單板由印制線路板和焊接在其上的元器件組成，單板的可靠性取決于三個(gè)要素，印制線路板的可靠性、焊點(diǎn)的可靠性、元器件的可靠性。某大型企業(yè)對(duì)單板失效進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出的數(shù)據(jù)顯示器件失效比例高達(dá)76%。這類大型公司有嚴(yán)格的集成產(chǎn)品開發(fā)流程，每個(gè)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)驗(yàn)證(DV)和產(chǎn)品工程驗(yàn)證(PV)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的產(chǎn)品，印制板的可靠性和焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題都會(huì)在產(chǎn)品驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)，但器件的可靠性問(wèn)題卻不能在產(chǎn)品驗(yàn)證階段被充分地發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成在客戶使用過(guò)程中存在隱患，為了更好的服務(wù)客戶，讓客戶更加信賴，需要更多關(guān)注器件可靠性。
圖1 某公司單板失效類型統(tǒng)計(jì)分布
為了滿足更多場(chǎng)合的應(yīng)用需要，器件需要小型化、集成化、高速化，這對(duì)器件可靠性提出了更多的挑戰(zhàn)，小型化導(dǎo)致器件抵抗PWB變形應(yīng)力能力變差，同時(shí)導(dǎo)致器件容易出現(xiàn)機(jī)械斷裂，集成化導(dǎo)致器件內(nèi)部熱流密度增加，高速化導(dǎo)致器件特征尺寸變小、工作電壓變低，器件對(duì)ESD（靜電敏感）和外部干擾更加敏感。新的復(fù)雜的應(yīng)用條件和要求讓器件面臨更多的可靠性挑戰(zhàn)。器件封裝技術(shù)的發(fā)展對(duì)器件可靠性提出了很多挑戰(zhàn)，多芯片封裝(MCP)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)、倒裝芯片(Flipchip)等新型封裝引入了很多新的器件失效模式和失效機(jī)理，其可靠性表現(xiàn)出與應(yīng)用環(huán)境的強(qiáng)烈相關(guān)性，讓可靠性問(wèn)題表現(xiàn)的更為復(fù)雜。
圖 2 SIP器件失效模式
器件可靠性的研究歷程中，早期研究因當(dāng)時(shí)器件固有可靠性并不高，任何原因都可能導(dǎo)致器件失效，因此把器件的失效看作一個(gè)無(wú)法克服的隨機(jī)事件，器件的使用者和提供者約定一個(gè)滿足器件使用規(guī)格的基本失效率，即器件在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間里，其失效率低于器件的基本失效率，這個(gè)規(guī)格依據(jù)器件自身對(duì)外界應(yīng)力的抵抗強(qiáng)度確定，器件的強(qiáng)度因工程制造的偏差呈現(xiàn)出分布特性。如果器件的制造過(guò)程控制能夠達(dá)到3sigma控制限，則缺陷比例為66810PPM（1ppm表示百萬(wàn)分之一）；如果器件的制造過(guò)程控制能夠達(dá)到6sigma控制限，則缺陷率大約為3.4ppm，缺陷率極低。
02基于故障機(jī)理的可靠性方法
基于統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析的傳統(tǒng)器件可靠性方法主要是通過(guò)器件降額的機(jī)理來(lái)提高器件可靠性，通過(guò)器件的基本失效率和應(yīng)力因子估計(jì)系統(tǒng)可靠性。但隨著器件技術(shù)的快速進(jìn)步，越來(lái)越多的器件失效機(jī)理被發(fā)現(xiàn)，器件失效理論和實(shí)踐證明，器件失效并不隨機(jī)，都是有原因可找的，因此現(xiàn)代器件可靠性的工程方法已經(jīng)產(chǎn)生巨大的改變，此方法稱為基于故障機(jī)理的可靠性方法POF（Physics of Failure），此方法是基于大量的器件可靠性工程實(shí)踐得出的結(jié)論。
POF是自然世界因果律的一種具體體現(xiàn)，即任何一個(gè)器件的失效必然存在一個(gè)導(dǎo)致失效的根本原因，排除這個(gè)導(dǎo)致失效的關(guān)鍵因素，則因此因素導(dǎo)致的失效這種果就不會(huì)發(fā)生，在不斷的排除導(dǎo)致器件失效的關(guān)鍵因素的過(guò)程中，器件的可靠性不斷提升，最終確保單板可靠性達(dá)到客戶預(yù)期。
圖3 多層陶瓷電容MLCC失效機(jī)理及特征
POF是一種逆向工程方法，從問(wèn)題中改進(jìn)產(chǎn)品可靠性。但客戶是不會(huì)將花錢買來(lái)的產(chǎn)品給你慢慢改進(jìn)的，工程師只能從失敗積累的經(jīng)驗(yàn)中形成設(shè)計(jì)規(guī)則，從設(shè)計(jì)前端去約束產(chǎn)品設(shè)計(jì)。那么這些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)從何而來(lái)，學(xué)習(xí)借鑒是主要來(lái)源，當(dāng)無(wú)可借鑒時(shí)，就需要通過(guò)高加速壽命試驗(yàn)HALT(Highly Accelerated Life Testing)先制造出問(wèn)題，再分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因去積累和優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)則。POF改變了器件可靠性的一些傳統(tǒng)工作方法，加強(qiáng)了對(duì)器件失效機(jī)理研究，通過(guò)器件失效機(jī)理的研究可以識(shí)別影響器件可靠性的關(guān)鍵要素，對(duì)器件可靠性的要求可以轉(zhuǎn)換為具體的可量化規(guī)格和可管理的質(zhì)量要求。
在單板的設(shè)計(jì)中，單板的設(shè)計(jì)需求（包括可靠性）需要分解到器件中，但在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，很多時(shí)候是有什么器件設(shè)計(jì)什么電路，對(duì)器件的關(guān)鍵規(guī)格沒(méi)有明確定義，一旦設(shè)計(jì)定型，產(chǎn)品量產(chǎn)后，進(jìn)行器件替代將異常困難，作者曾經(jīng)在實(shí)際工作中，遇到這樣一個(gè)問(wèn)題：一顆90nm工藝的flash器件在升級(jí)到45nm工藝后不能穩(wěn)定工作，極端情況下出現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)原因?yàn)?0nm工藝的器件對(duì)地址線上的上下降沿過(guò)沖不敏感，但升級(jí)到45nm后，器件接口處理速度變快，過(guò)沖改變了FLASH的數(shù)據(jù)尋址。類似高級(jí)不能替代低級(jí)的器件問(wèn)題是對(duì)器件應(yīng)用需求不明確導(dǎo)致的。
POF解決器件問(wèn)題的過(guò)程，類似于圖4 所示PDCA循環(huán)，目的是通過(guò)相關(guān)措施的落地防止器件可靠性問(wèn)題的再次發(fā)生。但實(shí)際工作過(guò)程中，問(wèn)題的原因查找非常復(fù)雜，器件失效燒毀后，在大多數(shù)情況下不能確定器件失效的根本原因，依據(jù)對(duì)失效器件的物理解剖分析，只能發(fā)現(xiàn)是電過(guò)應(yīng)力失效，但這只是一個(gè)結(jié)果，至于電過(guò)應(yīng)力是器件缺陷在正常應(yīng)力下失效，還是因?yàn)橥獠看嬖趹?yīng)力超過(guò)器件承受極限失效，物理分析很難給出正確的結(jié)論。根因分析需要多個(gè)PDCA循環(huán)，最終才能確定問(wèn)題的根因，一般情況下，一個(gè)受控型號(hào)的器件多次失效根因只有一個(gè)，一個(gè)PDCA循環(huán)可以依據(jù)原因分析確定幾個(gè)根因，并制定后續(xù)驗(yàn)證措施和相應(yīng)的工作計(jì)劃，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，檢查失效根因的唯一性，依據(jù)根因?qū)⒏倪M(jìn)措施落實(shí)到相關(guān)環(huán)節(jié)。
圖4 器件失效分析的PDCA循環(huán)
器件供應(yīng)商依據(jù)PDCA循環(huán)原理制定了8D報(bào)告模式，但8D報(bào)告和PDCA主要用于管理規(guī)范，失效根因分析機(jī)理闡述往往不是很全面，技術(shù)深度也相對(duì)不足，對(duì)技術(shù)技能和失效分析能力提升幫助不大。從提高單板可靠性角度，首先需要選擇可靠的器件，其次是依據(jù)器件的可靠性特點(diǎn)應(yīng)用好器件，因此關(guān)于器件可靠性保障主要圍繞選擇可靠的器件和可靠地使用器件來(lái)開展。
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