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质量和可靠性

可靠性测试

可靠性的概念和标准

元器件的可靠性可以定义为,当它作为部件的一部分用于机器时,"在指定的时间内,可以毫无故障地发挥其目的的功能"。 如果定量地去表现可靠性的话,可以使用可靠度或故障率来表现,以一个时间变数的分布函数来表现,指数分布、Wieble分布主要适用于半导体。 如下列图表中,对一般电子零件和半导体产品产生故障的时间参数所表现的,让我们更加清楚的看到它具有一定的倾向。

表1. 随着时间的推移发生故障率关系

发生故障的时间通常分为三个时期,各为初期。
故障器(Initial Failure Period)、偶发故障器(Random Failure Period)、磨损故障器(Wearout Failure Period)。

特别是,半导体产品具有偶发故障期发生故障率呈渐减现象的特点,但此时发生故障因意味着为偶发,所以让将故障的发生最小化,是一个重要的课题。 在表现半导体产品的可靠度时,利用多种分布函数进行近似解析,在假设电子零件寿命分布形态的指数分布的情况下,可靠度函数R(t)以以下方式进行表现。

R(t) = exp(-λt)

另外,瞬间的故障率 λ(t)和平均寿命μ可以表现为以下几点。

λ(t) = λ(与所经过的时间无关为固定)
μ = 1/λ = MTTF

通常情况下,半导体产品的故障率以时间(t)=1000小时为基准,表现为%/1000小时。
另外,在外业资料或故障率预测中,因故障率极少,极低,
因此将该值的1/104倍即10-4(%/1000小时)=10-9(故障/时间)称为1Fit的单位。

可靠性的因素

半导体元件可靠性并不仅仅体现在元件本身,还必须要重视必不可免的施加的动作所造成的压力,和环境的压力。这种压力相互之间也有非常密切的关系,为了可以更加放心地使用,需要比起各种因素,要对更加重要的因素进行说明。

动作条件

半导体所能承受的电压、用于电流和机器的环境条件是决定可靠度的重要因素。
必须根据以目的电路,选择适当的原件和设点电路适当的操作点。 众所周知,集成电路故障率受温度影响很大,随着温度升高,故障率也随之增加。
但是小信号用集成电路所能承受的电压、电流较小,因此除了特殊电路外,对温度问题不必过于担心。 相反,如果关注冲击电压的耐受或特性偏差,在设计时确认特性变动的允许范围,并给予一定余量,则可以大幅度延长元件的寿命。但是小信号用集成电路所能承受的电压、电流较小,因此除了特殊电路外,对温度问题不必过于担心。 相反,如果关注冲击电压的耐受或特性偏差,在设计时确认特性变动的允许范围,并给予一定余量,则可以大幅度延长元件的寿命。
另一方面,承受较大电压和电流的电力用集成电路,因电流大于电压,所以元件本身的耗电率非常大。
此时,电力消耗还会引发集成电路本身的发热,无论是特性上,还是可靠性方面来看,都不是很好,所以不得不格外注意防热问题。
为了更加放心地使用集成电路,减少最大额定值的电压,电流,温度后进行使用会比较好。但是减少会出现可靠性和经济性的妥协点,还无法一律要求减少的数值,所以通常按照如下要求,可视其为标准。

电压最大额定值的70%~80%或以下

电力最大额定值的50%以下

电流最大额定值的80%以下

温度最大额定值的70%~80%或以下

对于这些减少,一些政府机关或机关制定使用标准或设计标准,限制其使用范围。

元件的偏差

在制造工艺上,自动化或制造技术的提高令人瞩目,通过发展和积极引进新技术,品质和可靠度每年都在不断提高。
因此,不仅工序可以达到完全自动化,而且通过引入全新的管理方法,可以说几乎不存在品质偏差。
但是半导体产品,其形状,结构,尺寸非常小,而且以物理化学技术为基础,虽然通过高精度的控制管理和精密技术制作而成,但是任何微小的偏差都会对特性产生巨大的影响。所以即使运用最新技术也很难保持产品的均一性。

耐环境性(耐環境性)

"The housings of semiconductor products are classified into the plastic resin-sealed type and the airtight-sealed type using metal. The plastic resin-sealed type, less expensive and possible to mass produce, recently has been employed in the majority of cases, covering application ranges from small signal to large power device.
This trend is backed by the facts that resins with high mechanical strength and excellent electrical insulation and resistance against environmental factors have been developed and employed, and that the reliability of this type has been greatly enhanced thanks to progress in molding techniques and surface treatment know-how.
The plastic resin-sealed type up to now has reached the level of the airtight-sealed type except concerning special environments, although devices are subjected to many environments in the markets.
Since the plastic resin-sealed type is not airtight, humidity in filtrates the device interior through the resin.
It is recommended employing the airtight-sealed type if the equipment or system is intended for use under a high humidity environment or when high reliability is required.Be careful not to directly expose semiconductor products to dust, harmful gases, salty (sea) air, radioactiverays, or similar environments; otherwise, they will suffer from unstable characteristics or rust in the lead wires."

可靠性试验的种类
种类 内容 规格
连续动作寿命试验 对元件进行长时间的电力性Stress(电压、电流)和温度Stress(包括负荷引起的温度上升),从而评估其耐性。

JESD22-A108

JIS C7021 B-4

MIL-STD 883E-105

Discrete 试验条件

Ta = 25℃ VC = VCEO MAX × 0.7, PC = PC MAX, 1008Hr

IC 试验条件

Ta = TOPR MAX, PD = PD MAX, 1008HR

高温动作寿命试验 在长时间的接受电力(电压、电流)及高温环境中,对元件实施压力(Stress)从而评估其耐性。

JESD22-A108

JEP47

IC 试验条件

TJ≥125℃ 或者 Topr max, VIN=VIN MAX 或者 Pd Max, 1000HR

间歇动作寿命试验 对元件进行间歇性的通电,在(On)状态和Off状态下,实施相等的温度的上升和下降,判断其可承受的电力条件,评估电力和机械性能。

MIL-STD 750D

JIS C7021 B-6

Ta = 25℃, ON/OFF Operation, △Tj≥100℃, Rated Cycles

高温逆压寿命试验 将元件经过长时间的电阻(逆电压)和温度控制(Ta = TJ MAX)进行耐性评估

JESD22-A108

JIS C7021 B-8

Ta = TJ MAX, VCB = VCBO MAX × 0.8, 1000Hr

高温高湿逆压寿命试验 让元件长时间的承受电气压力(逆向增压)、高温(85℃)、高湿(85%RH)环境条件,从而评估元件的电力、机械性能。

JESD22-A101

Ta = 85℃, RH = 85%, V(reverse) MAX × 0.8, 1000Hr

温度湿度偏压寿命试验 让元件长时间承受电气性stress高温(85℃)、高湿(85%RH)环境条件,评估元件的电力和机械性性能。

JESD22-A101

JEP47

IC 试验条件

Ta = 85℃, RH = 85%, VIN MAX × 0.8, 1000Hr

High Temperature Storage Life Test Evaluating tolerance of device through keeping a device in high temperature.

JESD22-A101

Ta = TSTG MAX, 1000Hr

高温保存寿命试验 将原件放置于高温之中,评估其耐性。

JESD22-A103

JIS C7021 B-10

Ta = TSTG MAX, 1000Hr

高温,高湿保存寿命试验 Evaluating the tolerance of the device during storage at high temperature and high humidity.

JESD22-A101

JIS C7021 B-11

Ta = 85℃, RH = 85%

铅耐热性试验 评估元件在焊接过程中承受热量的耐性。

JESD-B106

J-STD-020

JIS C7021 A-1

THD 试验条件s : TSOL = 400℃, 3sec Dip

SMD 试验条件s

Ta = 150℃, 24Hr Ta = 85℃, RH = 85%, 168Hr

TSOL = 265℃, 10sec Dip

温度循环试验( 气体) 当元件暴露在高温或低温下时,可以评估其耐热及耐寒性。

JESD22-A104

JIS C7021 A-4

Ta = TSTG MIN  TSTG MAX, 200Cycle

Moisture resistance Cycling Test Evaluating the temperature cycle and high moisture.

JESD22-A104

JIS C7021 A-4

Ta = -10℃ 25℃ 65℃ (1Cycle = 24Hr), 10Cycle

蒸汽加压试验 评估包装的密封性

JESD22-A102

JIS C7021 A-6

Ta = 121℃, RH = 100%, 2.0atm, 96 Hours

铅附着性试验 评估元件的铅的附着性

JESD22-B102

JIS C7021 A-2

Ta = 100℃, RH = 100%, 8Hr Aging  TSOL = 245℃ , 5sec

Vibration Test Evaluating the moisture resistance integrity of nonhermetic packaged.

JESD22-B103

JIS C7021 A-10

f = 100㎐ 2㎑ 100㎐, Acceleration = 20G, Direction = X, Y, Z, 4min 4time

端口强度试验 评估元件能否承受贴装或使用过程中对端扣的力量。

JESD22-B105

JIS C7021 A-11

Angle = 45˚, 3次

盐水喷雾试验 评估元件对盐水喷雾的耐腐蚀性

JESD22-A107

JIS C7021 A-12

Ta = 35℃, Salt Sol = 5%, 24Hr Spray

Reliability Test Standard
JEDEC 规格

JJESD22半导体元件的试验方法

EIAJ Electronic Industries Association Of Japan Standards

EIAJ ED-4701 半导体零件环境及耐性的试验方法

EIAJ ED-4702 表面贴装零件的环境及耐性的试验方法

美国军用规格(MIL规格) U.S Military Standards

MIL-STD-202 电器 & 电子零件试验方法

MIL-STD-750 半导体元件的试验方法

MIL-STD-883 极小电子零件试验方法及程序

JIS Japanese Industrial Standards

JIS C7021个别半导体元件的环境试验方法及耐性试验方法

JIS C7030半导体管的测定方法

JIS C7032半导体管的总则

JIS C7210保证可靠性的个别半导体设备通则

Reliability Assurance
  • 01
    制定产品战略
  • 02
    研究开发可能性
  • 03
    开发PP
  • 04
    评估可靠性(非定期)
  • 05
    开发完成
  • 06
    量产PP
  • 07
    评估可靠性(Lot Link)
  • 08
    量产(Start)
  • 09
    评估可靠性(定期)
  • 10
    产品出货
  • 非定期的可靠性

    为从可靠性角度验证开发品、材料/工程/实际费用变更等相应产品的评估(1000Hr评估)

  • Lot Link

    为确认量产试制品的量产性(有效性)而实施的评估
    (168Hr评估)

  • 定期可靠性

    为确认和保证批量生产中的产品可靠性质量,定期进行评估
    (1000Hr评估)