元器件失效与存储.docx
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元器件失效与存储
系统可靠性预计技术是产品可靠性分析的一项关键技术，广泛地应用于各个领域的产品研发过程，成为产品可靠性设计和分析的一项必不可少的重要工作。
对于电子产品来说，进行可靠性预计时一定要采用合适的预计模型，当前我国的军品行业一般是对于国产产品用GJB/z299B《电子设备可靠性预计手册》中规定的模型进行预计，对于进口产品采用MIL-HDBK－217F《电子设备可靠性预计手册》中规定的模型进行预计，民用企业一般采用Bellcore可靠性预计手册中规定的模型进行预计。
这些预计模型都有一个共同的不足之处，就是仅根据产品的设计和使用环境进行可靠性预计，未考虑影响产品可靠性的其它关键因素，例如工艺、制造、筛选、管理等，预计结果表达的是设计的可靠性，而非现场可靠性。
在这种情况下，PRISM可靠性预计方法应运而生。
PRISM是美国空军（U.S.AirForce）下属的可靠性研究中心（ReliabilityAnalysisCenter-RAC）研发的可靠性预计分析方法，自2000年3月推出以来，已在全世界得到广泛应用
关于元器件的分类、储存和超期复验
1、元器件总体分类
元器件可分为元件、器件两大类。
元件又细分为电气元件和机电元件。
元件指在工厂生产加工时不改变分子成分的成品，如电阻器、电容器、电感器。
它们本身不产生电子，对电压、电流无控制和变换作用。
器件指在工厂生产加工时改变了分子结构的成品，例如晶体管、电子管、集成电路，本身能产生电子，对电压、电流有控制、变换作用（如放大、开关、整流、检波、振荡和调制等），又称电子器件。
电子器件包括半导体分立器件、集成电路、真空电子器件、光电子器件等。
另外，将电声器件和电池等归为其他元器件类。
下图给出元器件分类总图。
此主题相关图片如下：
2、元器件存储
我国大多数装备电子产品的研制周期较长，且产品列装使用后还需要维修，而元器件（尤其是进口元器件）更新换代是比较快的，往往装备在研制过程中，某些进口元器件已不生产，或定型后使用需要维修时，有些元器件已经“断档”。
为了解决这一矛盾，通常在采购时留有足够的余量，以解决装备研制的需要；而且元器件订货量大，单价相对来说就低，也有利于节约费用。
作为元器件的采购方和使用方普遍采取“一次采购、多次使用”的方式，这不仅能取得一定的经济效益，也有利于保证装备产品的研制进度。
而另一方面，元器件生产厂家也希望“一次技产、多次供货”以降低生产成本。
但“一次订货，多次使用”或“一次投产、多次供货”主要取决于元器件允许长期储存的期限，以及超过了规定的储存期限后，需要通过必要的检测，才能验证元器件的质量与可靠性仍能满足装备研制的要求。
元器件的储存可靠性以及储存期的长短主要与下列因素有关。
（1）由设计、工艺和原材料决定的元器件固有质量状况。
（2）元器件储存的环境条件。
（3）元器件的不同类别。
（4）装备的可靠性要求。
3、元器件储存环境
多数元器件的总规和详细规中规定了元器件的储存环境，SJ331《半导体集成电路总技术条件》规定了半导体集成电路储存的温度围为-10℃～40℃，相对湿度不大于80%；美国军用标准和我国军用标准规定半导体器件的储存环境温度围要宽一些。
这些标准中规定的储存环境都是不允许超过的围，并非元器件储存的最佳环境。
根据国家标准GB4798.1《电工电子产品应用环境:
储存》，对于某些存放精密仪器仪表、元器件的仓库环境条件的级别定为最高级别，其主要的气候环境条件为:
温度:
20℃～25℃；相对湿度:
20%～70%；气压:
70kPa～106kPa。
这三项储存的气候环境条件中，对元器件储存可靠性影响较大的是温度和相对湿度，气压影响的程度相对较小。
储存环境除了气候环境对元器件的有效储存期有影响外，GB4798.1中还规定了其他环境（如特殊气候环境（辐射等）、生物环境（霉菌、白蚁等）、化学活性物质（有害气体等）、机械活性物质（砂、尘等））。
此外，振动、冲击等机械环境对元器件储存可靠性和储存期的长短也有很大影响。
GJB/Z123《宇航用电子元器件有效储存期及超期复验指南》中均规定了元器件的储存环境条件:
元器件必须储存在清洁、通风、无腐蚀气体并有温度和相对湿度指示仪器的厂所。
储存环境条件的分类见表1。
对于某些特殊元器件的储存应满足以下特殊的要求。
1.对静电放电敏感的元器件（如MOS器件、微波器件等），应采取静电放电防护措施。
2.对磁场敏感但本身无磁屏蔽的元件，应存放在具有磁屏蔽作用的容器。
3.非密封片式元器件应存放在充惰性气体密封的密封容器，或存放在采取有效去湿措施（如加吸湿剂、防氧化剂等）的密封容器。
4.微电机等机电元件的油封及单元包装应保持完整。
表1储存环境条件的分类
分类
温度/℃
相对湿度/％
Ⅰ
10～25
25～70
Ⅱ
-5～30
20～75
Ⅲ
-10～40
20～85
4、元器件储存失效机理
影响元器件储存可靠性和储存期长短的主要因素是元器件本身包含的各种缺陷，凡系统中含有存在缺陷的元器件都不能满足系统长期储存的要求，无缺陷或缺陷少的元器件就能满足系统十几年甚至是20年的长期储存要求。
美国桑迪亚国家实验室（SNL）收集了美国国防部的部分高可靠微电子器件（如MOSLSI、双极型SSI）在非工作状态下的大量储存数据，储存期为8年-10年，甚至20年以上。
数据分析表明，非工作状态下元器件的储存失效并非单纯地呈指数分布规律，其失效在较大程度上由设计、制造和生产过程的质量监控失误造成的缺陷所引起。
对长期库房储存试验和延寿试验的失效样品分析表明，失效的主要原因是由于器件部水汽影响，其次是芯片、引线脱落。
不同类别元器件常见储存失效模式和失效机理见表2。
元器件储存失效包括部结构失效和与封装、键合有关的外部结构失效，而外部结构失效在储存失效中占主要部分，包括封装漏气失效、引线焊接失效、外引线腐蚀断裂等，是由于元器件在储存温度、湿度等环境应力的作用下潜在的外壳、封装工艺缺陷而导致失效。
表2元器件储存失效模式和失效机理
元器件分类
失效模式
失效机理
混合集成电路
电路开路或参数漂移
键合失效，铝金属化系统腐蚀
外引线断裂
引线腐蚀
超出公差
电阻器破损；电阻器超出公差；粘接失效；电容耦合；电参数漂移水汽影响
电阻器、电容器断路短路
元件裂纹或断线；绝缘损坏
半导体分立器件
开路
引线的键合缺陷
参数漂移
水汽影响
漏气
密封性差
电真空器件
真空度下降
管壳漏气
灯丝断开
腐蚀或脆化
电阻器
阻值漂移
导电黏合剂膨胀和老化使得导电微粒松散
阻值增加
干燥
断路
腐蚀
短路
不绝缘
电容器
参数漂移
部污染以及热应力导致芯组与引线接触电阻增大
绝缘材料或介质变质
潮气浸入芯组部，介质潮解
开路
气孔和微裂缝缺陷
继电器
接触电阻不稳定
触电电化学腐蚀；有机污染物
外引线断裂
引线腐蚀
漏气
密封性差
连接器
锈蚀
绝缘材料老化，电化学腐蚀
石英晶体元件
停振
水汽影响
晶片破裂
晶片自身缺陷
5、有关元器件储存期的定义
储存期ts：
元器件从生产完成并检验合格后至装机前在一定的环境条件下存放的时间。
有效储存期tvS:
一定质量等级的元器件在规定的储存环境条件下存放，其批质量能满足要求的期限。
基本有效储存期tBVS:
未考虑元器件质量等级的有效储存期。
储存质量系数CSQ:
根据元器件的不同质量等级，对基本有效储存期的调整系数。
超期复验:
超过有效储存期的元器件，在装机前应进行的一系列检验。
继续有效期:
超期复验合格的元器件在规定的储存环境条件下存放，其批质量能满足要求的期限。
6、元器件储存期计算
元器件的储存期的起始日期通常按以下原则计算获得。
1.经过二次（补充）筛选，其筛选项目和条件不少于相关规定的相应超期复验中非破坏性检验项目，且二次（补充）筛选完成日期或生产日期不超过12个月的元器件，可按二次（补充）筛选报告上（批合格）筛选完成的日期计算。
2.元器件上打印的生产日期（或星期）代码（号），如进口器件代码“9908”表示1999年第8周生产；凡仅有年月而无日期的均按该月15日计算（如果为星期代号，则按星期四的日期计算）。
3.按产品合格证上的检验日期计算。
4.按包装容器上的包装日期提前一个月计算。
5.按元器件验收日期提前两个月计算，如果验收时能确定元器件的生产日期，则应按生产日期计算。
当得到元器件的储存期的起始日期后，元器件的储存期即是从元器件储存的起始日期至预定装机日期的时间。
7、元器件有效储存期
元器件的有效储存期与元器件的材料、结构和储存的环境条件有关。
不同类别的元器件由于结构等差异，其有效储存期也将有所不同。
有些元器件的产品规（总规或详细规）中规定了元器件的储存期限，这些规定的期限在一定程度上就是“有效储存期”。
较早的美国军用军标准MIL-S-19500E《半导体器件总规》中规定了库存超过12个月的半导体分立器件，交货时要进行重新检验的程序，可以认为标准规定了半导体分立器件的“有效储存期”为12个月；而20世纪90年代发布的MIL-S-19500J规定了库存超过36个月的半导体分立器件，交货时要进行重新检验的程序，表明随着半导体器件制造技术的进步，半导体分立器件的“有效储存期”亦随之延长。
美国军用标准MIL-M38510《微电路总规》规定了微电路的“有效储存期”:
20世纪80年代时为24个月，20世纪90年代已延长为36个月。
此外，欧洲空间局（ESA）标准ESAPSS01-60《ESA空间系统的元器件选择、采购和控制》以及欧洲空间标准化合作组织（ECSS）标准ECSS-Q-60A《空间产品保证电子、电气和机电元器件》均规定了从制成到预计装机日期超过了60个月的库存元器件，装机前应进行复验程序。
目前我国军用“七专”元器件，也有部分元器件的技术条件规定了“有效储存期”。
如QZJ840620规定了射频插头座在环境温度为5℃-35℃、相对湿度不大于80%的库房中储存60个月应具有使用性；QZJ840621规定了石英谐振器出厂后，在正常的存放条件下，96个月的频率变化应在补充技术条件规定的围。
有效储存期作为元器件的质量指标应该由元器件生产厂家给出，而大多数国生产厂家要做到这一点还存在一定的困难。
在元器件生产厂家不能提供的情况下，通常在总结经验的基础上，参照国外经验自行规定元器件的有效储存期。
元器件的有效储存期与储存的环境条件有关，但在美军标准及欧洲空间机构的同类标准都未说明36个月或60个月是在怎样的储存环境下的有效储存期。
对此只能理解为欧美的仓库环境条件较好，或已达到相当于I类的储存环境条件。
不同的元器件其结构和材料等有一定的差异，所以其有效储存期也不尽相同，欧洲空间机构类似的标准化文件将元器件的有效储存期一律定为60个月，这种做法不一定很科学。
元器件的有效储存期与元器件的质量等级有关，但在美军标准及欧洲空间机构的类似标准中都未说明元器件的质量等级。
8、元器件的超期复验
美国军用标准MIL-S-19500规定半导体分立器件库存超过了36个月，交货时要通过电参数测试和外观检查；MIL-M-38510规定集成电路库存超过了36个月，交货时要通过电参数测试。
欧洲空间局标准ESA-01-60以及欧洲空间标准化合作组织ECSS标准ECSS-Q-60A规定超过60个月的库存元器件，装机前应进行复验。
这两个管理标准规定的复验程序包括电参数测试、外观目检、密封性检查和破坏性物理分析等。
储存期超过有效储存期的元器件应按一定的程序进行复验，复验通过的元器件，才能作为合格品用于装备型号正（试）样上。
以下简要介绍我国军用元器件超期复验的要求。
A、超期复验的分类
元器件的超期复验需按照超过有效存储期时间的长短进行分类。
元器件的超期复验超过有效储存期的时间分为A、B、C三类。
1.储存期已超过有效储存期，但未超过1.3倍的为A类。
2.储存期已超过有效储存期1.3倍，但未超过1.7倍的为B类。
3.储存期已超过有效储存期1.7倍，但未超过2.0倍的为C类。
除非另有规定，超过有效储存期2.0倍的元器件不得进行超期复验；对于已通过了A、B类超期复验，而且其总储存期未超过有效储存期2.0倍的元器件，允许按C类进行第二次超期复验；已经过C类超期复验的元器件，不得再次进行超期复验。
不同的装备研制，可根据需要对上述分类进行细化或剪裁，某航空型号的《元器件储存管理规定》中规定按有效储存期的长短分为A、B两类。
1.储存期已超过有效储存期，但未超过1.5倍的为A类。
2.储存期已超过有效储存期1.5倍，但未超过2.0倍的为B类。
B、元器件超期复验的要求
通常情况下，储存期超过有效储存期的元器件必须按相关技术文件的检验过程进行复验，通过复验的元器件，才能作为合格品装机使用，未经复验的超期元器件不得装机使用。
超过有效储存期2.0倍的元器件不得进行超期复验。
在复验过程中发现致命缺陷（功能失效）或严重缺陷的元器件，应进行失效分析；如果分析结果表明缺陷为批次性，则同一生产批的元器件不得用于型号产品。
复验合格的元器件应继续在规定的环境条件下存放；复验不合格的元器件应严格隔离。
以下简要介绍元器件超期复验要求。
●A类超期复验要求
A类超期复验时元器件储存期超过有效储存期的时间不长，重点检查对元器件的外观、电性能以及密封情况；
序号
检验项目
检验要求
方法和不合格判据
1
外观检查
全部检查
用5倍~10倍放大镜或显微镜对元器件进行外观检查，元器件引出端断裂或外壳脱落为致命缺陷；引出端锈蚀或表面损伤为严重缺陷；表面镀涂层脱落、起泡或标志模糊不清但不影响使用为轻缺陷。
有这三种缺陷的元器件均为不合格品，应予剔除。
检查结果如果为不合格元器件的比例超过规定的比例（航天产品通常为5%），或致命缺陷和严重缺陷元器件的比例超过规定的比例（航天产品通常为2%），则整批元器件不得用于装备产品上
2
电特性测试
全部测试规定的电特性
对入库时已进行电特性测试的元器件，应按入库测试的方法进行相同参数的测试。
对入库时未进行电特性测试的元器件，应按元器件相应的详细规或数据手册测量功能和主要参数（电线、电缆仅要求测试绝缘电阻和耐电压）。
元器件丧失规定的功能为致命缺陷；参数不符合技术规的要求（参数超差）为致命缺陷。
要求在室温下进行测试，必要时也可进行高、低测试。
测试结果不合格元器件的比例超过规定的比例（航天产品通常为10%），或其中有致命缺陷元器件的比例超过规定的比例（航天产品通常为3%），则整批元器件不得用于装备产品上
3
密封性检查
全部做密封性检查
半导体分立器件按GJB128A方法1071、半导体集成电路按GJB548A方法1014A、元件按GJB360A方法112进行密封性检查；除非另有规定，对于液体钽电容器可用PH试纸进行检查，不要求进行真空检漏。
对入库时已进行过密封性检查的元器件，复验粗检漏不合格超过规定比例（航天产品通常为5%或总不合格品超过10%）时，则整批不得用于装备产品上
●B类及C类超期复验要求
B类或C类的超期复验时元器件储存期超过有效储存期的时间较长，除按A类超期复验的要求进行复验，还要重点对检查元器件的引出端可焊性以及引出端的强度，对于某些类别的元器件还要抽样进行破坏性物理分析检测。
①引出端的可焊性，按下表规定进行检查。
元器件类别
试验方法
试验条件
样本大小/合格判定数
小功率分立器件
GJB128A方法2026
（235±2）℃或按详细规规定
5（0）
大功率分立器件
3（0）
中、小规模数字集成电路
GJB548B方法2003.1
（245±5）℃或按详细规规定
5（0）
模拟集成电路
3（0）
大规模集成电路
1（0）
电阻器、电容器、电感器
GJB360A方法208
（235±2）℃或按详细规规定
5（0）
继电器
3（0）
电连接器
3（0）
石英谐振器、振荡器
3（0）
②引出端强度试验，按下表规定进行。
允许采用同批电特性不合格的器件作为样本。
元器件类别
试验方法
试验条件
样本大小/合格判定数
小功率分立器件
GJB128A方法2036
A、E或详细规规定
5（0）
大功率分立器件
3（0）
中、小规模数字集成电路
GJB548B方法2004.2
A、B2或详细规规定
5（0）
模拟集成电路
3（0）
大规模集成电路
1（0）
电阻器、电容器、电感器
GJB360A方法211
A、C或详细规规定
5（0）
继电器
3（0）
石英谐振器、振荡器
3（0）
③破坏性物理分析试验
对于半导体器件、非固体钽电容器、密封继电器、金属壳封装的石英谐振器和振荡器进行复验时，应抽样做破坏性物理分析。
破坏性物理分析的样本大小及合格判据参照下表。
元器件类别
样本大小
合格判定数
说明
小功率分立器件
3
0
复验批总数不足10只时，抽样1只
小功率微波分立器件
2
0
大功率分立器件
2
0
大功率微波分立器件
2
0
中、小规模数字集成电路
3
0
模拟集成电路
2
0
大规模集成电路
2
0
非固体钽电容器
3
0
密封继电器
2
0
石英谐振器、振荡器
2
0
有关元器件DPA的方法及批不合格判据，规定如下：
1.分立器件按GJB128A方法2072~2075、2037、2017分别进行部目检、键合强度和芯片剪切检验；集成电路按GJB548B方法2013、2011.1、2019.2分别进行部目检、键合强度和芯片剪切检验。
检验结果如果发现腐蚀等批次性失效模式，则整批不得装机使用。
2.对非固体钽电容器进行部目检，当发现壁有腐蚀孔或普遍腐蚀的现象，则整批不得装机使用。
3.对密封继电器、石英谐振器、振荡器等进行部目检，当发现部有腐蚀现象，则整批不得装机使用。
4.什么是产品可靠性?
1.最近一两年，国外品牌产品在国市场呈现升温趋势，这当中包括手机、平板电视、音响、冰箱等电子产品，电脑、MP3/MP4，ERP系统等IT产品，汽车、纺织设备、机床等机电产品……其中一个关键的原因就是很多中国企业产品的可靠性比较差。
2.就目前中国企业产品与国外领先企业产品的差距而言，主要已经不是功能和性能的差距，而主要是核心技术的差距，还有就是质量和可靠性方面的差距。
作为时间维度上的质量，可靠性的差距是最明显的，是最影响用户信心的，应该也是产品质量方面最难以解决的。
3.所谓产品可靠性（Reliability），是产品在规定的条件和规定的时间完成规定功能的能力，其中
1）规定的条件包括环境条件（气候、机械、化学、电磁等）、负荷大小、工作方式等，
2）规定的时间是指在产品有效寿命期间的某个时间点和时间段，
3）规定的功能即用户需要的产品功能。
4.可靠性是在时间维度上的质量，以时间领域的失效作为依据。
产品可靠与否需要在应力和时间的共同作用下考核，可靠性可以认为是产品在运行过程中质量的一种度量。
为何经不起时间的考验？
中国企业的产品往往功能上比较完整，甚至比国外产品功能还多，有的性能指标还超过了国外的产品，最大的问题就在于核心技术和质量不行，尤其是产品可靠性比较差，随着时间的推移，零部件失效问题比较严重，产品故障频发。
例如，多年来，国产机床可靠性问题突出，严重影响了国、外市场竞争中的声誉，甚至使许多国有大、中型机床企业长期处于困境。
为何很多中国企业的产品质量经不起时间的考验，即产品可靠性差呢?
1、因为企业并不重视质量和可靠性
企业片面追求规模和短期利益，没有把质量和可靠性摆到战略的高度，只是在市场上出现了质量问题时才想办法“救火”。
中国企业目前普遍都对营销和品牌非常重视，但忽略了一个前提：
营销和品牌是以产品为基础的，产品则是以质量为基础的，没有了质量和可靠性，一切皆为空谈。
2、企业可靠性设计水平低，没有实施可靠性工程，缺乏可靠性应用经验
很多企业基本上没有进行可靠性设计，或者只是采用一些传统的可靠性技术，如老化试验等方法，说到底是在产品后期进行的“筛选”方法。
而目前主流的可靠性设计技术，强调在设计阶段就保证产品的可靠性，如跨国公司在研发电子产品时，就大量采用了容差分析技术、降额设计、EMC分析、电应力设计、热设计等可靠性设计技术，从而大大提高了电子产品的可靠性，带来了非常好的经济效益。
国际领先的大公司，对这些设计方法均有专业团队来保障，而国只有少数企业配备了可靠性方面的专业人员。
要保障产品可靠性，不仅需要进行可靠性设计，还需要开展物流选型及认证、可靠性测试、可靠性试验、失效分析等工作，并建立相应的组织及流程；所以，实施可靠性管理是一项系统工程。
而纵观国企业，系统实施了可靠性工程的只是极少数，很多企业连局部工作也未开展。
3、采用过多的新设计和新技术导致可靠性差
国企业普遍缺乏平台化设计，再加上研发人员喜欢求新求异，不容易看上别人设计的东西，在新产品研发时采用大量新设计和新模块，重用率很低，带来不稳定因素的增加。
鉴于大部分企业技术研发与产品研发未分离，在产品研发时需要对一些关键技术进行攻关研发，无法应用成熟的技术，给产品带来了不可靠的隐患。
还有，很多中国企业出于赶超国外产品的意图，往往对新技术应用很大胆，不像国外先进企业对新技术要进行验证，确认成熟可靠后才应用，这也给产品可靠性带来了很大的风险。
4、企业片面追求产品功能多样，导致可靠性变差
不少消费者反映，以前的国产单碟DVD播放机还是比较稳定的，后来的三碟机就老出问题。
随着功能的增多，设计点增多，需要对更多的因素加以控制，否则产品可靠性会变差，这是符合产品研发规律的。
问题在于很多国企业为了增强产品吸引力，往往片面追求功能的多样性，甚至弄一些花里胡哨的功能，但又缺乏可靠性控制的能力，最后反而因产品可靠性差影响产品和公司信誉和形象，真是“得不偿失”。
从哪里抓起？
产品可靠性作为一个由产品设计、制造、维修、外购零部件等多方面组成的庞大系统工程，可以说是企业产品质量方面最难啃的骨头，让不少企业产生了畏难情绪，不知道怎样下手，只能“头痛医头，脚痛医脚”。
可靠性工作比较复杂，需要长期积累经验教训，企业应该遵循分步实施的原则，结合企业的实际情况，找到切入点。
1、从元器件抓起
相关统计数据显示：
整机的故障中有70%左右是由外购件、外协件、配套件这些外购外协件引起的，每个企业具体情况会有所不同。
而且，产品一旦选用了一个厂家的某物料，其质量、成本、可采购性基本上60%都已固化，后期的一系列改进、保障策略所达到的效果只能占到40%，所以物料选型影响重大。
物料选型与认证是一项产品工程，如何确定物料的规格，如何识别不同厂家的物料优劣，如何对物料厂家进行认证，如何监控物料厂家的质量波动，这些专项技术，在国际领先公司都有专业的团队进行研究，并有系统化得流程保障物料选用，而目前国企业在这方面普遍比较薄弱，因此从物料选用开始，产品质量及可靠性就和业界领先公司拉开了差距，可以说是输在了起跑线上。
外国有些企业将零部件分为致命件、重要件、一般件3个等级，重点关注致命件的可靠性。
这种分类法值得国企业借鉴，抓元器件的可靠性可以先从致命件开始。
2、从可靠性测试抓起
对于国很多企业来说，还不具备开展可靠性设计的能力，那么可以先开展可靠性测试方面的工作，了解产品可靠性的状况，暴露可靠性问题，尽量将故障消灭
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