可靠性測試之壽命計算

可靠性測試之壽命試驗JESD475年4年11年10年大綱1.可靠性定義2.可靠性試驗分類3.加速壽命試驗4.小結(jié)5.附錄1.可靠性定義1.日本工業(yè)標準(JIS)對此的定義：Theprobabilitythatanitemwillperformarequiredfunctionunderspecifiedconditionsforaspecifiedperiodoftime.2.可靠性有廣義和狹義兩種解釋：廣義：產(chǎn)品在其整個壽命周期內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，包括狹義可靠性和維修性。狹義：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。3.狹義可靠性的四重意思：1）產(chǎn)品的可靠性與“規(guī)定的條件”分不開；2）產(chǎn)品的可靠性與“規(guī)定的時間”密切相關(guān)；3）產(chǎn)品的可靠性與“規(guī)定的功能”息息相關(guān)；所謂功能指產(chǎn)品的技術(shù)指標或者技術(shù)要求4）產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的可能性大小，從數(shù)學(xué)角度看就是表示一種概率。2.可靠性試驗分類1.可靠性試驗按試驗地點和試驗方式不同分：現(xiàn)場試驗和模擬試驗。實驗室進行的試驗多屬于模擬試驗。2.可靠性試驗按試驗項目一般又分為：1）壽命試驗；2）環(huán)境試驗；3）特殊檢測試驗；4）現(xiàn)場使用試驗。3.壽命試驗一般又分為：1）長期壽命試驗：長期貯存壽命和長期工作壽命（包括靜態(tài)和動態(tài)）；2）加速壽命試驗：

a.恒定應(yīng)力加速壽命試驗b.步進應(yīng)力加速壽命試驗c.序進應(yīng)力加速壽命試驗4.壽命試驗是可靠性試驗中最重要、最基本的內(nèi)容之一。它是將樣品放在特定的試驗條件下，測量其失效（損壞）隨時間的分布情況。利用次序統(tǒng)計量理論來分析得到的試驗數(shù)據(jù)，可確定產(chǎn)品的壽命特征、失效分布規(guī)律，并可以通過計算得到其失效率和平均壽命等可靠性指標。3.加速壽命試驗1.失效率和平均壽命失效率：指產(chǎn)品工作到t時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。單位Fit，1Fit=10-9/h。平均壽命：對可維修和不可維修的產(chǎn)品有不同的定義。>可維修的產(chǎn)品，指兩次相鄰故障間的時間，而不是產(chǎn)品報廢時間。一般用MTBF(MeanTimeBetweenFailure)來表示；>對不可維修的產(chǎn)品，指產(chǎn)品喪失規(guī)定功能前的時間，用MTTF(MeanTimeToFailure)來表示。電子器件屬于不可維修產(chǎn)品，所以用MTTF表示其平均壽命。我國有可靠性指標的電子元器件按失效率大小分為七個等級：3.加速壽命試驗2.浴盆曲線：早夭期的失效率分布函數(shù)與m<1的威布爾（Weibull）分布函數(shù)所描述的曲線一致；偶然失效期產(chǎn)品的失效規(guī)律符合指數(shù)分布規(guī)律，與m=1時的威布爾分布函數(shù)所描述的函數(shù)一致。亦稱阿倫尼斯（Arrhenius）模型。3.加速壽命試驗3.加速壽命試驗：是在不改變失效機理的前提下，用提高應(yīng)力的方法，使元器件或材料加速失效，以便在較短的時間內(nèi)取得加速情況下的失效率、壽命等數(shù)據(jù)，然后推算出在正常狀態(tài)（額定或?qū)嶋H使用狀態(tài)）應(yīng)力條件下的可靠性特征量。ABC3.加速壽命試驗4.加速壽命試驗的模型：1）威布爾分布：是瑞典科學(xué)家威布爾從材料強度的統(tǒng)計理論推導(dǎo)出來的一種失效分布函數(shù)，是可靠性分布中最常用、最復(fù)雜的一種分布。2）阿倫尼斯方程：是威布爾分布的一種特殊情況，即當(dāng)其形狀參數(shù)m為1時的形式。此時的失效率分布符合指數(shù)分布規(guī)律。它是假設(shè)熱應(yīng)力（溫度）是使元器件或材料的性能參數(shù)劣化（或退化）失效的主要原因。溫度為電子（或兩種分子）客服不同能級間的勢壘提供能量，從而加速器件或材料的物理/化學(xué)反應(yīng)。3）一般電子元器件大多數(shù)是由溫度應(yīng)力導(dǎo)致的失效，這是加速壽命試驗最常使用阿倫尼斯模型的根本。這里：L代表器件的平均壽命；A為常數(shù)；Ea代表活化能；K是波爾茲曼常數(shù)；T為溫度。3.加速壽命試驗5.阿倫尼斯方程（1）：可以通過對阿倫尼斯方程變形得到加速因子：則已知加速測試壽命時間為τs的情況下，可根據(jù)公式快速求出器件在某正常溫度下的工作壽命τO。：例：器件在150℃工作了1000個小時（假設(shè)無失效），問器件可在55℃下工作多久？假設(shè)活化能0.7eV。解：τO=τs*AF=1000*EXP{(0.7/8.617x10-5)x[1/(273+55)-1/(273+150)]}=1000*260=260000(小時）=27.6（年）3.加速壽命試驗6.阿倫尼斯方程（2）：通過失效率計算電子元器件的平均壽命：1）指數(shù)分布的失效率為恒定值，且與時間無關(guān)。2）指數(shù)分布的平均壽命是一常數(shù)，且與失效率互為倒數(shù)。3）該公式用區(qū)間估值法估算整體的平均壽命，考慮了抽取的樣本數(shù)以及信心指數(shù)。4）樣本數(shù)越大，估計的精度越高。3.加速壽命試驗7.加速壽命試驗的方案確定：1）試驗樣品的抽取方法和數(shù)量的確定。>抽取的樣品必須具有代表性且經(jīng)過可靠性篩選，且是隨機抽?。?gt;樣品數(shù)量的多少，將影響可靠性壽命估計的精確度，樣品數(shù)量大，試驗時間短，試驗結(jié)果精確。但工作量大，成本高。2）試驗應(yīng)力的選擇和應(yīng)力水平的確定。>試驗應(yīng)力大小通常以不改變元器件在正常使用條件下的失效機理為原則。3）測試周期的確定。>測試周期的選擇將直接影響到產(chǎn)品可靠性指標的估計精度。4）試驗截止時間的確定。>對于低應(yīng)力壽命試驗，常采用定時截尾；>對于高應(yīng)力壽命試驗，常采用定數(shù)截尾。5）失效標準或失效判據(jù)>壽命試驗中一般規(guī)定，只要產(chǎn)品中有一項指標（參數(shù)）超出了技術(shù)指標（Specification）就判為失效。6）確定應(yīng)測量的量（參數(shù)）和測試方法。3.加速壽命試驗8.加速壽命試驗業(yè)界的標準：1）JESD22-A108;2）MIL-STD-883(Method1005);3）EIAJED-4701。JESD47關(guān)于HTOL(HighTemperatureOperationLife)測試條件的摘錄：常見的加速壽命測試條件：1）125℃，1000H，3Lots/77units2）125℃，500H，3Lots/30units（291年）3）125℃，500H，3Lots/77units（374年）4）150℃，300H，3Lots/40units5）150℃，168H，3Lots/77units（420年）6）150℃，2000H，3Lots/77units3.加速壽命試驗9.代表廠商的加速壽命試驗條件：HTOL美國歐洲日本臺灣供應(yīng)商TIONIDTNXPSTTOSHIBAREALTEKWINBOND樣本數(shù)7777777780308477測試條件125C125C125C150C150C125C125C125C測試時間1000H1000H1000H1000H1008H1000H1000H1000H壽命計算748年748年748年2501年2619291年816年748年除日本企業(yè)一般遵從JIS標準外，其他國家和地方企業(yè)一般遵從JEDEC標準——以上表格內(nèi)數(shù)據(jù)只代表各企業(yè)具體某顆器件的壽命試驗條件，不具備代表性。4.小結(jié)1.可靠性和壽命關(guān)系雖然密切，但不是同一概念，不可混為一談。一般，電子元器件的平均壽命越長，其短時間內(nèi)工作的可靠性就越高。高可靠，指產(chǎn)品完成要求任務(wù)的把握非常高；長壽命，指產(chǎn)品可以用很長時間并且性能良好。2.可靠性試驗指的是為提高產(chǎn)品的可靠性而進行的有關(guān)產(chǎn)品的失效及其效應(yīng)的試驗的總稱。它貫穿于產(chǎn)品的研制、設(shè)計、制造和使用的各個階段，只是試驗條件會隨著各階段的試驗?zāi)康牡母淖兌淖儭?.加速壽命試驗的目的和意義：1）可以在較短時間內(nèi)用較少元器件估計高可靠元器件的可靠性水平，運用外推方法可快速計算元器件在額定或?qū)嶋H使用條件下的可靠度或失效率；2）可以在較短時間內(nèi)提供試驗結(jié)果，檢驗工藝改進效果，并比較不同工藝的好壞；3）可以在較短時間內(nèi)暴露元器件的失效類型及形式，便于對失效機理進行研究，找到根本原因，為產(chǎn)品可靠性提供依據(jù)；5.附錄1.卡方經(jīng)驗值表5.附錄2.不同失效機理的活化能(Ea)值（一般Ea取0.7eV）5.附錄3.壽命計算公式5.附錄4.加速壽命試驗之Tj(JunctionTemperature)計算：TJ=Pd*θJA+TAPd=Corepower+I/OswitchingpowerCorepower=VDD(max.)xIDDI/Oswitchingpower=αxfxCLxV2x(numberofI/Osthatareswitchingα=0.5forsingledatarateOR1fordoubledataratedevicesf=operatingfrequencyCL=external