林长苓，靳宝善

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.国防科工局协作配套中心，北京 100081）

1 引言

电子元器件是武器装备的基础，它的质量与可靠性直接关系到装备的技术性能、研制进程以及作战能力。大量的电子整机故障统计表明，电子元器件的失效在整机故障分布中占首位。美国HP公司的整机在使用期间发生故障的原因，75%来自于元器件；我国 “七五”期间，航空电子设备发生故障的原因，40%是由于元器件设计、选用不合理造成的。由此可见，合理地选择和使用元器件，对其全寿命周期中的各个环节进行控制，是提高装备可靠性的重要保障。

2 电子元器件的可靠性

电子元器件的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性两个方面。固有可靠性是可靠性的基础，一般是指元器件制造完成时所具有的可靠性，它是由元器件的设计、工艺、制造、管理和原材料性能等方面的因素所决定的；使用可靠性则指元器件交付使用后，由于工作条件、环境条件和人为因素等引发的可靠性问题。表1为近年来国内外电子整机失效统计数据。

表1 近些年元器件失效比例统计表

在元器件选用方面，许多设计人员往往只注意元器件的性能指标和温度范围是否符合整机的要求，而忽略了元器件的质量等级、考核标准和失效模式等与整机可靠性的密切关系，从而使整机常常出现性能合格，但可靠性考核却难以通过的情况。

因此，必须对电子元器件的选择和使用加以严格控制，从元器件可靠性的两个方面着手，首先选用有质量保证的、经实践证明其固有可靠性较高的产品。其次，应开展二次筛选、降额设计和热设计等可靠性设计，并建立完整的质量跟踪及质量数据库，从而形成一种闭环控制系统，提高元器件的使用可靠性。

3 电子元器件的质量等级

元器件的质量等级可分为：用于元器件生产控制、选择和采购的质量等级和用于电子设备可靠性预计的质量等级两种。

3.1 用于元器件生产控制、选择和采购的质量等级

元器件的质量等级与其生产过程执行的规范是密不可分的，规范要求质量控制的严格程度，决定了元器件质量等级的高低。在大多数军工产品中，采用国产元器件的质量等级分为 （七专）7905、（七专）8406、 （七专）840611A（半导体分立器件）、 （七专）补充技术协议以及国军标 （GJB）等5种。前4种可以认为是4种质量等级，而国军标由于参照采用了美国军用标准 （MIL），其质量等级的分类方法比较复杂，国军标元器件的质量等级包括：器件的质量保证等级和有可靠性指标的元件的失效率等级，如表2所示。

表2 国军标元器件质量分级

3.2 用于电子设备可靠性预计的质量等级

当按GJB/Z 299进行电子设备可靠性预计时，在该标准中列出了另一种质量等级与质量保证等级及失效率等级有一一对应的关系。由于质量保证等级及失效率等级有时也可简称为质量等级，所以两者很易混淆。但只有军用级元器件才有质量保证等级及失效率等级，而对于几乎所有的元器件都有进行可靠性预计的质量等级，这是两者主要的差别。表3列出了半导体集成电路的可靠性预计质量等级。

表3 半导体集成电路的可靠性预计质量等级

4 电子元器件的选用原则和顺序

4.1 电子元器件的选用原则

1）元器件的技术性能、执行标准、质量等级和使用条件等应满足电子装备的要求；

2）优先选用列入军用电子元器件合格产品目录 （QPL）及合格制造厂目录 （QML）中的元器件；

3）优先选择经认定合格、质量有保证、供货及时、价格合理、技术服务好以及具有良好信誉的合格电子元器件科研生产单位生产的元器件；

4）优先选用经工程实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前景以及供货有保障的标准电子元器件；

5）应最大限度地压缩元器件品种、规格和生产单位；

6）在满足质量要求的前提下，性价比相当时，应优先选用国产电子元器件，尽量减少选用进口电子元器件；

7）不选用未经设计定型的新研元器件、已停产或将要停产的电子元器件；

8）限制使用质量等级不能完全满足电子装备要求但为实现整机功能而不得不使用的电子元器件；

9）禁止使用因材料、工艺和使用条件等原因而被工程要求禁止使用的元器件。

4.2 电子元器件的选用顺序

1）根据元器件的使用部位的电性能、体积、质量等要求，在元器件优选或选用目录中选择元器件的品种、规格，并留有足够的余量；

2）根据元器件使用的环境要求，选择元器件的封装形式、引线涂覆及辐射强度保证 （RHA）等级等环境适应能力 （不同的应用环境对电子元器件的选用附加要求和试验项目也不同）；

3）根据整机的可靠性要求来选择元器件的质量等级。

5 电子元器件的管理与控制

5.1 电子元器件的管理现状

电子元器件是电子产品的重要组成单元，对于电子设备的成本、研制周期和可靠性都会产生重要的影响。元器件管理不仅仅涉及到产品设计部门，而且会牵涉到制作和采购等部门。目前国内的元器件管理存在的主要问题如下：

1）缺乏集中统一的元器件信息库；

2）缺乏有效的元器件管理机制；

3）元器件选用控制不严格 （产品设计人员选用的某些元器件存在可靠性差、采购周期长、成本高或者电子装配要求难以满足等诸多问题，严重影响了产品的研制和生产）。

5.2 电子元器件的管理与控制

针对电子元器件管理方面存在的问题，可采取如下措施：

a）建立企业级的元器件信息库

电子设备研制单位应当建立企业级范围内的统一元器件信息库，对入库元器件的数据严格审核，确保库中数据的准确性与完备性，形成企业内部唯一的元器件数据源，同时加强元器件库访问权限控制，实现对数据的统一管理与维护。

b）建立型号工程的元器件优选目录

各型号工程总体单位可参照GJB 3404-98《电子元器件选用管理要求》，制定型号工程的元器件优选目录，作为设计选择、质量与可靠性管理和采购的依据，应严格按照优选目录来选择元器件，超目录选择应严格审批；优选目录的内容应包括：元器件名称、型号、主要技术参数、执行标准、质量等级、封装外形以及生产商等栏目内容；优选目录应根据型号研制和生产的不同阶段来进行动态管理。

c）对元器件选用进行全过程控制

包括对元器件的选择、采购、监制、验收、筛选、破坏性物理分析 （DPA）、保管、使用、电气装配、通电调试、静电防护和失效分析等全过程进行质量与可靠性管理，制定装备的元器件质量与可靠性控制要求。流程图如图1所示。

下面对元器件选用与控制过程中的几个重要环节做简单的介绍：

5.2.1 元器件二次筛选

元器件的筛选分为 “一次筛选”和 “二次筛选”两类。元器件在交付用户使用前按元器件的产品规范 （总规范、详细规范）进行的筛选被称为“一次筛选”。使用方在采购以后根据使用要求进行的再次筛选被称为 “二次筛选”。

图1 元器件设计、使用全过程流程图

高可靠性的元器件是设计和生产出来的，但是，即使再好的生产工艺和生产控制还是不可避免地会产生一些缺陷、质量不符合要求的产品。二次筛选就是针对不同的失效模式进行一些试验以剔除不合格的、或由于某种缺陷会引起早期失效的元器件。这种手段已被证明是行之有效的方法。但有一种错误观点必须澄清，即认为通过了二次筛选的元器件至少达到了什么质量等级了。元器件的固有可靠性水平，在设计、生产完毕后，实际就确定了，通过二次筛选是不能提高元器件个体的固有可靠性水平的，最多可以认为通过剔除不合格品，从生产批次的角度上讲，改善了批次的固有可靠性水平。元器件二次筛选的原则:

a）对型号研制中采用的元器件应实行100%的二次筛选，这样才能最大限度地剔除存在有某种失效模式的元器件。

b）元器件供应单位所进行的筛选，其筛选条件 （项目和应力）低于订货单位要求时，必须进行二次筛选。

c）针对产品的用途进行有选择性的筛选。例如：抗幅照能力的考核就是一个特例。对宇航电子设备是必须考虑的，对地面电子设备则基本上可以不考虑。

d）对由于手段问题不能进行筛选的元器件，需采取其它的控制方式来保证其质量。例如：大规模进口集成电路，可采用拷机的方法进行 （即将不具备筛选条件的元器件装配到电路板中，进行温度应力或电应力长时间试验）。

e）表贴元器件的封装形式一般是盘封，主要用于表面贴装生产线，筛选后将会影响焊接质量与可靠性，故不宜进行二次筛选。

f）考虑到二次筛选的局限性，必须严格控制它的批允许失效百分比 （PDA）。

二次筛选不可能将所有的缺陷全部剔除，也不可能提高元器件的质量等级，它的作用只能改善元器件的批质量。因此，已经确定满足整机要求的元器件应尽量不做电应力、机械应力和热应力的筛选项目，只做一些必要的检查性和测试性的筛选项目。

5.2.2 元器件的破坏性物理分析 （DPA）

破坏性物理分析 （DPA）是通过微观物理手段来确定产品质量的一种分析检验方法，它能反映出元器件二次筛选过程中不可能发现的一些缺陷，对前期质量不稳定、生产工艺有较大改进类元器件应进行破坏性物理分析试验，其目的是验证电子元器件的设计、结构、材料和工艺质量是否满足预定用途或有关规范的要求。

对一个批次的元器件、抽样进行DPA是对元器件二次筛选工作的有益补充。破坏性物理分析的有效性在于，有些隐藏得很深的缺陷，在试验过程中根本发现不了，但在解剖后却能轻易地发现。如水气含量过高，它的失效模式是一种进行式的失效，前期一般发现不了，但随着时间的推移，它会逐渐引起铝条、引线的腐蚀，最终导致失效。这种失效模式在二次筛选过程中几乎发现不了，但在做破坏性物理分析的水气含量试验这个项目时却很容易发现。所以DPA的结果往往是做出整批拒收的重要依据之一。开展DPA的一般原则是：

1）重要型号或一般型号的重要电子产品所选用的元器件需作DPA；

2）器件的等级低于型号要求的元器件；

3）未能按型号要求进行补充筛选的元器件；

4）在试验中曾发生故障的同批次元器件；

5）超过贮存期的元器件，做DPA试验时要合理选择项目、选择有关部门认证的DPA试验室进行。

5.2.3元器件失效分析

失效分析是发现问题并解决问题的重要途径，在产品测试、系统联调等过程中发现元器件失效时，对于典型失效或批次质量问题的元器件，元器件质量控制部门应组织有关技术人员和质量控制人员共同进行失效分析，明确失效机理，查明失效原因；对于关键的、重要的元器件，失效、重复多次出现失效而原因不明的元器件以及选用的质量等级不明或偏低的元器件，应将其作为重点，可由专业的失效分析实验室进行。通过失效分析可以改进设计，加强关键工序的管理，使产品的可靠性不断提高。

由于失效样品的数量极少，来之不易 （往往经长期试验或使用后获得），内含重要信息，而失效分析过程大都具有破坏性和不可恢复性，为防止丢失证据或引入新的失效机理，失效分析应按如下程序进行：

1）收集失效现场数据；

2）电测并确定失效模式；

3）非破坏性分析；

4）打开封装；

5）镜检；

6）通电激励芯片；

7）失效定位；

8）对失效部位进行物理和化学分析；

9）综合分析，确定失效原因，提出纠正措施。

5.2.4 电子元器件的正确使用

电子元器件在应用时应重点考虑以下几个问题：

a）降额使用

经验表明，元器件失效的一个重要原因，是由于它工作在允许的应力水平之上，因此，为了提高元器件的可靠性，延长其使用寿命，必须有意识地降低施加在元器件上的工作应力 （电、热和机械应力），以使实际的使用应力低于其规定的额定应力。

b）热设计

电子元器件的热失效是由于高温导致元器件的材料劣化造成的。由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高，使元器件之间通过传导、辐射和对流产生热耦合，热应力已成为影响元器件可靠性的重要因素之一。因此，在元器件的布局、安装等过程中，必须充分考虑到热的因素，进行有效的热设计和环境保护设计。

c）抗辐射问题

在航天器中使用的元器件，通常要受到来自太阳和银河系的各种射线的辐射而被损伤，进而使整个电子系统失效，因此设计人员必须考虑辐射的影响，需要时可以采用一些抗辐射加固的半导体器件。

d）防静电损伤

为解决静电带来的器件失效，在器件设计和使用上必须采取防静电措施。如在器件输入端加上防静电损伤的保护网络，操作场所必须采取防静电措施。

e）操作过程的损伤问题

在操作过程中，容易给元器件带来机械损伤，应在结构设计和安装时多加留意。

f）储存和保管问题

例如：库房的温度和湿度应控制在规定的范围内，不应导致有害气体存在；存放器件的容器应采用不易带静电及不引起器件化学反应的材料制成；定期检查有测试要求的元器件。

6 结束语

正确选择和使用电子元器件，对全寿命周期中的各个环节进行控制，是提高武器装备质量与可靠性的重要举措，元器件管理部门应制定严格的管理制度，加强元器件失效分析和质量信息的反馈，建立使用全过程的质量档案，提供有价值的信息和科学依据。

[1] 罗雯，魏建中，阳辉，等.电子元器件可靠性试验工程[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 孙青，庄奕琪.电子元器件可靠性工程 [M].北京：电子工业出版社，2002.

[3] GJB/Z 299C-2006，电子设备可靠性预计手册 [S].

[4] GJB 3404-1998，电子元器件选用管理要求 [S].