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電子器件可靠性評(píng)估是指對(duì)電子器件產(chǎn)品、半成品或模擬樣片(各種測(cè)試結(jié)構(gòu)圖形)，通過各種可靠性評(píng)價(jià)方法，如可靠性試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)和快速評(píng)價(jià)技術(shù)等，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具和有關(guān)模擬仿真軟件來評(píng)定其壽命、失效率或可靠性質(zhì)量等級(jí)。

不同領(lǐng)域的電子器件可能采用的可靠性標(biāo)準(zhǔn)不一樣，本文分享被光電子器件行業(yè)廣泛采納的可靠性標(biāo)準(zhǔn) GR-468-CORE-Issue2，了解一下標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于光電子器件可靠性認(rèn)證與評(píng)估相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。

 一、可靠性認(rèn)證項(xiàng)目

     圖一顯示了GR468中提到可靠性認(rèn)證的六個(gè)基本項(xiàng)目，這些項(xiàng)目除器件可靠性驗(yàn)證外，其他五項(xiàng)均與生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)直接相關(guān)，目的是通過制程控制來保障產(chǎn)品可靠性。這與精益六西格瑪原則中的控制理念異曲同工。圖1分別對(duì)這六個(gè)項(xiàng)目所涉及到的主要內(nèi)容進(jìn)行了說明。

圖1

     在可靠性認(rèn)證六個(gè)基本項(xiàng)目中，如要高質(zhì)量地去執(zhí)行它們，有3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要特別注意：

   （1）穩(wěn)定的工藝參數(shù)：根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，絕大多數(shù)的失效案例與制造工藝直接相關(guān)；設(shè)備的遷移，工藝參數(shù)的微調(diào)均需要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證可靠性。成熟、穩(wěn)定工藝是產(chǎn)品可靠性重要保障。

   （2）可信任的測(cè)試系統(tǒng)：測(cè)試是攔截失效品的有效途徑，因此，測(cè)試系統(tǒng)的置信度非常關(guān)鍵。測(cè)試系統(tǒng)是否可靠需要經(jīng)過GR&R（重復(fù)性與再現(xiàn)性）試驗(yàn)檢驗(yàn)，且測(cè)試系統(tǒng)投入生產(chǎn)后需堅(jiān)決執(zhí)行金樣監(jiān)控與過程控制。

   （3）有效且無損的篩選：偶爾存在某些失效，我們?cè)诠に嚮驕y(cè)試中沒有辦法去控制或攔截它，即便我們清楚其根因。這需要制定更加有效的篩選策略——加大應(yīng)力，加速失效品損耗（如溫循或老化）。同時(shí)，我們需要通過可靠性試驗(yàn)去認(rèn)真評(píng)估該策略的有效性（失效樣品）與非破壞性（正常樣品）。

二、可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目

      上述六個(gè)項(xiàng)目中，器件可靠性驗(yàn)證是最重要的一個(gè)項(xiàng)目，而可靠性試驗(yàn)是器件可靠性驗(yàn)證項(xiàng)目的必要手段。GR468對(duì)光電子器件可靠性試驗(yàn)的執(zhí)行程序與主要項(xiàng)目（測(cè)試項(xiàng)，試驗(yàn)條件，樣本量等）進(jìn)行了說明。基于實(shí)踐，我們對(duì)可靠性試驗(yàn)的執(zhí)行程序與試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了歸納整理（請(qǐng)見圖2）。更詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)參考GR-468-CORE-Issue 2。

需要注意的是：可靠性試驗(yàn)的所有加載條件（溫度，電壓等）需要應(yīng)用方—客戶代表進(jìn)行拉通對(duì)齊。

圖2

三、可靠性結(jié)果評(píng)價(jià)

    近年來，統(tǒng)計(jì)分析在制造行業(yè)獲得推崇與應(yīng)用，催生了六西格瑪法則，DOE，SPC等一系列概念。概率、方差分析與相關(guān)性分析的引入可以大大縮短制造周期與成本。同理，為降低可靠性試驗(yàn)周期與成本，概率分析被應(yīng)用于可靠性評(píng)估。

試驗(yàn)樣品與置信度

     根據(jù)GR468，不同置信度水平，器件應(yīng)力測(cè)試對(duì)樣品量需求不同。表1展示了不同LTPD（容許缺陷度，與置信度相反）對(duì)應(yīng)的取樣數(shù)量與允許失效數(shù)目。以高溫帶電老化試驗(yàn)為例，如果試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到80%置信度（20% LTPD），我們至少需要11個(gè)樣品且試驗(yàn)結(jié)果為0失效；或者18個(gè)樣品存在1個(gè)失效。如不能滿足，可靠性認(rèn)證試驗(yàn)宣告失敗。

     根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，光電子芯片類一般要求90%的置信度，即22個(gè)樣品有0失效，38個(gè)允許1個(gè)失效；光電子器件或模塊一般要求80%置信度，即11個(gè)樣品有0個(gè)失效，18個(gè)允許有1個(gè)失效。

表1

工作壽命與失效率

      一般電信級(jí)應(yīng)用要求光器件的工作壽命是20年，二十年累積失效率：<100Fits。加速老化試驗(yàn)，是通過提高應(yīng)力，用2000Hr的試驗(yàn)結(jié)果推算器件的工作壽命。然后選擇恰當(dāng)?shù)母怕史植既ビ?jì)算器件的失效率。

這其中涉及兩個(gè)模型，一個(gè)是針對(duì)單個(gè)器件性能退化的壽命外推模型，一個(gè)是針對(duì)于所有器件的累積失效的概率分布模型。推算壽命與失效率時(shí)，兩個(gè)模型的選擇非常重要。針對(duì)這兩個(gè)模型以及后面失效率具體計(jì)算方法有機(jī)會(huì)再詳細(xì)介紹，這里不做贅述。

    MTBF（平均故障間隔）與FR（失效率）是評(píng)估器件故障率的兩個(gè)指標(biāo)。這兩個(gè)參數(shù)是緊密相關(guān)的。從客戶角度，一般會(huì)選擇失效率作為出廠指標(biāo)。失效率的常用單位是Fit（1Fit 指10^9h 內(nèi)，出現(xiàn)一次故障）。

      產(chǎn)品生命周期內(nèi)有兩種失效模式：wear-out失效以及random失效。兩種失效模式的表現(xiàn)形式有所不同，其對(duì)應(yīng)概率分布函數(shù)也不相同。wear-out累積失效率指的是器件性能隨時(shí)間累積的逐步退化，與樣本量多少?zèng)]有強(qiáng)相關(guān)；而random的累積失效率一般包含60% &90%兩個(gè)置信度，與時(shí)間累積沒有關(guān)聯(lián)性，其計(jì)算結(jié)果與樣本量*老化時(shí)間以及器件失效數(shù)量強(qiáng)相關(guān)，因此計(jì)算random FR 需要投入大量的樣本進(jìn)行試驗(yàn)。一般情況下，產(chǎn)品發(fā)貨前，這兩個(gè)失效率的結(jié)果都需要反饋給客戶。表2為產(chǎn)品可靠性報(bào)告中需呈現(xiàn)的失效率表格（來自GR468標(biāo)準(zhǔn)）。

表2