放改为平放，增大二极管与封装边界之间的距离，(从0.82mm增加到1.38mm),减少了焊接过程中热传导的影响，减少自举二极管开路问题的发生IGBT器件工艺改进措施（一）LeadFrameBSD热膨胀系数的匹配问题•引线框架热膨胀系数17PPM,老EMC热膨胀系数10PPM，引线框架和ＥＭＣ热膨胀系数有７PPM的差距。这种引线框架热膨胀系数的差异导致mode1和mode2剪切力。•新EMC热膨胀系数12PPM，与引线框架热膨胀系数差距从7PPM减小到5PPM，从而减小mode1和mode2的剪切力，减少自举二极管开路问题的发生。与引线框架更强的粘接力•新EMC与引线框架（铜材）之间的粘接力从38.5千克力增大到57.2千克力，减少自举二极管开路问题的发生。CTE:4ppmCTE:10ppm12ppmCTE:17ppmIGBT器件工艺改进措施（二）假冒翻新器件及其鉴别技术背景美国参议院军事委员会一份报告称，超过100万件来自中国的假冒电子元器件“估计”已经应用于美国的军用飞机，“危害了美国的国家安全”。调查发现约有1800例伪造电子零件案例，包括美国空军最大的运输机、特别行动直升机及海军侦察机。伪造部件包括，电磁干扰滤波器、海军SH-60直升机“海尔法”(hellfire)导弹操作，C-17环球霸王III(C-17GlobemasterIII)、C-130J运输机显示系统的存储芯片、P-8A海神(Poseidon)及波音737。Source：U.S.CommitteeofArmedServices,InquiryintoCounterfeitElectronicPartsintheDepartmentofDefenseSupplyChain,May2012.英国路透社3月26日报道，美国国会政府问责局新发布的一份报告说，美国政府的调查人员日前利用一家虚构的“公司”从网上购买了众多武器的电子零部件，在向上述美国“公司”出售武器零部件的396名卖主中，有334人来自中国。这家美国“公司”最终从13家中国卖主手中购买了16种零部件。经独立的测试实验室检测后发现，所买的部件都是假货。其中包括某些用于美国空军F-15战机、海军的V-22“鱼鹰”战机以及核潜艇的部件。美国国会议员就此大做文章，指责中国打击假冒伪劣产品不力，让美国的国家安全和士兵“陷入危险之中”。SH-60直升机F15战机伪劣电子元器件是指未经授权或许可的仿制品或者替代品，或者是供应链中的供应商故意提供不符合原产品材料、性能及参数的产品。Source：SAEAS5553,CounterfeitElectronicParts;Avoidance,Detection,Mitigation,andDisposition,April2009.假冒翻新器件的定义假冒翻新器件属于伪劣电子元器件伪劣电子元器件的类型伪劣电子元器件的类型包括，但不限于：与合格电子元器件相比，内部结构不正确（如芯片、制造商、引线键合等）；将已使用过的、翻修过的或者回收的电子元器件充当新产品；与合格电子元器件相比，具有不同封装类型或者引线涂覆；实际未完全按照原始器件制造商（OCM）的产品进行完整生产和测试流程，但标称已完全按照执行OCMs生产和测试流程的电子元器件;标称是升级筛选的产品，但未实现成功的完整升级筛选；修改标签或标记，有意歪曲产品的外形，匹配度，功能，或等级等方面。Source：SAEAS5553,CounterfeitElectronicParts;Avoidance,Detection,Mitigation,andDisposition,April2009.假冒翻新器件进入供应链的现状目前存在的一些观念：采购到假冒翻新器件的概率很小，可能连千分之一都不到；只有不正规的经销商才会出售假冒翻新器件；售价昂贵的电子元器件才会被假冒翻新；通过电参数测试可以将假冒翻新器件识别出来。假冒翻新器件进入供应链的现状Source：U.S.DepartmentofCommerce,O