鉑膜溫度傳感器可靠性定級(jí)加速試驗(yàn)研究

1、第 30卷 第 6期 2009年 6月儀 器 儀 表 學(xué) 報(bào)Chinese Journal of Scientific I nstru mentVol 130No 16Jun . 2009 收稿日期 :2008209 Received Date:2008209 3基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金 (60072002 資助項(xiàng)目鉑膜溫度傳感器可靠性定級(jí)加速試驗(yàn)研究3郭建英 , 丁喜波 , 孫永全 , 劉新華(哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院 哈爾濱 150080摘 要 :針對(duì)電子元器件可靠性定級(jí)試驗(yàn)面臨的困難 , 。 在分析失效機(jī)理的基礎(chǔ)上 , 選定了 A rrhenius 加速模型 , , 完成

2、鉑 膜溫度傳感器可靠性定級(jí)加速試驗(yàn) 。 結(jié)果表明 , , , 對(duì)工程實(shí)踐有重要參考價(jià)值 。 關(guān)鍵詞 :失效率 ; 鉑膜溫度傳感器 ; ; 中圖分類(lèi)號(hào) :T B114. 3:410Research on reli a b ility grad i n g accelera ti on test of Pt f il m te m pera ture sen sorGuo J ianying, D ing Xibo, Sun Yongquan, L iu Xinhua(D epart m ent of M easure m ent Technology and Instrum ent, Harbi

3、n U niversity of Science and Technology, Harbin 150080, China Abstract:I n vie w of the issue that is difficult t o do failure rate grading test f or electr onic components, according t o the research on Pt fil m te mperature sens or reliability, a realizable accelerati on test method is discussed i

4、n the paper . Based on the analysis of failure mechanis m , A rrhenius accelerati on test model is selected, the para meters E and C is evaluated , the Pt fil m te mperature sens or test syste m is used, and a ne w accelerate life test p lan for grading test of Pt fil m te mperature sens or is devel

5、 oped . The result of sa mp les sho ws that this method can reduce test ti m e signifi 2cantly with the sa me number of sa mp les . It is valuable in p ractical engineering .Key words:failure rate; Pt fil m te mperature sens or; reliability grading test; the accelerate life test1 引 言鉑膜溫度傳感器是一種比較成熟的傳

6、感器 , 目前國(guó)產(chǎn)鉑膜溫度傳感器的失效率等級(jí)可以達(dá)到六級(jí) ( 10-6/h ; 進(jìn)一步提高能夠達(dá)到七級(jí) ( 10-7/h 。 伴隨其可靠性不斷 提高 , 在開(kāi)展可靠性定級(jí)試驗(yàn)、 維持試驗(yàn)及升級(jí)試驗(yàn)時(shí) , 面臨 著 “ 抽樣數(shù)增大、 試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)、 經(jīng)費(fèi)增加 ” 的困惑 , 其工作量 和消耗使生產(chǎn)企業(yè)及檢測(cè)部門(mén)都難以適從123。 為此 , 常規(guī)的按國(guó)標(biāo)實(shí)施的可靠性定級(jí)試驗(yàn)方法受到了質(zhì)疑 , 而采用加 速壽命試驗(yàn)的方法應(yīng)該受到關(guān)注。2 常規(guī)可靠性定級(jí)試驗(yàn)剖析根據(jù) G B1772279“ 電子元器件失效率試驗(yàn)方法 ” 要求 , 是采取隨機(jī)抽樣方式 , 通過(guò)壽命試驗(yàn)實(shí)施可靠性定級(jí)試驗(yàn)。當(dāng)置信概率為 =

7、0. 6時(shí) , 失效率為六級(jí)的總試驗(yàn) 元件小時(shí)數(shù)應(yīng)超過(guò) 0. 916×106h; 失效率為七級(jí)的總試 驗(yàn)元件小時(shí)數(shù)應(yīng)超過(guò) 0. 916×107h 。對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方案列 于表 1和表 2。表 1 失效率六級(jí)的定級(jí)試驗(yàn)方案Table 1Grad i n g test project of fa ilure ra te 6失效數(shù) r抽樣數(shù) n =50抽樣數(shù) n =100抽樣數(shù) n =2000 18320h 9160h 4580h 1 40440h 20200h 10100h 2 62200h 31100h 15550h 1130 儀 器 儀 表 學(xué) 報(bào) 第 30卷表 2 失效率七級(jí)

8、的定級(jí)試驗(yàn)方案Table 2Grad i n g test project of fa ilure ra te 7 失效數(shù) r抽樣數(shù) n =50抽樣數(shù) n =100抽樣數(shù) n =2000 183200h 91600h 45800h 1 404400h 202000h 101000h 2 622000h 311000h 155500h 從表中可以看出 , 為縮短壽命試驗(yàn)的時(shí)間 , 只有增大抽 樣數(shù)或減少允許失效數(shù)。 盡管如此 , 當(dāng)取 r =0, n =200時(shí) , 失 效率六級(jí)定級(jí)試驗(yàn)的時(shí)間仍不低于 4580h, 失效率七級(jí)定級(jí) 試驗(yàn)的時(shí)間則不低于 45800h 。 如果取置信概率 =0. 9

9、, 則 試驗(yàn)時(shí)間還要增加一倍左右。 不僅增加了試驗(yàn)成本 , , 重 , 幾乎不能實(shí)施3。 共性 , 為此 , 這一問(wèn)題的重要途徑之一4。3 鉑膜溫度傳感器加速壽命試驗(yàn)3. 1 失效機(jī)理剖析在研制過(guò)程中 , 對(duì)鉑膜溫度傳感器進(jìn)行多種環(huán)境試驗(yàn)、 極限應(yīng)力篩選試驗(yàn)、 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)和伴隨修正的可靠性 增長(zhǎng)試驗(yàn) , 并對(duì)失效器件進(jìn)行了失效分析526。 為探明失效原因及失效機(jī)理 , 做了微觀解剖分析。 圖 1是部分典型失效 器件經(jīng) Nova Nano SE M FE 公司生產(chǎn)的掃描電鏡拍攝的微觀 組織結(jié)構(gòu)圖片 , 主要失效原因可分為 4類(lèi) :1 組織不均勻改 變 , 影響電阻率變化致超差 ; 2 空洞

10、形成與擴(kuò)展 , 增加不確定 性 ; 3 質(zhì)影響導(dǎo)電性 , 一定條件下會(huì)惡化 ; 4 引線(xiàn)處有裂紋 , 逐漸擴(kuò)散到基片 ,導(dǎo)致斷路。圖 1 失效器件掃描電鏡圖片F(xiàn)ig . 1Pictures of scanning electr on m icr oscope for failure device在微觀分析基礎(chǔ)上做了故障解析 , 研究認(rèn)定高溫下將 會(huì)促進(jìn)敏感膜及信號(hào)輸出線(xiàn)路導(dǎo)電率劣化。 為進(jìn)一步探 明失效機(jī)理與溫度的關(guān)系 , 曾抽取某型鉑膜溫度傳感器樣 件 64只分成 4組分別作 100 、 200 、 300 、 400 的高 溫運(yùn)行試驗(yàn)。 采用每天加熱、 控制、 保溫循環(huán)操作 , 均經(jīng)歷40

11、天后 (約 1000h 恢復(fù)常溫并在標(biāo)準(zhǔn)溫度 0 下再進(jìn)行電阻變化率測(cè)試。 經(jīng)對(duì) 4組樣件測(cè)試 , 其電阻平均值偏差 列于表 3。 高溫下引起鉑膜電阻的不完全可逆變化 , 構(gòu)成 了此類(lèi)傳感器的主要失效機(jī)理和原因。表 3 電阻變化平均偏差Table 3Average dev i a ti on of resist ance change分組 1100. 011599. 9894100. 1083100. 0432驗(yàn)后 0 標(biāo)稱(chēng)電 阻平均值 R /100. 012299. 9910100. 1460100. 8974偏差 R /+0. 0007+0. 0016+0. 0337+0. 8542 經(jīng)曲

12、線(xiàn)擬合得方程式 :R =0. 2671exp 0. 0316Q (1式中 :Q 為實(shí)驗(yàn)溫度 , 取攝氏溫度 。據(jù)此可以看出鉑膜敏感體電阻值受工作溫度影響呈 指數(shù)變化 , 反映出高溫下引起的性能退化的規(guī)律 728, 并得出如下結(jié)論 :1 此類(lèi)器件用于溫度測(cè)量 , 長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致測(cè)量誤差劣化 , 由此引起的失效與敏感膜及線(xiàn)路導(dǎo)電率變化相關(guān) ; 第 6期 郭建英 等 :鉑膜溫度傳感器可靠性定級(jí)加速試驗(yàn)研究 11312 在高溫環(huán)境下會(huì)加速其測(cè)量誤差劣化過(guò)程 ;3 敏感膜及線(xiàn)路導(dǎo)電率發(fā)生質(zhì)的變化與材料的化學(xué)物理性能及微觀組織結(jié)構(gòu)改變密切相關(guān) , 根據(jù)式 (1 可以認(rèn)為其失效機(jī)理基本符合 A rrheni

13、 w s 方程 。3. 2 Arrhen i ws 加速模型建模A rrheni w s 方程 :Mt =Aexp -E /kT (2式中 :M /t 為溫度 T 時(shí)的化學(xué)退化速率 , T 取絕對(duì)溫度 ; k =0. 8617×1024eV /K (K :絕對(duì)溫度單位 是 Boltz 2man 常數(shù) ; A 是待定參數(shù) ; E 為失效激活能 , 對(duì)同一類(lèi)器件的同一失效模式視為定數(shù) 。將式 (2 積分得到退化量 M :M =A t exp -/(3退化量 M 與溫度 t , 取不同兩個(gè)溫度 T 1 、 T2, 分別經(jīng)過(guò)了 t 1、 t 2, 如果退化量相同 , 下式成立 :A t 1e

14、xp -E /kT 1=A t 2exp -E /kT 2兩邊取對(duì)數(shù)并整理 , 得失效激活能 E 和加速因 子 B :E =k ln (t 1/t 2(1/T1-1/T 2=T 1T 2k ln (t 1/t 2 /T 2-T 1(4B =t 1/t 2=exp E (1/kT 1-1/kT 2 (5 由式 (3 還可得 :t = M -M 0Aexp E /kT 令 C = M -M 0A, 得 A rrheni w s 方程的另一種表達(dá)式 :t =C exp E /kT (6 式中 :C 是與退化量相關(guān)的待定常數(shù) 。加速壽命試驗(yàn)一般是針對(duì)批產(chǎn)品抽樣進(jìn)行的 , 因此 可用批產(chǎn)品的可靠性特征值

15、 , 如用不同溫度水平下的平 均壽命 取代對(duì)應(yīng)高溫下的經(jīng)歷時(shí)間 t , 則式 (4 變成式 (7 , 式 (6 變成式 (8 :E =T 1 T 2kln (/T 2-T 1(7C =exp E /kT (8當(dāng)確知 E 和 C 后 , 可由下式求出正常應(yīng)力下的平 均壽命點(diǎn)估計(jì) N:N=C exp E /kT N (9 3. 3 激活能 E 與待定常數(shù) C應(yīng)用 A rrheni w s 方程需要結(jié)合具體產(chǎn)品既定的失效 模式求出激活能 E 與待定常數(shù) C 。為此 , 在失效機(jī)理研 究和分析基礎(chǔ)上 , 曾完成了如下試驗(yàn) :同批抽取 160只樣件 , 80只投入 T 1 =150+273K 的環(huán)境中

16、、 另 80只投入T 2=300+273K 環(huán)境中 , 作定時(shí)截尾加速壽命試驗(yàn) 。根 據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推斷出其平均壽命點(diǎn)估計(jì)置信下限 (置信概率 =0. 6 分別為 S 1=98218h, S 2=8746h; 代入式 (7 和 (8 , 求得 E 和 C 如下 :E =-4(573-423=0. 33676C 1=exp 0. 33676/(0. 8617×10-4×423 =9. 5446=00. 8617×10-4×573 =9. 5277取其平均值 C =(C1+C 2 /2=9. 53615代入式 (9可以預(yù)測(cè)出該產(chǎn)品在正常應(yīng)力 (TN=20+273

17、K 下的平 均壽命點(diǎn)估計(jì)置信下限 (=0. 6 :N=9. 5362×exp 0. 33676/0. 8617×10-4×293= 5936410h通過(guò)加速壽命試驗(yàn)可以驗(yàn)證當(dāng)前鉑膜溫度傳感器的 可靠性水平達(dá)到六級(jí) 。4 可靠性定級(jí)加速試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)4. 1 加速壽命試驗(yàn)方法4. 1. 1 失效判據(jù)根據(jù)鉑膜溫度傳感器技術(shù)規(guī)范要求 :“ 在標(biāo)準(zhǔn)大氣條 件下 , 試驗(yàn)樣品通以 0. 5±0. 1mA 的直流電流 , 其電阻變 化率應(yīng)不大于 1%” , “ 在高溫 400 下保持不斷路 ” 。 4. 1. 2 試驗(yàn)方法從已經(jīng)通過(guò)老練篩選的批合格產(chǎn)品中 , 隨機(jī)抽取

18、樣品為 8只的整數(shù)倍 , 首先將樣件焊裝在測(cè)試條上 (每個(gè)測(cè)試條可 安裝 8只傳感器 , 再將測(cè)試條插入不銹鋼管中 ; 然后將插入 測(cè)試條的不銹鋼管放入可控溫的高溫爐內(nèi)。 加速應(yīng)力為高 溫 250 , 樣件處于加電工作狀態(tài)。 每天加溫到 250 后維 持恒溫 4h, 轉(zhuǎn)入不加熱條件下保溫狀態(tài)維持 18h, 再恢復(fù)常 溫進(jìn)行電阻變化率測(cè)試 , 每天 24h 循環(huán)操作。 利用鉑膜溫度 傳感器多功能測(cè)試系統(tǒng)作全程跟蹤巡檢 , 發(fā)現(xiàn)斷路或電阻變 化率超差即判為失效 , 記錄失效時(shí)間。 對(duì)器件獲取的數(shù)據(jù)采 取定時(shí)截尾方式進(jìn)行可靠性解析。4. 1. 3 鉑膜溫度傳感器多功能測(cè)試系統(tǒng)上述試驗(yàn)利用了自行開(kāi)發(fā)鉑

19、膜溫度傳感器多功能測(cè) 試系統(tǒng) , 功能圖見(jiàn)圖 2。該系統(tǒng)由溫度源 、 數(shù)據(jù)采集子系 統(tǒng)、 單片機(jī)系統(tǒng)和 PC 組成 , 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào) 理模塊和數(shù)據(jù)處理軟件 。 溫度源具有專(zhuān)用的溫度控制系 統(tǒng) , 信號(hào)調(diào)理模塊采用多個(gè)單元測(cè)量電路 , 以實(shí)現(xiàn)鉑膜溫 度傳感器的多通道測(cè)量 , 每個(gè)單元測(cè)量電路均采用四線(xiàn) 制等效形式 。為了提高測(cè)量精度 , 通過(guò) 2個(gè)多路電子開(kāi) 1132 儀 器 儀 表 學(xué) 報(bào) 第 30卷關(guān)實(shí)現(xiàn)共用精密恒流源和放大電路 , 形成 128個(gè)通道控 制功能 。 經(jīng)放大的測(cè)量信號(hào)輸入 MSP430單片機(jī) , 再經(jīng) 和 A /D轉(zhuǎn)換和信號(hào)通道切換 , 與 PC 通信 。 通過(guò)

20、PC 控制 數(shù)據(jù)和信息采集 , 并對(duì)單片機(jī)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理 和分析 , 可存儲(chǔ)和輸出 。其管理和分析功能可根據(jù)用戶(hù) 需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖 2 測(cè)試系統(tǒng)組成框圖Fig . 2B l ock diagra m of test syste m4. 2 定級(jí)加速試驗(yàn)方案設(shè)計(jì), , 正N 滿(mǎn)足式 :G N LN2(2r +22(10式中 :LN 為正常應(yīng)力下的平均壽命置信下限 , r 為失效數(shù) 。 LN 的取值根據(jù)確定可靠性等級(jí)取其下限 , 如可靠性 六級(jí)定級(jí)時(shí) , LN =106h ; 七級(jí)為 107h 。根據(jù)式 (8 可反求出對(duì)應(yīng)的常數(shù) C LN 。給定加速條 件 T S , 可由式 (11 求

21、得加速應(yīng)力下的平均壽命置信下限 LS , 由式 (12 確定加速條件 T S 下的總試驗(yàn)元件小時(shí) 數(shù) G S :LS =C LN exp E /(kT S (11 G S LS2(2r +22(12設(shè)定 T S =250+273K, 取置信概率 =0. 6、 0. 9, 當(dāng)抽樣數(shù)為 n 和允許失效數(shù)為 r 時(shí) , 可靠性七級(jí)定級(jí)加速 試驗(yàn)方案見(jiàn)表 4、 表 5。表 4 可靠性七級(jí)的定級(jí)加速試驗(yàn)方案 (T S =250 , =0. 6Table 4Reli a b ility grad i n g accelera te test projectof fa ilure ra te 7(T S =

22、250 , =0. 6允許失效數(shù) r抽樣數(shù) n =50抽樣數(shù) n =100抽樣數(shù) n =2000 520h 260h 130h 1 1147h 574h 287h 2 1765h 883h 442h表 5 可靠性七級(jí)的定級(jí)加速試驗(yàn)方案 (T S =250 , =0. 9Table 5Reli a b ility grad i n g accelera te test projectof fa ilure ra te 7(T S =250 , =0. 9允許失效數(shù) r抽樣數(shù) n =50抽樣數(shù) n =100抽樣數(shù) n =2000 1306h 653h 326h 1 2208h 1104h 552h

23、 2 3020h 1510h 755h通過(guò)與表 1和表 2的對(duì)比 , 在允許失效數(shù)和抽樣數(shù) 相同的情況下 , 本方法相對(duì)于傳統(tǒng)定級(jí)試驗(yàn)方法 , 可以明 顯縮短試驗(yàn)時(shí)間 , 具有可操作性 。依此類(lèi)推 , 采用上述方法可設(shè)計(jì)出更高等級(jí)的加速 定級(jí)試驗(yàn)方案。但是 , 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前提是失效機(jī)理沒(méi)有 改變。5 結(jié) 論1 , 但、 、 選擇合適的加速方 2 本文所述的鉑膜溫度傳感器失效機(jī)理有所改變時(shí) , 應(yīng)該重新測(cè)試激活能 E , 且 E 將對(duì)可靠性定級(jí)加 速試驗(yàn)方案產(chǎn)生影響 。3 傳感器件加速壽命試驗(yàn)中 , 需要在加速條件下按規(guī)定的失效判據(jù)對(duì)投試的樣品定期進(jìn)行巡檢和判定 , 為此 , 需要設(shè)計(jì)和制作專(zhuān)用

24、的測(cè)試裝置。4 為了滿(mǎn)足工程需求 , G B1772279“ 電子元器件失效率試驗(yàn)方法 ” 應(yīng)進(jìn)行修訂 。 參考文獻(xiàn)1Y ANG G B, Z AGHATI Z . Accelerated life tests at higher usage rates:A case study C .Pr oceedings of Annual Reliability and M aintainability Sy mposiu m, Singapore, 2006:3132317.2國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局 . G B1772279“ 電子元器件失效率試驗(yàn)方法 S.北京 :技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出版社 , 1980.S BTS .

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