機械可靠性測試介紹

1、可靠性環(huán)境試驗可靠性環(huán)境試驗介紹介紹環(huán)境應力與失效的關系環(huán)境應力與失效的關系v1.溫度應力對產(chǎn)品的影響溫度應力對產(chǎn)品的影響v2.濕度對產(chǎn)品的影響濕度對產(chǎn)品的影響v3.冷熱溫度沖擊對產(chǎn)品的影響冷熱溫度沖擊對產(chǎn)品的影響v4.機械沖擊和振動對產(chǎn)品的影響機械沖擊和振動對產(chǎn)品的影響環(huán)境應力與失效的關系環(huán)境應力與失效的關系v1 溫度應力對產(chǎn)品的影響溫度應力對產(chǎn)品的影響 當討論產(chǎn)品壽命時,一般采用規(guī)則的表達方式。具體應用時可以表達為10規(guī)則等，當周圍環(huán)境溫度上升10時，產(chǎn)品壽命就會減少一半；當周圍環(huán)境溫度上升20時，產(chǎn)品壽命就會減少到四分之一。這種規(guī)則可以說明溫度是如何影響產(chǎn)品壽命（失效）的。 高溫對產(chǎn)品的

2、影響：老化、氧化、化學變化、熱擴散、電遷移、金屬遷移、熔化、汽化變型等 低溫對產(chǎn)品的影響：脆化、結冰、粘度增大和固化、機械強度的降低、物理性收縮等環(huán)境應力與失效的關系環(huán)境應力與失效的關系v2 濕度對產(chǎn)品的影響濕度對產(chǎn)品的影響 高溫高濕條件作用試驗樣品上，可以構成水氣吸附、吸收和擴散等作用。許多材料在吸濕后膨脹、性能變壞、引起物質強度降低及其他主要機械性能的下降，吸附了水氣的絕緣材料不但會引起電性能下降，在一定條件下還會引發(fā)各種不同的失效，是影響電子產(chǎn)品最主要的失效環(huán)境。 濕度對產(chǎn)品的影響：腐蝕、離子遷移、擴散、水解、爆裂、霉菌、環(huán)境應力與失效的關系環(huán)境應力與失效的關系v濕度引起塑封半導體器件腐

3、蝕的失效：濕度引起塑封半導體器件腐蝕的失效： 在硅片上集成有大量電子元件的集成電路芯片及其元件通過導線連接起來構成電路。由于鋁和鋁合金價格便宜，加工工藝簡單，因此通常被使用為集成電路的金屬線。從進行集成電路塑封工序開始，水氣便會通過環(huán)氧樹脂滲入引起鋁金屬導線產(chǎn)生腐蝕進而產(chǎn)生開路現(xiàn)象，成為品質工程最為頭痛的問題。人們雖然通過各種改善包括采用不同環(huán)氧樹脂材料、改進塑封技術和提高非活性塑封膜為提高產(chǎn)品質量進行了各種努力，但是隨著日新月異的半導體電子器件小型化發(fā)展，塑封鋁金屬導線腐蝕問題至今仍然是電子行業(yè)非常重要的技術課題。環(huán)境應力與失效的關系環(huán)境應力與失效的關系v鋁線中產(chǎn)生腐蝕過程：鋁線中產(chǎn)生腐蝕過

4、程： 水氣滲透入塑封殼內濕氣滲透到樹脂和導線間隙之中 水氣滲透到晶片表面引起鋁化學反應v加速鋁腐蝕的一些因素（加速鋁腐蝕的一些因素（鋁金屬導線腐蝕反應隨著是否施加偏壓而變化） 樹脂材料與晶片框架接口之間連接不夠好（由于各種材料之間存在膨脹率的差異）。 封裝時，封裝材料摻有雜質或者雜質離子的污染（由于雜質離子的出現(xiàn)）。 非活性塑封膜中所使用的高濃度磷。 非活性塑封膜中存在的缺陷。環(huán)境應力與失效的關系環(huán)境應力與失效的關系v3 冷熱溫度沖擊對產(chǎn)品的影響冷熱溫度沖擊對產(chǎn)品的影響 高溫和低溫的失效都會反映在冷熱溫度沖擊試驗中，冷熱沖擊試驗只是加速了高溫和低溫失效的產(chǎn)生。下面歸納了實際生產(chǎn)或使用環(huán)境中存在

5、的具有代表性的冷熱溫度沖擊環(huán)境，這些冷熱沖擊環(huán)境常常是導致產(chǎn)品失效的主要原因。 1溫度的極度升高導致焊錫回流現(xiàn)象出現(xiàn)； 2啟動馬達時周圍器件的溫度急速升高，關閉馬達時周圍器件會出現(xiàn)溫度驟然下降； 3設備從溫度較高的室內移到溫度相對較低的室外，或者從溫度相對較低的室外移到溫度較高的室內； 4設備可能在溫度較低的環(huán)境中連接到電源上，導致設備內部產(chǎn)生陡峭的溫度梯度。在溫度較低的環(huán)境中切斷電源可能會導致設備內部產(chǎn)生相反方向陡峭的溫度梯度； 5設備可能會因為降雨而突然冷卻； 6當航空器起飛或者降落時，航空器機載外部器材可能會出現(xiàn)溫度的急劇變化。 環(huán)境應力與失效的關系環(huán)境應力與失效的關系v4 機械沖擊和振

6、動對產(chǎn)品的影響機械沖擊和振動對產(chǎn)品的影響 機械沖擊和振動主要是針對處于劇烈振動環(huán)境中的車用電子設備?？墒亲罱捎谝话汶娮釉O備也因為其便攜化而變得易受振動，因此機械應力的應用范圍也廣泛了。 機械應力所造成的失效主要是連接器、繼電器等連接部件，當然對裝配工藝不合理的設計也容易引起元器件的脫落和引線短裂，對元器件內部工藝不良的產(chǎn)品會引起開路、短路、間歇連接。加速壽命實驗加速壽命實驗v加速候命試驗的目的加速候命試驗的目的v半導體工藝技術的創(chuàng)新在近幾年盲目的推進。v此外，由于最近要求縮短產(chǎn)品開發(fā)時間v作為產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)品可靠性處于相同的情況，必須在短時間內知道可靠性特征。v基于這種情況下加速的壽命試驗是通過

7、最小樣品尺寸和最短的測試時間來知道可靠性的方法。JIS標準定義“加速試驗”是“為了縮短測試時間執(zhí)行比標準條件更嚴酷的條件下進行的測試”。在嚴酷的條件下進行測試可用少點樣品在短時間內預測市場失效率，因而減少要求的時間和費用證實可靠性。加速壽命實驗加速壽命實驗v4.3.2 溫度加速溫度加速v溫度對半導體的壽命影響是很大的，因此使用溫度加速壽命的加速試驗的最常見的方法。v溫度應力基于的反應是由空氣統(tǒng)一，空氣模型被廣泛用于半導體產(chǎn)品壽命預測v這種空氣模型公式表示如下：v：壽命 Ea：活化能 (eV) T ：絕對溫度 (K) A：常量 k ：波爾茲曼系數(shù)v上述公式顯示半導體壽命取決于半導體受到的溫度。v

8、加速的測試利用這一特性被稱為溫度加速測試不過例如一些因為熱載體的影響導致的失效(高能源載體產(chǎn)生的電場捕捉的柵氧化膜的現(xiàn)象)可能有負面的活化能值。當加速這些類型的失效，作為溫度測試增加試驗效果是減少的。加速壽命實驗加速壽命實驗v4.3.3 溫濕度加速溫濕度加速v大規(guī)模集成電路在高溫高濕環(huán)境為了解暴露在高溫、 高濕下進行測試半導體的壽命。v高溫高濕偏壓測試，蒸汽壓力測試，溫濕度環(huán)境應力高加速試驗等，通常都被用于濕度加速試驗。濕度很少被用作確認防潮的唯一加速因子，而一般應用溫度和濕度應力的組合。這為了促進濕度 （水） 的反應，并導致增加濕度壽命的加速。v濕度相關壽命的一半公式表示如下：v： 壽命A,

9、 n：常量v一直沒有關于濕度相關壽命的標準化公式，與每個制造商使用他們自己的特征常數(shù)對加速的壽命計算結果。v特別是與濕度加速度增加至約 100%為加速目的相對濕度可能會導致樣品冷凝，使它不可能確定原始的抗潮濕壽命。因此必須給予溫濕度控制做過的關注。加速壽命實驗加速壽命實驗v4.3.4 電壓加速電壓加速v根據(jù)器件特征電壓加速試驗有很大的不同（MOS 雙極和其他過程，電路配置).對 MOS 集成電路和通常用于評估柵氧化膜的抵抗來說電壓加速試驗是有效的。然而很難對雙極大型集成電路做電壓加速。v電壓加速壽命公式表示如下:v：壽命：常數(shù)V：電壓加速壽命實驗加速壽命實驗v4.3.5 溫差加速溫差加速v半導

10、體包括各種各樣的材料的組合，并且這些材料的熱膨脹系數(shù)也廣泛的變化。每次器件經(jīng)歷溫差因每種材料的熱脹系數(shù)之間的差異導致?lián)p壞 （內部力量） 累積 （或突然崩潰），導致最終失效。根據(jù)溫度區(qū)別的加速測試被用于知道壽命。v應用對試驗器件是有效的比那些通常遇到更大的溫度差的溫度循環(huán)加速測試評價由溫度差異所引起的損壞。v當暴露于高低溫，溫度循環(huán)試驗用于評估器件抵抗的測試，和抗暴露于在兩個極限溫度的溫度變化的能力。這些測試允許確認半導體產(chǎn)品抗市場上溫度的應力。(例如,經(jīng)歷白天到夜間汽車內遺留的設備所經(jīng)歷的溫度變化，v電源開啟或關閉器件從高溫到自身溫度的冷卻。).v有關溫差的壽命由Coffin-Manson模式

11、定義，, 且表示如下：v：壽命A, m：常量v這公式表明加速的測試可以通過提供達到溫差建立溫度循環(huán)壽命。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v高溫試驗高溫試驗v低溫試驗低溫試驗v溫度循環(huán)溫度循環(huán)v溫度沖擊溫度沖擊v恒溫恒濕恒溫恒濕v交變潮熱（濕熱）交變潮熱（濕熱）v機械振動，跌落機械振動，跌落v沖擊和碰撞沖擊和碰撞v高壓蒸煮試驗高壓蒸煮試驗v鹽霧試驗鹽霧試驗v氣體腐蝕試驗氣體腐蝕試驗v其他試驗其他試驗 環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v高溫試驗高溫試驗v產(chǎn)品壽命遵循10規(guī)則，因而高溫試驗作為最常用的試驗，用于元器件和整機的篩選、老化試驗、壽命試驗、加速壽命試驗、評價試驗、同時在失效分析的驗證上起重要作用。v高溫試

12、驗的技術指標包括：溫度、時間、上升速率。v注意產(chǎn)品和元器件的最大耐受溫度極限。v樣品放入試驗箱內為保持樣品的受熱均勻性，樣品距離箱壁的距離最少為5cmvGB/T 2423.2中高溫的試驗方法分：散熱樣品的溫度漸變，非散熱樣品的溫度漸變v試驗結束后需要將樣品在箱體內恢復至穩(wěn)定狀態(tài)，或將樣品放置在常溫常濕環(huán)境下進行恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v低溫試驗低溫試驗v低溫試驗用于考核產(chǎn)品在低溫環(huán)境條件下貯存和使用的適應性，常用于產(chǎn)品在開發(fā)階段的型式試驗、元器件的篩選試驗。v高溫試驗的技術指標包括：溫度、時間、上升速率。v注意產(chǎn)品從低溫箱取出時由于溫度突變會產(chǎn)生冷凝水。（對溫度循環(huán)、溫度沖擊、

13、濕熱試驗均適用）v樣品放入試驗箱內為保持樣品表面溫度的均勻性，樣品距離箱壁的距離最少為5cmvGB/T 2423.1中低溫的試驗方法分：散熱樣品的溫度漸變，非散熱樣品的溫度漸變v試驗結束后需要將樣品在箱體內恢復至穩(wěn)定狀態(tài)，或將樣品放置在常溫常濕環(huán)境下進行恢復至穩(wěn)定狀態(tài)，在特定環(huán)境下會要求對樣品吹稍熱的風進行解凍再進行升溫至穩(wěn)定狀態(tài)。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v溫度沖擊溫度沖擊v溫度沖擊試驗目的是為了在較短的時間內確認產(chǎn)品特性的變化，以及由于構成元器件的異種材料熱膨脹系數(shù)不同而造成的故障問題。這些變化可以通過將元器件迅速交替地暴露于超高溫和超低溫的試驗環(huán)境中觀察到。v冷熱沖擊試驗不同于環(huán)境模擬試驗

14、，它是通過冷熱溫度沖擊發(fā)現(xiàn)在常溫狀態(tài)下難以發(fā)現(xiàn)的潛在故障問題。決定冷熱溫度沖擊試驗的主要因素有：試驗溫度范圍、暴露時間、循環(huán)次數(shù)、試驗樣品重量及熱負荷等。v溫度沖擊設備有：兩箱法、三箱法和液槽式三種，其中設備內濕度不能超過50%RH即20g/m。v公司常做的快捷溫度沖擊的條件：-65，150，停留時間14min，循環(huán)次數(shù)：300個（如下圖為此試驗單個循環(huán)的溫度曲線）v注意產(chǎn)品試驗結束后應對樣品有12小時的恢復期。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v冷熱沖擊試驗與溫度循環(huán)試驗的區(qū)別冷熱沖擊試驗與溫度循環(huán)試驗的區(qū)別冷熱沖擊試驗冷熱沖擊試驗溫度循環(huán)試驗溫度循環(huán)試驗溫度變化速率溫度變化速率 急劇2030/min

15、 緩慢15/min 循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù) 510個循環(huán)（多至1000循環(huán)） 510個循環(huán)（多至1000循環(huán)） 熱平衡熱平衡 正好到達（液槽式為到達） 到達 試驗時間試驗時間 短長 用途用途1.膨脹系數(shù)不同引起的連接部剝離2.膨脹系數(shù)不同龜裂后水分進入3.水分滲入導致腐蝕及短路現(xiàn)象發(fā)生的加速試驗1.通過長期試驗發(fā)現(xiàn)腐蝕傾向2.長時間地多次循環(huán)觀察應力疲勞現(xiàn)象3.調查分析市場失效的相關性使用設備使用設備冷熱沖擊試驗箱高低溫試驗箱環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v恒溫恒濕恒溫恒濕v產(chǎn)品失效因為濕度的影響占40以上，因此濕度試驗在環(huán)境試驗中是必不可少的。常用于壽命試驗、評價試驗和綜合試驗，同時在失效分析的驗證上起

16、重要作用。尤其對含有樹脂材料的產(chǎn)品在產(chǎn)品開發(fā)和質量評估時該試驗是必須的。v恒溫恒濕的技術指標包括：溫度、相對濕度、試驗時間v注意產(chǎn)品試驗結束后應對樣品有12小時的恢復期。v常做的雙85指定就是溫度85，濕度85環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v交變潮熱（濕熱）交變潮熱（濕熱）v模擬熱帶雨林的環(huán)境，確定產(chǎn)品和材料在溫度變化，產(chǎn)品表面產(chǎn)生凝露時的使用和貯存的適應性。常用于壽命試驗、評價試驗和綜合試驗。v交變濕熱的技術指標包括：溫度、相對濕度、轉換時間、交變次數(shù)。v注意試驗結束后應對樣品有12小時的恢復期。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v機械振動機械振動v描述：振動試驗，英文：Vibration Test，在試驗

17、中，模擬產(chǎn)品在于制造、組裝、運輸、及使用執(zhí)行階段中所遭遇的各種振動環(huán)境，用以鑒定產(chǎn)品是否忍受環(huán)境振動的能力。v機械振動試驗用來確定機械的薄弱環(huán)節(jié)，產(chǎn)品結構的完好性和動態(tài)特性、常用于型式試驗、壽命試驗、評價試驗和綜合試驗。v機械振動試驗中有一類故障的發(fā)生，不在一個特定條件下不會發(fā)生，或不在這種特定條件中這種故障不會輕易地被測量出來，或是故障的再現(xiàn)性很差（即很難預測到它何時會發(fā)生），因此機械振動試驗在許多情況下，產(chǎn)品是需要處于工作狀態(tài)并連續(xù)測試的。例如繼電器、連接器等。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v機械振動機械振動v分類： 按試驗樣品可分為：單機振動，包裝振動（一般為隨機振動）v 按振動試驗類型分類：

18、v正弦振動（Sinusoidal Vibration)、 隨機振動(Random Vibration) 、正弦拍頻振動（Sine-beat Method)、時間歷程振動(Time-history Method）v一、正弦振動（Sinusoidal Vibration)v試驗參數(shù): 頻率范圍、 振幅值（加速度值）、 試驗持續(xù)時間、 振動方向v正弦振動試驗由以上3個參數(shù)共同確定。v 一般低于交越頻率由振幅確定，大于交越頻率由加速度值（G值）確定。v注意振動幅值的峰值Vp和峰峰值Vpp是不同的。v 二、隨機振動v試驗參數(shù): Grms 均方根加速度、頻率（點）、ASD 加速度頻譜密度、 試驗持續(xù)時間、

19、振動方向v隨機振動試驗由以上4個參數(shù)共同確定。實際上通過頻率（點）和ASD可以計算出 Grms值。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v跌落試驗跌落試驗v描述：跌落試驗，又名drop test。用來模擬產(chǎn)品在搬運期間可能經(jīng)受到的跌落等。v包括v （1）非包裝狀態(tài)產(chǎn)品在搬運期間可能經(jīng)受的自由跌落，樣品通常按照規(guī)定的姿態(tài)從規(guī)定的高度跌落到規(guī)定的表面上。v （2）模擬負載電纜上的連接器、小型遙控裝置等在使用中可能經(jīng)受的重復自由跌落。v （3）包裝跌落v主要參數(shù)1、 跌落高度2、 跌落次數(shù)3、 跌落表面v受限制因素：v 1、 高度v 2、.樣品外形（針對自由跌落）環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v沖擊和碰撞沖擊和碰撞v許

20、多產(chǎn)品在使用、裝卸、運輸過程中都會受到?jīng)_擊。沖擊的量值變化很大并具有復雜的性質。因此沖擊和碰撞試驗適用于確定機械的薄弱環(huán)節(jié)，考核產(chǎn)品結構的完整性。v機械沖擊試驗，又名mechanical shock.試驗目的用來揭露機械弱點和（或）性能下降情況。v沖擊試驗的技術指標包括：峰值加速度、脈沖持續(xù)時間、速度變化量（半正弦波、后峰鋸齒波、梯形波）和波形選擇。沖擊次數(shù)無特別要求外每個面沖擊3次共18次。v碰撞試驗的技術指標包括：峰值加速度、脈沖持續(xù)時間、速度變化量（半正弦波）、每方向碰撞次數(shù)。v注意沖擊和碰撞的方向應是6個面，而不是X、Y、Z 三方向。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v高壓蒸煮試驗（高壓蒸汽恒定

21、濕熱試驗）高壓蒸煮試驗（高壓蒸汽恒定濕熱試驗）v高壓蒸煮試驗采用高壓高濕條件，考核塑料封裝的半導體集成電路等電子器件的綜合影響，是用高加速的試驗方式評價電子產(chǎn)品耐濕熱的能力，常用于產(chǎn)品開發(fā)、質量評估、失效驗證。v壓力試驗的技術指標包括：大氣壓力、相對濕度（飽和或非飽和） 、溫度、試驗時間。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v太陽輻照試驗太陽輻照試驗v紫外光耐氣候：紫外光耐氣候：v試驗目的：光老化試驗就是評 定戶外無遮蔽使用和儲存的設備經(jīng)受太陽輻射熱和光學效應的能力。 v試驗參數(shù)：溫度，濕度，燈型波長，輻照強度，光照黑暗周期，持續(xù)時間v氙燈耐氣候：氙燈耐氣候：v試驗目的：光老化試驗就是評 定戶外無遮蔽使用

22、和儲存的設備經(jīng)受太陽輻射熱和光學效應的能力。 v 試驗參數(shù)：溫度，濕度，輻照強度，光照黑暗周期，持續(xù)時間v紫外與氙燈的區(qū)別：主要是使用的光源不一樣，其中紫外燈的波長是指定的 UVA / UVB 340/400nm,氙燈的波長是290800nm。 環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v鹽霧試驗鹽霧試驗v鹽霧試驗模擬海洋或含鹽潮濕地區(qū)氣候的環(huán)境，用于考核產(chǎn)品、材料及其防護層抗鹽霧腐蝕能力。有鹽霧試驗和交變鹽霧試驗兩種試驗。常用于在特殊條件下的質量評估、失效驗證。v種類： 中性鹽霧試驗（NSS），醋酸鹽霧試驗 (ASS)，銅鹽醋酸加速鹽霧試驗(CASS)v鹽霧試驗的技術指標包括：鹽溶液濃度、相對濕度、溫度、鹽霧

23、時間、貯存時間、試驗周期，集霧量，PH值。v各種鹽霧試驗參數(shù)的區(qū)別：v注意試驗結束后試驗樣品需立即沖洗干凈。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v氣體腐蝕試驗氣體腐蝕試驗 v氣體腐蝕試驗主要應用于接觸點和連接件，試驗后的評定標準是接觸電阻變化，其次是外觀變化。主要的腐蝕氣體為二氧化硫和硫化氫v氣體腐蝕試驗的技術指標包括：濃度、相對濕度、溫度、流速、試驗時間。環(huán)境試驗內容環(huán)境試驗內容v其他試驗其他試驗v霉菌試驗、低氣壓試驗、沙塵試驗、水試驗（淋雨試驗）、恒加速試驗（離心試驗）v綜合環(huán)境試驗: 溫度/濕度/高度、溫度/濕度/振動電子類環(huán)境試驗標準電子類環(huán)境試驗標準目前公司具備是環(huán)境試驗設備目前公司具備是環(huán)境試驗設備v低溫試驗設備 可程式恒溫恒濕箱內部尺寸：1000X1000X1000mm溫度范圍：-70150溫濕度箱（德國 weiss）內部尺寸：溫度范圍：-40120濕度范圍：1098%RH目前公司具備是環(huán)境試驗設備目前公司具備是環(huán)境試驗設備v高溫試驗設備 可程式恒溫恒濕箱內部尺寸：1000X10