CC BY
821204
www.finestreet.ru
технологии I надежность компонентов
Тимур ЕДИГЕЕВ
edigeev@mege.ru
Надежность компонентов —
от практики к опыту и инновации
Пожалуй, многим производственникам знакома ситуация. Завод приобретает автомат для сварки кольцевых и радиальных швов — известный отечественный производитель, хорошие технические данные, качественная сварка. Покупка, монтаж, сдача/приемка. Все идет хорошо. И наступает момент, когда происходит отказ, автомат стоит, по гарантии производителя приезжает специалист, поиск неисправности, замена сгоревшего транзистора-ключа. Пуск установки, техпроцесс снова идет, проходит время и снова отказ того же силового транзистора. Все повторяется... Бывает, чтобы не мучиться и не тратить время на поиски неисправного элемента (неважно, ключевой это транзистор или линейка тиристоров), сразу, не глядя, меняется уже печально известный элемент или блок целиком. Пока действует гарантия — это обязательства производителя, а в послегарантийный период ремонт покрывается эксплуатационными расходами предприятия. Бывает, что где-то так и продолжают менять слабый элемент, а где-то персонал самостоятельно устраняет отказ раз и навсегда.
Другой пример. Промышленное предприятие проектирует, производит и поставляет технологическое оборудование для отечественных производителей и на экспорт. Зарубежный покупатель интересуется оборудованием, читает технические данные, иностранные специалисты приезжают воочию оценить установку перед покупкой. Предкон-трактные переговоры, «их» вопросы, наши ответы, эксплуатационная документация, схемы. И типичное требование покупателя-иностран-ца — в электронике должны стоять компоненты ведущих мировых производителей, но ни в коем случае не отечественного или китайского производства.
Два разных случая. В первом наш неприхотливый потребитель мирится с проблемой либо решает ее по-своему. Во втором покупатель не хочет иметь подобных проблем и обходит их заранее. А источник проблем один — низкая надежность электронных компонентов. Ведь любому потребителю нужно надежное и безотказное оборудование.
С надежным оборудованием, в том числе бытовым, мы хорошо знакомы. Вспомним хотя бы наши телевизоры 1980-90-х годов. Многие работают и сейчас, но много ли найдется желающих смотреть фильмы на них?
Безусловно, оборудование должно быть не только надежным, но и современным. И продукция большинства современных производителей вполне соответствует уровню High Performance, в переводе с английского — 1) высокая эффективность, 2) улучшенные рабочие характеристики, 3) высокое качество. Наглядный пример — сотовый телефон.
Период эксплуатации ограничен одним, максимум двумя годами, по истечении этого времени модель устаревает морально, хотя и продолжает работать.
Сегодня фактор морального старения безоговорочно учитывается всеми производителями высокотехнологичного оборудования еще на этапе проектирования. Соответственно, подбирается или разрабатывается элементная база, которая отработает без отказов весь период жизни изделия. Средняя продолжительность жизни отдельных компонентов, применяемых в военной и промышленной областях, приведена в таблице.
Отметим, что средняя продолжительность жизни обычных серийных элементов общего назначения или промышленного применения во много раз ниже, чем это требуется военными программами.
Требования к надежности постоянно повышаются с увеличением степени интеграции, миниатюризации элементов, снижением их веса, увеличением плотности монтажа. Из диапазона современного оборудования особо
Таблица. Средняя продолжительность жизни отдельных компонентов
Компонент Средняя продолжительность жизни элемента
Запоминающие устройства 9 мес.
Программируемая логика 1 год
Вентильные матрицы 2 года
Микропроцессоры 2 года
Цифровые сигнальные процессоры 3 года
Логические схемы 6 лет
Линейные элементы 8 лет
выделяются направления, где требования к надежности крайне высоки, — это космонавтика, авиация, флот, энергетика, транспорт, связь, машиностроение. И сегодня перед разработчиками стоят проблемы морального старения, ограничения рабочего пространства, требований к снижению веса, термических нагрузок, надежности компонентов и общей работоспособности готового изделия.
Так, на рубеже XX и XXI веков появляется самолет нового поколения. На смену традиционным гидравлическим системам приходит современная электроника. Электронные силовые системы, также как и традиционные гидравлические, встраиваются в крыло и фюзеляж самолета, и также подвержены воздействию экстремальных механических и температурных перегрузок. Несомненно, надежность электронных систем должна соответствовать надежности самолета в целом.
Чем же определяется надежность системы? Прежде всего отбором качественных исходных материалов, из которых изготавливаются компоненты. И к этому отбору должны предъявляться особые требования. Рассмотрим на примере обычного силового транзистора в корпусе SOT227, как сегодня ведущие мировые компании подходят к отбору и проверке элементов.
По мнению Semelab plc, ведущей европейской компании, специализирующейся в области технических решений, производства, тестирования и аттестации электронных компонентов требуемого уровня надежности (Hi-Rel, Military, Industrial), обычные транзисторы в стандартном корпусе (рис.1) не могут обеспечить высокую надежность в принципе.
надежность компонентов технологии 205
Рис. 1. Транзистор в корпусе SOT227
Рис. 3. а) Рентгенограмма обычного транзистора, не прошедшего испытаний, б) рентгенограмма транзистора высокой надежности
Обычные транзисторы при испытаниях в критических температурных условиях (квалификационные тесты при —50____+ 150 °С) вы-
ходят из строя задолго до завершения всего комплекса тестирования. Испытания включают в себя 1500 циклов, и все отказы транзисторов произошли за первые 250. Рентгенограмма тестируемого транзистора показывает образование пустот и расслоение подложки на месте крепления кристалла. На рис. 2 видно, что части расслоенной подложки остались на обеих половинках корпуса.
Серьезная опасность заключается в том, что некоторые транзисторы могут пройти электрические тесты низкого уровня даже при таком расслоении, когда они уже повреждены, поскольку компаунд еще продолжает удерживать вместе подложку и кристалл. Элементы транзистора внутри компаунда нагреваются по-разному, и из-за различных температурных коэффициентов расширения (ТКР) смещаются относительно друг друга, при этом происходят разрывы контактов и расслоение подложки.
Детальные исследования, проведенные компанией 8еше1аЬ р1с, доказывают, что обычный корпус транзистора никогда не обеспечит той надежности, которая требуется в современных системах летательных аппаратов.
Соответственно, 8еше1аЬ приняла решение изготовить структуру с совпадающими температурными характеристиками. Была отобрана силуминовая матрица — пластина на основе А1-Б1 с подложкой из нитрида алюминия АШ с одинаковыми температурными коэффициентами расширения. Для повышения надежности соединения проводников
Рис. 2. Вид подложки обычного транзистора
в нижней части использовано специальное защитное покрытие. Компаунд также подобран с учетом требуемого ТКР.
В результате надежность системы достигла требуемого уровня. Новый транзистор успешно прошел все 1500 циклов тестирования. Жесткий военный стандарт Military (MIL) требует, чтобы по завершении всех тестов общая площадь нарушенной структуры кристалла не превышала более 50% его площади. В транзисторе Semelab ее доля оказалась менее 1%. На рис.3 показаны рентгенограммы обычного и нового транзисторов после проведения тестов.
Цена нового транзистора, конечно, несколько выше, но отношение его стоимости к продолжительности жизни демонстрирует явные несоизмеримые ценовые преимущества перед обычным.
Результаты отбора и проведенных тестов доказывают, что продолжительность безотказной работы транзистора увеличена до уровня, когда система может работать безотказно на протяжении 30 лет и более. Подобную надежность компонента можно обеспечить только при соответствующем отборе исходных материалов и последующей отбраковке. Здесь
компания Semelab plc является законодателем процедур тестирования компонентов.
Процесс отбора и приемки транзистора, выполняемый компанией, включает в себя два этапа: приемка корпуса и монтажа, приемка кристалла (рис. 4, 5).
Чтобы исключить саму возможность брака, все исходные материалы тщательно испытываются и отбираются, процесс завершается пробной сборкой.
Типовые процедуры отбраковки дискретных компонентов и микросхем, принятые Европейским комитетом электротехнических стандартов компонентов электронных схем (CECC), приведены, соответственно, на рис. 6 и 7. Серии испытаний включают в себя различные этапы отбора для разных типов приемок готовых компонентов — ESA, Military, Industrial и других.
Каждой партии готовых изделий присваивается уникальный код, в котором содержится информация обо всех этапах ее технологической обработки. Процесс отбора кристалла может включать длительные (более 1000 часов) испытания его электрических характеристик в экстремальных условиях. Главная цель испытаний — обеспечение гаран-
Отбор исходных материалов
Процедура приемки корпуса/монтажа
Исходные детали 1 V
Тест на вибропрочность
Визуальный контроль
1 Циклические
Размеры температурные тесты
1 1
Коррозийная стойкость Перезагрузки
| 1
Механическая прочность Тесты герметичности
| 1
Визуальный отбор кристаллов Тесты на пригодность к пайке
I 1
Сборка пробных деталей Электрические испытания
1 Приемка отобранных деталей
Входной контроль
Рис. 4. Процедура приемки корпуса и монтажа
206 I технологии I надежность компонентов
тии, что кристалл будет работать стабильно в начале испытательного периода, и его свойства останутся неизменными в течение этого периода и всего срока службы. Кристаллы и механические детали, предназначенные для работы в «сверхнадежных» отраслях, например в производстве космических кораблей, подвергаются более тщательной аттестации.
Все компоненты, прошедшие полную аттестацию Европейского комитета электротехнических стандартов компонентов электронных схем (CECC), проходят контроль одного из классов A, B, C и D — от сквозного контроля «партия за партией» до периодического контроля — или могут пройти дополнительную отбраковку на любом из четырех уровней (рис. 6, 7).
Готовая продукция компании отвечает требованиям высокой надежности — это полупроводниковые элементы для авиакосмического комплекса, силовые полупроводниковые элементы и модули, высокочастотные компоненты MOSFET, оптоэлектронные компоненты и системы, специализированные заказные системы и элементы, изготовленные согласно требованиям заказчика. Безусловно, пройдя свои «огонь, воду и медные трубы» тяжелых приемочных испытаний, компоненты десятилетиями работают без сбоев в условиях механических перегрузок, экстремальных перепадов температур, влажности и давления. Компоненты высокой надежности успешно применяются ведущими европейскими и международными космическими программами, авиационными компаниями, армией, флотом, промышленными компаниями — это программы Inmarsat, Artemis, Odissey, Skynet, Globalstar, новый аэробус A380 и другие.
Многолетний опыт компании и инновации реализованы в широком спектре ее современной продукции, доступной сегодня в России и представленной следующими направлениями:
• авиация и космонавтика;
• силовая электроника;
• высокочастотные компоненты (RF);
• оптоэлектроника;
• системы.
Продукция Semelab сертифицирована действующими международными стандартами BS9000, BS EN ISO 9001, CECC 50000, CECC 90000, BSCC QPL approval, DSCC QML approval, ESA SCC 5000, SCC 9000, STANAG и другими стандартами НАТО, Великобритании, Франции и, безусловно, достойна отечественного потребителя.
С номенклатурой и характеристиками компонентов высокой надежности, а также с процедурами их отбора и приемки подробнее можно ознакомиться непосредственно на сайтах компании Semelab plc. ■
Литература
1. http://www.semelab.com
2. http://www.apls.ru
Отбор исходных материалов
Процедура приемки кристалла Исходная пластина
I
Нарезка пластины
Промывка и сушка
Разбивка на кристаллы
Сортировка кристаллов
Аттестация кристаллов
Пригодные кристал лодержател и
__________і__________
Очистка
Присоединение кристалла
Контроль присоединения кристалла
Соединение алюминиевыми проводниками
Контроль соединения проводников
100%-ная оптическая проверка
Контроль герметизации
Заключительная инспекция перед монтажом
Вакуумный обжиг
Заключительная
герметизация
Ж
Конечная приемка
Прогноз электрических параметров
Приемочные тесты на качество
X
168 часов электрических испытаний
Заключительная приемка партии кристаллов
Принятый кристалл, пригодный для производства
Рис. 5. Процедура приемки кристалла
Процедура отбраковки согласно требованиям Европейского комитета СЕСС (дискретые компоненты)
Этап отбора
Внутренний 100% визуальный осмотр
24-часовое хранение при высокой температуре
Быстрое изменение температуры Испытание на воздействие ускорения
Грубая и точная проверка герметичности
Проверка и учет электрических характеристик
Проверка 168-часовой термообработки (для не имеющих упрочненного поверхностного слоя металла) или приложение обратного смещения при повышенной температуре (для имеющих упрочненный поверхностный слой металла)
Проверка и учет электрических характеристик
Серия А Серия В Серия С Серия D
Рис. 6. Процедура отбраковки дискретных компонентов
надежность компонентов І ТЄХНОЛОГИИ 12071
Процедура отбраковки согласно требованиям Европейского комитета СЕСС (линейные микросхемы)
Этап отбора
100% внутренний визуальный контроль. Уровень А Хранение при высокой температуре в течение 24 ч. Резкая смена температуры
Ударное воздействие
Испытание на воздействие ускорения (по направлениям)
Тонкая и грубая проверка герметичности
Проверка электрических характеристик
Термообработка под воздействием высокой температуры продолжительностью 240 ч.
Проверка электрических характеристик
Приложение обратного смещения при повышенной температуре с выдержкой 72 ч.
Проверка электрических характеристик
Контроль с помощью рентгеновских лучей или гамма-лучей
Серия А Серия В Серия С Серия О
(VI
У2)
(У1)
(У1)
Рис. 7. Процедуры отбраковки линейных микросхем
