详谈元器件失效及存储

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1、元器件总体分类

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元器件可分为元件、器件两大类。元件又细分为电气元件和机电元件。

元件指在工厂生产加工时不改变分子成分的成品，如电阻器、电容器、电感器。它们本身不产生电子，对电压、电流无控制和变换作用。器件指在工厂生产加工时改变了分子结构的成品，例如晶体管、电子管、集成电路，本身能产生电子，对电压、电流有控制、变换作用（如放大、开关、整流、检波、振荡和调制等），又称电子器件。电子器件包括半导体分立器件、集成电路、真空电子器件、光电子器件等。另外，将电声器件和电池等归为其他元器件类。

2、元器件存储

我国大多数装备电子产品的研制周期较长，且产品列装使用后还需要维修，而元器件(尤其是进口元器件)更新换代是比较快的，往往装备在研制过程中，某些进口元器件已不生产，或定型后使用需要维修时，有些元器件已经“断档”。为了解决这一矛盾，通常在采购时留有足够的余量，以解决装备研制的需要；而且元器件订货量大，单价相对来说就低，也有利于节约费用。作为元器件的采购方和使用方普遍采取“一次采购、多次使用”的方式，这不仅能取得一定的经济效益，也有利于保证装备产品的研制进度。而另一方面，元器件生产厂家也希望“一次技产、多次供货”以降低生产成本。但“一次订货，多次使用”或“一次投产、多次供货”主要取决于元器件允许长期储存的期限，以及超过了规定的储存期限后，需要通过必要的检测，才能验证元器件的质量与可靠性仍能满足装备研制的要求。

元器件的储存可靠性以及储存期的长短主要与下列因素有关。

• (1)由设计、工艺和原材料决定的元器件固有质量状况。
• (2)元器件储存的环境条件。
• (3)元器件的不同类别。
• (4)装备的可靠性要求。　　
  
  

3、元器件储存环境

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多数元器件的总规范和详细规范中规定了元器件的储存环境，SJ 331《半导体集成电路总技术条件》规定了半导体集成电路储存的温度范围为-10℃～40℃，相对湿度不大于80% ；美国军用标准和我国军用标准规定半导体器件的储存环境温度范围要宽一些。这些标准中规定的储存环境都是不允许超过的范围，并非元器件储存的最佳环境。根据国家标准GB 4798.1《电工电子产品应用环境:储存》，对于某些存放精密仪器仪表、元器件的仓库环境条件的级别定为最高级别，其主要的气候环境条件为:温度:20℃～25℃；相对湿度:20%～70%；气压:70kPa～106kPa。这三项储存的气候环境条件中，对元器件储存可靠性影响较大的是温度和相对湿度，气压影响的程度相对较小。储存环境除了气候环境对元器件的有效储存期有影响外，GB 4798.1中还规定了其他环境(如特殊气候环境(辐射等)、生物环境(霉菌、白蚁等)、化学活性物质(有害气体等)、机械活性物质(砂、尘等))。此外，振动、冲击等机械环境对元器件储存可靠性和储存期的长短也有很大影响。

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GJB/Z 123《宇航用电子元器件有效储存期及超期复验指南》中均规定了元器件的储存环境条件：元器件必须储存在清洁、通风、无腐蚀气体并有温度和相对湿度指示仪器的厂所。

　　

储存环境条件的分类见表　　

• （1）对静电放电敏感的元器件(如MOS器件、微波器件等)，应采取静电放电防护措施。
• （2）对磁场敏感但本身无磁屏蔽的元件，应存放在具有磁屏蔽作用的容器内。
• （3）非密封片式元器件应存放在充惰性气体密封的密封容器内，或存放在采取有效去湿措施(如加吸湿剂、防氧化剂等)的密封容器内。
• （4）微电机等机电元件的油封及单元包装应保持完整。
  
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4、元器件储存失效机理
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影响元器件储存可靠性和储存期长短的主要因素是元器件本身包含的各种缺陷，凡系统中含有存在缺陷的元器件都不能满足系统长期储存的要求，无缺陷或缺陷少的元器件就能满足系统十几年甚至是20年的长期储存要求。美国桑迪亚国家实验室(SNL)收集了美国国防部的部分高可靠微电子器件(如MOSLSI、双极型SSI)在非工作状态下的大量储存数据，储存期为8年-10年，甚至20年以上。数据分析表明，非工作状态下元器件的储存失效并非单纯地呈指数分布规律，其失效在较大程度上由设计、制造和生产过程的质量监控失误造成的缺陷所引起。

对长期库房储存试验和延寿试验的失效样品分析表明，失效的主要原因是由于器件内部水汽影响，其次是芯片、引线脱落。不同类别元器件常见储存失效模式和失效机理见表2。元器件储存失效包括内部结构失效和与封装、键合有关的外部结构失效，而外部结构失效在储存失效中占主要部分，包括封装漏气失效、引线焊接失效、外引线腐蚀断裂等，是由于元器件在储存温度、湿度等环境应力的作用下潜在的外壳、封装工艺缺陷而导致失效。

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5、有关元器件储存期的定义

• 储存期ts：元器件从生产完成并检验合格后至装机前在一定的环境条件下存放的时间。
• 有效储存期tvS：一定质量等级的元器件在规定的储存环境条件下存放，其批质量能满足要求的期限。
• 基本有效储存期tBVS：未考虑元器件质量等级的有效储存期。
• 储存质量系数CSQ：根据元器件的不同质量等级，对基本有效储存期的调整系数。
• 超期复验：超过有效储存期的元器件，在装机前应进行的一系列检验。
• 继续有效期：超期复验合格的元器件在规定的储存环境条件下存放，其批质量能满足要求的期限。
  
  

6、元器件储存期计算

元器件的储存期的起始日期通常按以下原则计算获得。

• （1）经过二次(补充)筛选，其筛选项目和条件不少于相关规定的相应超期复验 中非破坏性检验项目，且二次(补充)筛选完成日期或生产日期不超过12个月的元器件，可按二次(补充)筛选报告上(批合格)筛选完成的日期计算。
• （2）元器件上打印的生产日期(或星期)代码(号)，如进口器件代码“9908” 表示1999年第8周生产；凡仅有年月而无日期的均按该月15日计算(如果为星期代号，则按星期四的日期计算)。
  
• （3）按产品合格证上的检验日期计算。
  
• （4）按包装容器上的包装日期提前一个月计算。
  
• （5）按元器件验收日期提前两个月计算，如果验收时能确定元器件的生产日期，则应按生产日期计算。
  
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当得到元器件的储存期的起始日期后，元器件的储存期即是从元器件储存的起始日期至预定装机日期的时间。

　　

7、元器件有效储存期

元器件的有效储存期与元器件的材料、结构和储存的环境条件有关。不同类别的元器件由于结构等差异，其有效储存期也将有所不同。有些元器件的产品规范(总规范或详细规范)中规定了元器件的储存期限，这些规定的期限在一定程度上就是“有效储存期”。

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较早的美国军用军标准MIL-S-19500E《半导体器件总规范》中规定了库存超过12个月的半导体分立器件，交货时要进行重新检验的程序，可以认为标准规定了半导体分立器件的“有效储存期”为12个月；而20世纪90年代发布的MIL-S-19500J规定了库存超过36个月的半导体分立器件，交货时要进行重新检验的程序，表明随着半导体器件制造技术的进步，半导体分立器件的“有效储存期”亦随之延长。

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美国军用标准MIL-M38510《微电路总规范》规定了微电路的“有效储存期”:20世纪80年代时为24个月，20世纪90年代已延长为36个月。此外，欧洲空间局(ESA)标准ESAPSS01-60《ESA空间系统的元器件选择、采购和控制》以及欧洲空间标准化合作组织(ECSS)标准ECSS-Q-60A《空间产品保证电子、电气和机电元器件》均规定了从制成到预计装机日期超过了60个月的库存元器件，装机前应进行复验程序。

目前我国军用“七专”元器件，也有部分元器件的技术条件规定了“有效储存期”。如QZJ 840620规定了射频插头座在环境温度为5℃-35℃、相对湿度不大于80%的库房中储存60个月内应具有使用性；QZJ 840621规定了石英谐振器出厂后，在正常的存放条件下，96个月内的频率变化应在补充技术条件规定的范围内。有效储存期作为元器件的质量指标应该由元器件生产厂家给出，而大多数国内生产厂家要做到这一点还存在一定的困难。在元器件生产厂家不能提供的情况下，通常在总结经验的基础上，参照国内外经验自行规定元器件的有效储存期。元器件的有效储存期与储存的环境条件有关，但在美军标准及欧洲空间机构的同类标准都未说明36个月或60个月是在怎样的储存环境下的有效储存期。对此只能理解为欧美的仓库环境条件较好，或已达到相当于I类的储存环境条件。不同的元器件其结构和材料等有一定的差异，所以其有效储存期也不尽相同，欧洲空间机构类似的标准化文件将元器件的有效储存期一律定为60个月，这种做法不一定很科学。元器件的有效储存期与元器件的质量等级有关，但在美军标准及欧洲空间机构的类似标准中都未说明元器件的质量等级。

8、元器件的超期复验

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美国军用标准MIL-S-19500规定半导体分立器件库存超过了36个月，交货时要通过电参数测试和外观检查；MIL-M-38510规定集成电路库存超过了36个月，交货时要通过电参数测试。欧洲空间局标准ESA-01-60以及欧洲空间标准化合作组织ECSS标准ECSS-Q-60A规定超过60个月的库存元器件，装机前应进行复验。这两个管理标准规定的复验程序包括电参数测试、外观目检、密封性检查和破坏性物理分析等。

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储存期超过有效储存期的元器件应按一定的程序进行复验，复验通过的元器件，才能作为合格品用于装备型号正（试）样上。

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以下简要介绍我国军用元器件超期复验的要求。

A、超期复验的分类

元器件的超期复验需按照超过有效存储期时间的长短进行分类。

元器件的超期复验超过有效储存期的时间分为A、B、C三类。

• （1）储存期已超过有效储存期，但未超过1.3倍的为A类。
  
• （2）储存期已超过有效储存期1.3倍，但未超过1.7倍的为B类。
  
• （3）储存期已超过有效储存期1.7倍，但未超过2.0倍的为C类。
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除非另有规定，超过有效储存期2.0倍的元器件不得进行超期复验；对于已通过了A、B类超期复验，而且其总储存期未超过有效储存期2.0倍的元器件，允许按C类进行第二次超期复验；已经过C类超期复验的元器件，不得再次进行超期复验。
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不同的装备研制，可根据需要对上述分类进行细化或剪裁，某航空型号的《元器件储存管理规定》中规定按有效储存期的长短分为A、B两类。

• （1）储存期已超过有效储存期，但未超过1.5倍的为A类。
  
• （2）储存期已超过有效储存期1.5倍，但未超过2.0倍的为B类。
  
  
  

B、元器件超期复验的要求

通常情况下，储存期超过有效储存期的元器件必须按相关技术文件的检验过程进行复验，通过复验的元器件，才能作为合格品装机使用，未经复验的超期元器件不得装机使用。超过有效储存期2.0倍的元器件不得进行超期复验。

在复验过程中发现致命缺陷（功能失效）或严重缺陷的元器件，应进行失效分析；如果分析结果表明缺陷为批次性，则同一生产批的元器件不得用于型号产品。
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复验合格的元器件应继续在规定的环境条件下存放；复验不合格的元器件应严格隔离。以下简要介绍元器件超期复验要求。

A类超期复验要求

A类超期复验时元器件储存期超过有效储存期的时间不长，重点检查对元器件的外观、电性能以及密封情况；

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B类及C类超期复验要求

B类或C类的超期复验时元器件储存期超过有效储存期的时间较长，除按A类超期复验 的要求进行复验，还要重点对检查元器件的引出端可焊性以及引出端的强度，对于某些类别的元器件还要抽样进行破坏性物理分析检测。

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有关元器件DPA的方法及批不合格判据，规定如下：

（1）分立器件按GJB 128A方法2072~2075、2037、2017分别进行内部目检、键合强 度和芯片剪切检验；集成电路按GJB 548B方法2013、2011.1、2019.2分别进行内部目检、键合强度和芯片剪切检验。检验结果如果发现腐蚀等批次性失效模式，则整批不得装机使用。

（2）对非固体钽电容器进行内部目检，当发现内壁有腐蚀孔或普遍腐蚀的现象，则整批不得装机使用。

（3）对密封继电器、石英谐振器、振荡器等进行内部目检，当发现内部有腐蚀现象，则整批不得装机使用。

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器件应该妥善保存，以确保其可靠性