引言

在半導(dǎo)體器件的可靠性評(píng)價(jià)體系中，機(jī)械與氣候試驗(yàn)是確保產(chǎn)品在運(yùn)輸、安裝及使用過(guò)程中耐受環(huán)境應(yīng)力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中，振動(dòng)應(yīng)力廣泛存在于汽車電子、工業(yè)控制、航空航天等應(yīng)用場(chǎng)景。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4937.12-2018《半導(dǎo)體器件 機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法 第12部分：掃頻振動(dòng)》為半導(dǎo)體器件及半導(dǎo)體設(shè)備提供了統(tǒng)一的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)程序，用于評(píng)估其結(jié)構(gòu)完整性與機(jī)械可靠性。本文對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容進(jìn)行解讀。

一、標(biāo)準(zhǔn)適用范圍

GB/T 4937.12-2018規(guī)定了對(duì)半導(dǎo)體器件、組件及半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)行掃頻振動(dòng)試驗(yàn)的方法。該試驗(yàn)通過(guò)在一定頻率范圍內(nèi)連續(xù)往復(fù)掃描，模擬器件在運(yùn)輸或使用中可能遭受的振動(dòng)環(huán)境，以檢測(cè)器件是否出現(xiàn)機(jī)械損傷、引線斷裂、焊點(diǎn)開(kāi)裂、芯片脫落或電參數(shù)漂移等失效模式。適用于器件研發(fā)階段的可靠性驗(yàn)證、質(zhì)量鑒定、生產(chǎn)線抽樣以及失效分析。

二、試驗(yàn)原理與設(shè)備要求

掃頻振動(dòng)試驗(yàn)的基本原理是：將樣品固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，控制振動(dòng)臺(tái)按照規(guī)定的頻率范圍、振動(dòng)量級(jí)（加速度或位移）和掃描速率進(jìn)行正弦掃頻激勵(lì)，并監(jiān)測(cè)樣品在振動(dòng)過(guò)程中的電性能以及振動(dòng)前后的機(jī)械狀態(tài)。

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備提出以下主要要求：

1. 振動(dòng)臺(tái)：能夠產(chǎn)生正弦振動(dòng)，頻率范圍應(yīng)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)頻率范圍，通常為10 Hz至2000 Hz甚至更高，具體取決于器件類型和試驗(yàn)等級(jí)。
2. 控制系統(tǒng)：具備線性或?qū)?shù)掃頻能力，掃頻速率可調(diào)，振動(dòng)幅值控制精度應(yīng)在±10%以內(nèi)。
3. 夾具：應(yīng)具備足夠剛度，避免夾具自身共振影響試驗(yàn)結(jié)果；夾具與樣品的安裝方式應(yīng)模擬實(shí)際使用狀態(tài)或由相關(guān)規(guī)范規(guī)定。
4. 監(jiān)測(cè)儀器：用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中樣品的電參數(shù)（如通斷、漏電流）以及振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的加速度和頻率，確保試驗(yàn)條件符合規(guī)定。

三、試驗(yàn)條件與嚴(yán)酷等級(jí)

標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定統(tǒng)一的試驗(yàn)條件，而是由相關(guān)器件詳細(xì)規(guī)范或用戶根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選取。典型的試驗(yàn)參數(shù)包括：

• 頻率范圍：例如10 Hz～55 Hz、10 Hz～500 Hz、10 Hz～2000 Hz等。
• 振動(dòng)幅值：可采用恒定加速度（如5g、10g、20g）或恒定位移（如0.75 mm、1.5 mm），在低頻段（通常低于交越頻率）采用恒定位移控制，在高頻段采用恒定加速度控制。
• 掃頻速率：一般為每分鐘一個(gè)倍頻程（1 oct/min）或每分鐘若干個(gè)倍頻程。
• 試驗(yàn)方向：通常要求在三個(gè)相互垂直的方向（X、Y、Z）上各進(jìn)行一次掃頻循環(huán)，或按詳細(xì)規(guī)范規(guī)定。
• 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間：以掃頻循環(huán)次數(shù)或總時(shí)間表示，常見(jiàn)為2小時(shí)/方向或每個(gè)方向若干次循環(huán)。

標(biāo)準(zhǔn)允許在振動(dòng)試驗(yàn)期間進(jìn)行電性能監(jiān)測(cè)，以便實(shí)時(shí)捕捉瞬時(shí)失效。

四、試驗(yàn)程序與失效判據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的典型試驗(yàn)程序如下：

1. 預(yù)處理：樣品應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下放置足夠時(shí)間，并進(jìn)行初始電參數(shù)測(cè)量和外觀檢查。
2. 安裝：將樣品按規(guī)定的安裝方式固定在振動(dòng)臺(tái)上，確保安裝牢固且不引入額外應(yīng)力。
3. 初始檢測(cè)：記錄樣品電參數(shù)及機(jī)械狀態(tài)。
4. 掃頻振動(dòng)：按照規(guī)定的頻率范圍、幅值、掃頻速率和方向進(jìn)行掃頻振動(dòng)，并在試驗(yàn)中或試驗(yàn)后監(jiān)測(cè)試樣的電性能。
5. 最終檢測(cè)：試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)樣品進(jìn)行外觀檢查、電參數(shù)測(cè)量以及必要的密封性、內(nèi)部水汽含量等分析。

失效判據(jù)通常包括：

• 外觀機(jī)械損傷，如封裝破裂、引線斷裂、焊點(diǎn)開(kāi)裂等；
• 電參數(shù)超出詳細(xì)規(guī)范規(guī)定的允許偏差；
• 試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)瞬時(shí)開(kāi)路、短路或性能退化，且無(wú)法恢復(fù)。

只有所有樣品均通過(guò)規(guī)定檢測(cè)，才判定試驗(yàn)合格。

五、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

在實(shí)際執(zhí)行GB/T 4937.12-2018時(shí)，需注意以下要點(diǎn)：

第一，嚴(yán)酷等級(jí)應(yīng)根據(jù)器件實(shí)際應(yīng)用環(huán)境確定，不可盲目選用高量級(jí)。過(guò)高的振動(dòng)應(yīng)力可能引入非代表性失效，導(dǎo)致過(guò)度設(shè)計(jì)或誤判。建議參考相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)（如汽車電子的AEC-Q100、AEC-Q101，或航空航天標(biāo)準(zhǔn)）來(lái)確定振動(dòng)條件。

第二，夾具設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。建議對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)分析或傳遞函數(shù)測(cè)量，確保在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)無(wú)明顯共振峰；同時(shí)應(yīng)盡量減小夾具質(zhì)量，提高安裝剛度。

第三，振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中推薦進(jìn)行在線電性能監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)多引腳器件，應(yīng)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵引腳間的通斷和漏電流，以便發(fā)現(xiàn)早期失效。

第四，對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)備（如封裝設(shè)備、測(cè)試設(shè)備中的關(guān)鍵器件）的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，可能還需要考慮整機(jī)對(duì)器件的反向作用，即器件失效也可能由整機(jī)內(nèi)部布局引起，故建議在整機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。

第五，掃頻速率不宜過(guò)快，過(guò)快的掃頻可能導(dǎo)致樣品來(lái)不及響應(yīng)峰值加速度而遺漏共振點(diǎn)。推薦在掃頻之前先進(jìn)行低量級(jí)共振搜索，確定關(guān)鍵頻率，再進(jìn)行固定頻率或慢速掃頻耐久性試驗(yàn)。

第六，相同系列器件可選擇有代表性的樣品進(jìn)行試驗(yàn)，但試驗(yàn)結(jié)果只對(duì)受試樣品及其相同工藝批有效的結(jié)論，慎重推論。

結(jié)論

GB/T 4937.12-2018為半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體設(shè)備的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)提供了科學(xué)、規(guī)范的試驗(yàn)框架。合理執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效篩選出在機(jī)械振動(dòng)環(huán)境下易失效的器件，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)、工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制提供依據(jù)。隨著我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向高可靠性領(lǐng)域不斷邁進(jìn)，正確理解和應(yīng)用掃頻振動(dòng)試驗(yàn)方法，對(duì)于提升國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體器件的環(huán)境適應(yīng)性和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。