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電子元器件的可靠性對(duì)于武器裝備的質(zhì)量至關(guān)重要，據(jù)悉上世紀(jì)80年代的美軍，由于元器件質(zhì)量控制的失當(dāng)造成的武器裝備及系統(tǒng)故障占到總體故障的55%。我國(guó)從上世紀(jì)70年代開始采取措施來(lái)提高軍用電子元器件的固有可靠性，并提出“七專”的概念，即“專人、專機(jī)、專料、專批、專檢、專技和?？?rdquo;的元器件質(zhì)量控制方針。上世紀(jì)80～90年代中，逐步將此方針貫徹于國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，極大程度的提升了國(guó)產(chǎn)軍用元器件的固有可靠性。在我國(guó)工業(yè)實(shí)力不斷進(jìn)步的大背景下，國(guó)產(chǎn)元器件的固有可靠性大踏步的提高，與此同時(shí)，國(guó)產(chǎn)元器件的應(yīng)用可靠性問(wèn)題則逐漸凸顯出來(lái)。2000年，原國(guó)防科工委要求各元器件使用部門通過(guò)實(shí)行“五統(tǒng)一”管理及元器件破壞性物理分析（Destructive Physical Analysis, DPA）來(lái)確保元器件應(yīng)用可靠性的有效管理。

 

對(duì)軍用元器件質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，可以從根本上降低武器裝備的故障率、任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和使用成本。元器件的使用可靠性控制包含元器件選型、二次篩選、DPA、失效分析、電裝、調(diào)試、保管、貯存和質(zhì)量信息系統(tǒng)，由此對(duì)元器件質(zhì)量控制形成閉環(huán)。選擇高質(zhì)量的元器件是軍用元器件質(zhì)量控制的基石；通過(guò)二次篩選、DPA 可以最大限度的剔除不合格的產(chǎn)品，從而保障武器裝備的高可靠性；通過(guò)失效分析可以保障武器裝備和元器件本身的可靠性，并可以提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

 

01、元器件選型

 

當(dāng)前，以信息化為核心的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于電子設(shè)備的需求逐年增加。選用高可靠性的元器件是實(shí)現(xiàn)武器裝備信息化的必要條件，所以電子元器件選型的重要性就日益凸顯出來(lái)。以航空裝備為例，在機(jī)載航電設(shè)備中，應(yīng)用的元器件數(shù)量和種類眾多，因此保證機(jī)載航電設(shè)備的任務(wù)可靠性，就必須先保證電子元器件的固有和應(yīng)用可靠性，而有效的選取電子元器件，可以提升武器裝備的可靠性水平。據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)分析，近50%的電子元器件失效并非源于固有可靠性不高，而是由于元器件選型不當(dāng)造成，故保證軍用電子產(chǎn)品的可靠性應(yīng)嚴(yán)格把控元器件的選型。

 

為保證軍用電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師對(duì)元器件正確選型，首先應(yīng)參照《電子元器件質(zhì)量保證大綱》和“型號(hào)元器件質(zhì)量保證大綱”的要求，針對(duì)軍用裝備的任務(wù)需求、技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性要求等，擬定相應(yīng)的元器件選型依據(jù)，從而在型號(hào)研制階段依據(jù)大綱開展元器件選型評(píng)審及指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐中的選型工作。最后，還要在設(shè)計(jì)實(shí)踐中建立元器件優(yōu)選數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)其實(shí)施動(dòng)態(tài)管理。

 

元器件選型的原則，應(yīng)面向型號(hào)產(chǎn)品的使用要求，選用功能、性能、質(zhì)量等級(jí)和技術(shù)指標(biāo)均適應(yīng)的元器件，而非一味追求高性能、高品質(zhì)和高質(zhì)量等級(jí)的元器件；應(yīng)盡量?jī)?yōu)選型號(hào)總體單位指定的元器件優(yōu)選目錄中的國(guó)產(chǎn)元器件，避免因外部因素造成裝備的自主保障不利，也要避免使用最新研制成功，但未經(jīng)技術(shù)鑒定合格的元器件；應(yīng)優(yōu)選正規(guī)供應(yīng)渠道的標(biāo)準(zhǔn)元器件，即高可靠性、質(zhì)量穩(wěn)定和非淘汰的元器件。例如，超目錄選用元器件時(shí)，應(yīng)按規(guī)定申報(bào)并經(jīng)批準(zhǔn)后才可選用；應(yīng)按GJB/Z35-1993《元器件降額設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》要求對(duì)元器件進(jìn)行降額選用，降額選用可提升元器件的應(yīng)用可靠性。制定降額使用規(guī)范應(yīng)在最嚴(yán)酷案例下進(jìn)行失敗風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其關(guān)鍵在于建立精確的加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，加速試?yàn)因子一般遵循阿侖尼烏斯方程，見公式（1）。

 

 

式中，A為加速因子，Ea為反應(yīng)活化能，k=1.380649×10-23為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

 

02、元器件篩選

 

元器件早期偶然失效的概率較大，部分元器件在生產(chǎn)過(guò)程中存在缺陷，在元器件質(zhì)量與可靠性的研究中，確定其失效率分布服從“浴盆曲線”的規(guī)律，如圖1所示。

 

圖1 浴盆曲線分布圖

 

元器件篩選試驗(yàn)是指通過(guò)特定的試驗(yàn)剔除生產(chǎn)不合格或存在缺陷的早期失效電子產(chǎn)品而進(jìn)行的試驗(yàn), 以保證元器件的可靠性。元器件篩選包括一次篩選、二次篩選和升級(jí)篩選。

 

一次篩選是指生產(chǎn)單位在交付前，按元器件的產(chǎn)品詳規(guī)進(jìn)行初次篩選。二次篩選是指主機(jī)研制單位在元器件裝配前為滿足可靠性的要求，在一次篩選的基礎(chǔ)上進(jìn)行的復(fù)檢及驗(yàn)證。在美國(guó)等西方國(guó)家沒有二次篩選要求，元器件采購(gòu)后就可以在型號(hào)上應(yīng)用。在我國(guó)軍工產(chǎn)品使用的元器件均要求進(jìn)行二次篩選，原因在于我國(guó)元器件的生產(chǎn)與研制水平尚處于初級(jí)階段，和國(guó)外的同類型產(chǎn)品還存在一定的差距，一次篩選的試驗(yàn)設(shè)計(jì)不能完全覆蓋型號(hào)研制的環(huán)境應(yīng)力需求。

 

二次篩選的通用要求參照GJB 7243-2011《軍用電子元器件篩選技術(shù)要求》或主機(jī)研制單位按其設(shè)計(jì)需求在國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范上進(jìn)行裁剪，以一般集成電路為例，列出國(guó)內(nèi)及國(guó)外器件的二次篩選項(xiàng)目，如表1所示。

 

表1 篩選項(xiàng)目

 

元器件篩選的目的，在于生產(chǎn)單位交付使用前及使用方采購(gòu)后，依照元器件產(chǎn)品規(guī)范的質(zhì)量等級(jí)，確保每一個(gè)元器件個(gè)體都能擁有較高的可靠性。必須強(qiáng)調(diào)，元器件通過(guò)篩選不能改變其質(zhì)量等級(jí)，質(zhì)量等級(jí)在生產(chǎn)單位制造這批元器件之前，就應(yīng)按照產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)或供需雙方協(xié)定確定下來(lái)。在生產(chǎn)、檢驗(yàn)和篩選的全過(guò)程中，其質(zhì)量均需控制在此規(guī)定范圍之內(nèi)，元器件質(zhì)量等級(jí)，如表2所示。

 

表2 元器件質(zhì)量等級(jí)

 

眾所周知，再好的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制都不可能避免個(gè)別元器件在生產(chǎn)過(guò)程中存在缺陷，元器件篩選就是剔除這些存在缺陷的不良品或由于某種缺陷造成的早期失效的元器件。

 

目前，我國(guó)電子元器件的生產(chǎn)制造能力無(wú)法滿足日益精確的元器件設(shè)計(jì)研制需求，這要?dú)w結(jié)于我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)根基薄弱，用于生產(chǎn)元器件的核心設(shè)備短缺。生產(chǎn)研制單位出廠篩選的環(huán)境應(yīng)力和試驗(yàn)項(xiàng)目不能完全適應(yīng)使用方的需求，故二次篩選是必不可少的元器件質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。進(jìn)口的元器件實(shí)際上不能算是嚴(yán)格意義上的軍品，有相當(dāng)數(shù)量的產(chǎn)品只處于中低端水平。而影響我國(guó)裝備安全的不僅是質(zhì)量等級(jí)問(wèn)題，更嚴(yán)重的是大量假冒及翻新的劣質(zhì)品也充斥其中。所以，元器件的篩選是質(zhì)量控制工作的重要環(huán)節(jié)，對(duì)保證元器件的可靠性有重要意義。

 

03、DPA

 

DPA起源于二戰(zhàn)后的美國(guó)，主要通過(guò)對(duì)元器件樣品進(jìn)行解剖，來(lái)驗(yàn)證元器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料和制造質(zhì)量能否符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括：GJB 4027A-2006《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》、GJB 128A-1997《半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法》、GJB 360A-1996《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》和GJB 548A-1996《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》。

 

DPA試驗(yàn)方法包括：外部目檢、射線檢查、顯微檢查、掃描電子顯微鏡檢查、粒子碰撞噪聲檢查（PIND）、粗檢漏、細(xì)檢漏、內(nèi)部氣體成分分析、內(nèi)部目檢、鍵合強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和制樣鏡檢等，檢測(cè)方法詳述，如表3所示。

 

 

表3 DPA檢測(cè)方法

 

DPA試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)電子元器件進(jìn)行合理抽樣，對(duì)樣品實(shí)施非破壞性和破壞性檢驗(yàn)及分析后，判斷該批次的電子產(chǎn)品是否滿足用戶的質(zhì)量和設(shè)計(jì)需求，使用戶在設(shè)計(jì)使用前全面掌握元器件的質(zhì)量狀態(tài)，確保裝機(jī)的元器件有較高的可靠性。

 

一般來(lái)說(shuō)，最常見的DPA試驗(yàn)包括“外部目檢、掃描聲學(xué)顯微檢測(cè)、X射線顯微透視檢查、PIND、檢漏、鍵合強(qiáng)度檢測(cè)和內(nèi)部鏡檢”。

 

04、元器件失效分析

 

元器件失效分析（Failure Analysis）是針對(duì)在工程運(yùn)用中出現(xiàn)故障或失效的元器件進(jìn)行的一種尋因檢查。此試驗(yàn)分析不同于二次篩選和DPA試驗(yàn)，在試驗(yàn)方法流程上具有更強(qiáng)的靈活性，其試驗(yàn)流程可依據(jù)GJB 8897-2017《軍用電子元器件失效分析要求與方法》、GJB 3233-98《半導(dǎo)體集成電路失效分析程序和方法》和GJB 3157-1998《半導(dǎo)體分立器件失效分析方法和程序》進(jìn)行，但不僅限于標(biāo)準(zhǔn)提出失效分析程序，分析人員需根據(jù)元器件失效的具體應(yīng)用場(chǎng)景、失效現(xiàn)象和所受應(yīng)力等制定專屬于此元器件的失效分析方案，失效分析流程，如存在重大或疑難的失效現(xiàn)象，必要時(shí)需組織領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威專家對(duì)失效分析方案進(jìn)行評(píng)審。依據(jù)GJB 8897-2017 《軍用電子元器件失效分析要求與方法》的4.3節(jié)建立失效分析的一般流程，如圖2所示。

 

圖2 失效分析流程圖

 

失效分析應(yīng)根據(jù)元器件失效的實(shí)際情況和需求對(duì)程序進(jìn)行定制和調(diào)整，即使用電測(cè)試、物理、化學(xué)和金相等可以被利用的所有檢測(cè)手段來(lái)確定其失效模式，通過(guò)敏感應(yīng)力找到元器件最終的失效機(jī)理，失效分析方案流程，如圖3所示。

 

圖3 失效分析方案流程圖

 

失效分析是質(zhì)量控制中非常重要的一環(huán)，對(duì)保障裝備的可靠性和提升裝備質(zhì)量有著不可替代的作用。根據(jù)失效分析的特點(diǎn)，從事此工作的人員需具備扎實(shí)的專業(yè)技能和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)細(xì)枝末節(jié)的表象分析、推理和判斷出藏在背后的敏感應(yīng)力和失效模式及機(jī)理。開展失效分析工作，需掌握元器件工作原理、電氣性能、材料特性、結(jié)構(gòu)特征、制造工藝、物理化學(xué)等知識(shí)，并了解制造、運(yùn)輸、裝配和使用的過(guò)程及環(huán)境，可以簡(jiǎn)單復(fù)現(xiàn)元器件在其特定環(huán)境中的老化、損傷及失效的全過(guò)程，這對(duì)完成這項(xiàng)工作十分重要。

 

05、結(jié)論

 

隨著我國(guó)武器裝備信息化程度的不斷加深，對(duì)于軍用元器件質(zhì)量控制的要求亦逐步嚴(yán)格，軍用元器件的選型、二次篩選、DPA 和失效分析是確保其質(zhì)量和可靠性的重要環(huán)節(jié)。元器件質(zhì)量控制是為航空裝備型號(hào)質(zhì)量保證提供證據(jù)的過(guò)程，這一過(guò)程通過(guò)一系列的調(diào)查、試驗(yàn)和分析完成，是保證航空裝備型號(hào)科研、試驗(yàn)和生產(chǎn)能滿足其預(yù)期目的重要手段。

 

在可預(yù)見的將來(lái)，隨著航空工業(yè)的高速度、高水平發(fā)展，軍用元器件質(zhì)量控制必將從低水平的檢定邁向高水平的評(píng)價(jià)階段；從對(duì)元器件本身的單片級(jí)驗(yàn)證走向裝備型號(hào)應(yīng)用場(chǎng)景下的板級(jí)驗(yàn)證。以此解決研制的元器件在裝備型號(hào)推廣過(guò)程中存在的“不好用”、“不敢用”及“用不好”等問(wèn)題。