電工電子產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)

1、電工電子產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)之一1概述壽命試驗(yàn)是基本的可靠性試驗(yàn)方法，在正常工作條件下，常常采用壽命試驗(yàn)方法去評(píng)估產(chǎn)品的各種可靠性特征。但是這種方法對(duì)壽命特別長(zhǎng)的產(chǎn)品來說，不是一種合適的方法。因?yàn)樗枰ㄙM(fèi)很長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間，甚至來不及作完壽命試驗(yàn)，新的產(chǎn)品又設(shè)計(jì)出來，老產(chǎn)品就要被淘汰了。因此，在壽命試驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成的加大應(yīng)力、縮短時(shí)間的加速壽命試驗(yàn)方法逐漸取代了常規(guī)的壽命試驗(yàn)方法。加速壽命試驗(yàn)是用加大試驗(yàn)應(yīng)力(諸如熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等)的方法，激發(fā)產(chǎn)品在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生跟正常應(yīng)力水平下相同的失效，縮短試驗(yàn)周期。然后運(yùn)用加速壽命模型，評(píng)估產(chǎn)品在正常工作應(yīng)力下的可靠性特征。加速環(huán)境試驗(yàn)是近年來快速發(fā)展

2、的一項(xiàng)可靠性試驗(yàn)技術(shù)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)的技術(shù)思路，將激發(fā)的試驗(yàn)機(jī)制引入到可靠性試驗(yàn)，可以大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)耗損。2 常見的物理模型元器件的壽命與應(yīng)力之間的關(guān)系，通常是以一定的物理模型為依據(jù)的，下面簡(jiǎn)單介紹一下常用的幾個(gè)物理模型。2.1失效率模型失效率模型是將失效率曲線劃分為早期失效、隨機(jī)失效和磨損失效三個(gè)階段，并將每個(gè)階段的產(chǎn)品失效機(jī)理與其失效率相聯(lián)系起來，形成浴盆曲線。該模型的主要應(yīng)用表現(xiàn)為通過環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，剔除早期失效的產(chǎn)品，提高出廠產(chǎn)品的可靠性。2.1 失效率模型圖示：O1典型的失效率曲線規(guī)定的失效率隨機(jī)失效早期失效磨損失效t 2.2應(yīng)力與強(qiáng)

3、度模型該模型研究實(shí)際環(huán)境應(yīng)力與產(chǎn)品所能承受的強(qiáng)度的關(guān)系。應(yīng)力與強(qiáng)度均為隨機(jī)變量，因此，產(chǎn)品的失效與否將決定于應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布。隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)品的強(qiáng)度分布將逐漸發(fā)生變化，如果應(yīng)力分布與強(qiáng)度分布一旦發(fā)生了干預(yù)，產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)失效。因此，研究應(yīng)力與強(qiáng)度模型對(duì)了解產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力是很重要的。2.3最弱鏈條模型最弱鏈條模型是基于元器件的失效是發(fā)生在構(gòu)成元器件的諸因素中最薄弱的部位這一事實(shí)而提出來的。該模型對(duì)于研究電子產(chǎn)品在高溫下發(fā)生的失效最為有效，因?yàn)檫@類失效正是由于元器件內(nèi)部潛在的微觀缺陷和污染，在經(jīng)過制造和使用后而逐漸顯露出來的。暴露最顯著、最迅速的地方，就是最薄弱的地方，也是最先失效的地方。

4、2.4反應(yīng)速度模型該模型認(rèn)為元器件的失效是由于微觀的分子與原子結(jié)構(gòu)發(fā)生了物理或化學(xué)的變化而引起的，從而導(dǎo)致在產(chǎn)品特性參數(shù)上的退化，當(dāng)這種退化超過了某一界限，就發(fā)生失效，主要模型有Arrhenius模型和Eyring模型等。3加速因子的計(jì)算加速環(huán)境試驗(yàn)是一種激發(fā)試驗(yàn)，它通過強(qiáng)化的應(yīng)力環(huán)境來進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。加速環(huán)境試驗(yàn)的加速水平通常用加速因子來表示。加速因子的含義是指設(shè)備在正常工作應(yīng)力下的壽命與在加速環(huán)境下的壽命之比，通俗來講就是指一小時(shí)試驗(yàn)相當(dāng)于正常使用的時(shí)間。因此，加速因子的計(jì)算成為加速壽命試驗(yàn)的核心問題，也成為客戶最為關(guān)心的問題。加速因子的計(jì)算也是基于一定的物理模型的，因此下面分別說明常用應(yīng)

5、力的加速因子的計(jì)算方法。3.1溫度加速因子溫度的加速因子由Arrhenius 模型計(jì)算：其中，Lnormal為正常應(yīng)力下的壽命，Lstress為高溫下的壽命，Tnormal為室溫絕對(duì)溫度，Tstress為高溫下的絕對(duì)溫度，Ea為失效反應(yīng)的活化能（eV），k為Boltzmann常數(shù)，8.62×105eV/K，實(shí)踐表明絕大多數(shù)電子元器件的失效符合Arrhenius 模型，表1給出了半導(dǎo)體元器件常見的失效反應(yīng)的活化能。表1 半導(dǎo)體元器件常見失效類型的活化能設(shè)備名稱失效類型失效機(jī)理活化能（eV）IC斷開Au-Al金屬間產(chǎn)生化合物1.0IC斷開Al的電遷移0.6IC（塑料）斷開Al腐蝕0.56

6、MOS IC（存貯器）短路氧化膜破壞0.30.35二極管短路PN結(jié)破壞（Au-Si 固相反應(yīng)）1.5晶體管短路Au的電遷移0.6MOS 器件閾值電壓漂移發(fā)光玻璃極化1.0MOS 器件閾值電壓漂移Na離子漂移至Si氧化膜1.21.4MOS 器件閾值電壓漂移Si-Si氧化膜的緩慢牽引1.03.2、電壓加速因子電壓的加速因子由Eyring 模型計(jì)算：其中，Vstress為加速試驗(yàn)電壓，Vnormal為正常工作電壓，為電壓的加速率常數(shù)。3.3、濕度加速因子濕度的加速因子由Hallberg和Peck 模型計(jì)算：其中，RHstress 為加速試驗(yàn)相對(duì)濕度，RHnormal為正常工作相對(duì)濕度，n為濕度的加速

7、率常數(shù)，不同的失效類型對(duì)應(yīng)不同的值，一般介于23之間。3.4、溫度變化加速因子溫度變化的加速因子由 CoffinMason公式計(jì)算：其中， 為加速試驗(yàn)下的溫度變化， 為正常應(yīng)力下的溫度變化，n為溫度變化的加速率常數(shù)，不同的失效類型對(duì)應(yīng)不同的值，一般介于48之間。3.5、計(jì)算實(shí)例例題：某種電子產(chǎn)品在室溫下使用，計(jì)劃在75、85%RH下做加速壽命測(cè)試，計(jì)算該加速試驗(yàn)的加速因子。解析：本試驗(yàn)涉及溫度和濕度兩種應(yīng)力，因此，分別計(jì)算各應(yīng)力的加速因子，然后相乘得到整個(gè)加速試驗(yàn)的加速因子。其中，Ea為激活能（eV），k為玻爾茲曼常數(shù)且k=8.6×10-5eV/K，T為絕對(duì)溫度、RH為相對(duì)濕度（單位

8、），一般情況下n取為2。根據(jù)產(chǎn)品的特性，取Ea為0.6eV，室溫取為25、75%RH，把上述數(shù)據(jù)帶入計(jì)算，求AF37，即在75、85%RH下做1小時(shí)試驗(yàn)相當(dāng)于室溫下壽命約37小時(shí)。 還需要說明的一點(diǎn)是，加速因子的計(jì)算公式都是建立在特定的模型基礎(chǔ)上的，而模型的建立往往會(huì)包含一些假設(shè)，并且會(huì)忽略或簡(jiǎn)化次要的影響因素，因此計(jì)算的結(jié)果也僅僅具有指導(dǎo)和參考意義，不能死板地認(rèn)為只要試驗(yàn)足夠時(shí)間就一定能確保產(chǎn)品的壽命。 4、加速壽命試驗(yàn)方法4.1、常用加速壽命試驗(yàn)方法目前常用的加速壽命試驗(yàn)方法分為以下三種:（1）恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn):該試驗(yàn)方法是將試樣分為幾組，每組在固定的應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，各應(yīng)力水平

9、都高于正常工作條件下的應(yīng)力水平，試驗(yàn)做到各組樣品均有一定數(shù)量的產(chǎn)品發(fā)生失效為止。（2）步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn):該試驗(yàn)方法是預(yù)先確定一組應(yīng)力水平，各應(yīng)力水平之間有一定的差距，從低水平開始試驗(yàn)，一段時(shí)間后，增加至高一級(jí)應(yīng)力水平，如此逐級(jí)遞增，直到試樣出現(xiàn)一定的失效數(shù)量或者到了應(yīng)力水平的極限停止試驗(yàn)。（3）序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn):該試驗(yàn)方法是將試樣從低應(yīng)力開始試驗(yàn)，應(yīng)力水平水試驗(yàn)時(shí)間等速升高，直到一定數(shù)量的失效發(fā)生或者到了應(yīng)力水平的極限為止。上述三種加速壽命試驗(yàn)方法，以恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)最為成熟盡管這種試驗(yàn)所需時(shí)間不是最短，但比一般的壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間還是縮短了不少因此它還是經(jīng)常被采用的試驗(yàn)方法。后面

10、兩種試驗(yàn)方法對(duì)設(shè)備都有比較高的要求，試驗(yàn)成本比較高，因此目前開展的比較少。4.2、高加速壽命試驗(yàn)高加速壽命試驗(yàn)（HALT）是目前比較先進(jìn)成熟的壽命試驗(yàn)方法，屬于步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，具體含義是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝設(shè)計(jì)過程中，在加速測(cè)試環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品施加所有可能達(dá)到的應(yīng)力以期找到設(shè)計(jì)和制造工藝中的薄弱環(huán)節(jié)，并針對(duì)每一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)提供改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造工藝的機(jī)會(huì)，從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期、提高可靠性和降低成本的目的。HALT 測(cè)試施加的應(yīng)力并不是完全模擬產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)的應(yīng)力，而是對(duì)少量樣品施加較大應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中存在的問題，施加的應(yīng)力逐步提高并超過使用環(huán)境的應(yīng)力范圍，解決測(cè)試中所發(fā)現(xiàn)的

11、問題，直到產(chǎn)品強(qiáng)度達(dá)到技術(shù)要求。HALT主要測(cè)試過程為：逐步施加應(yīng)力直到產(chǎn)品失效或出現(xiàn)故障；采取修正措施，修正產(chǎn)品的失效或故障；繼續(xù)逐步施加應(yīng)力直到產(chǎn)品再次失效或出現(xiàn)故障，并再次加以修正；重復(fù)以上應(yīng)力-失效-修正的步驟；找出產(chǎn)品的基本操作界限和基本破壞界限?？墒┘拥膽?yīng)力包括振動(dòng)、高低溫、溫度循環(huán)、電力開關(guān)循環(huán)、電壓邊際及頻率邊際測(cè)試等。典型的HALT試程包括以下幾個(gè)過程：1)      低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn) ；2)      高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)； 3)      快速熱循環(huán)試驗(yàn)；4)      振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn) ；5)      綜合應(yīng)力試驗(yàn) 。概括來講，HALT是一種發(fā)現(xiàn)缺陷的工序,它通過設(shè)置逐級(jí)遞增的環(huán)境應(yīng)力，來加速暴露試驗(yàn)樣品的缺陷和薄弱點(diǎn)，然后對(duì)暴露的缺陷和故障從設(shè)計(jì)、工藝和用料等諸方面進(jìn)行分析和改進(jìn)，從而達(dá)到提升產(chǎn)品可靠性的目的，其最大的特點(diǎn)是設(shè)置高于樣品設(shè)計(jì)運(yùn)行限的環(huán)境應(yīng)力，從