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      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件

      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件


        一、加速壽命試驗概述

        加速壽命試驗,是指在進行合理工程及統計假設的基礎上,利用與物理失效規律相關的統計模型對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的可靠性信息進行轉換,得到試件在額定應力水平下可靠性特征的可復現的數值估計的一種試驗方法。加速壽命試驗采用加速應力進行試件的壽命試驗,從而縮短了試驗時間,提高了試驗效率,降低了試驗成本,其研究使高可靠長壽命產品的可靠性評定成為可能。按照試驗應力的加載方式,加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、步進應力試驗和序進應力試驗。

        進行加速壽命試驗必須確定一系列的參數,包括(但不限于): 試驗持續時間、樣本數量、試驗目的、要求的置信度、需求的精度、費用、加速因子、外場環境、試驗環境、加速因子計算、威布爾分布斜率或β參數(β 《 1表示早期故障,β 》 1 表示耗損故障) 。用加速壽命試驗方法確定產品壽命,關鍵是確定加速因子,而有時這是最困難的。

        二、加速壽命試驗類型

        1、恒定應力試驗(Constant-Stress TesTIng: CST)

        其特點是對產品施加的“負荷”的水平保持不變,其水平高于產品在正常條件下所接受的“負荷”的水平。試驗是將產品分成若干個組后同時進行,每一組可相應的有不同的“負荷”水平,直到各組產品都有一定數量的產品失效時為止。恒定應力試驗的應力加載時間歷程見圖中的(a),優點是模型成熟、試驗簡單、易成功,缺點是試驗所需試樣多,試驗時間較長。這種試驗應用最廣。

        2、步進應力試驗(Step-Up-Stress TesTIng: SUST)

        此試驗對產品所施加的“負荷”是在不同的時間段施加不同水平的“負荷”,其水平是階梯上升的。在每一時間段上的“負荷”水平,都高于正常條件下的“負荷”水平。因此,在每一時間段上都會有某些產品失效,未失效的產品則繼續承受下一個時間段上更高一級水平下的試驗,如此繼續下去,直到在最高應力水平下也檢測到足夠失效數(或者達到一定的試驗時間)時為止。步進應力試驗的應力加載時間歷程見圖 中的(b),優點是試驗所需試樣較少,加速效率相對較高,缺點是試驗數據統計分析難度大。

        3、序進應力加速壽命試驗(Progressive Stress TesTIng: PST)

        序進應力試驗方法與步進應力試驗基本相似,區別在于序進應力試驗加載的應力水平隨時間連續上升。圖 中的(c)表示了序進應力加載最簡單的情形,即試驗應力隨時間呈直線上升的加載歷程。序加試驗的特點是應力變化快,失效也快,因此序加試驗需要專用設備跟蹤和記錄產品失效。這種試驗方法優點是效率最高,缺點是需要專門的裝置產生符合要求的加速應力,相關研究和應用較少。

      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件

        三、進行試驗的條件

        若加速壽命與實用壽命的失效模式相同,即可運用加速壽命試驗。但實際上,有時失效模式相同,失效機構(Mechanism)卻不同,或即使失效機構亦相同,但失效判定條件或使用條件變動的話,加速性就變化。在長期的研發改進過程中,產品的設計或制造方法都可能發生變化,顧客的使用條件方可能發生變化;或是以規定的技術方法所生產的產品,也因存在無法控制的因素影響,造成失效機構的改變,這些都可能造成無法利用加速壽命試驗。

        四、壽命試驗常見的物理模型

        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、隨機失效和磨損失效三個階段,并將每個階段的產品失效機理與其失效率相聯系起來,形成浴盆曲線。該模型的主要應用表現為通過環境應力篩選試驗,剔除早期失效的產品,提高出廠產品的可靠性。

        失效率模型圖示:

      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件

        2、應力與強度模型

        該模型研究實際環境應力與產品所能承受的強度的關系。

        應力與強度均為隨機變量,因此,產品的失效與否將決定于應力分布和強度分布。隨著時間的推移,產品的強度分布將逐漸發生變化,如果應力分布與強度分布一旦發生了干預,產品就會出現失效。因此,研究應力與強度模型對了解產品的環境適應能力是很重要的。

        3、最弱鏈條模型

        最弱鏈條模型是基于元器件的失效是發生在構成元器件的諸因素中最薄弱的部位這一事實而提出來的。

        該模型對于研究電子產品在高溫下發生的失效最為有效,因為這類失效正是由于元器件內部潛在的微觀缺陷和污染,在經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、反應速度模型

        該模型認為元器件的失效是由于微觀的分子與原子結構發生了物理或化學的變化而引起的,從而導致在產品特性參數上的退化,當這種退化超過了某一界限,就發生失效,主要模型有Arrhenius模型和Eyring模型等。


        五、加速因子的計算

        加速環境試驗是一種激發試驗,它通過強化的應力環境來進行可靠性試驗。加速環境試驗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備在正常工作應力下的壽命與在加速環境下的壽命之比,通俗來講就是指一小時試驗相當于正常使用的時間。因此,加速因子的計算成為加速壽命試驗的核心問題,也成為客戶最為關心的問題。加速因子的計算也是基于一定的物理模型的,因此下面分別說明常用應力的加速因子的計算方法。

        1、溫度加速因子

        溫度的加速因子由Arrhenius 模型計算:

      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件

        其中,Lnormal為正常應力下的壽命,Lstress為高溫下的壽命,Tnormal為室溫絕對溫度,Tstress為高溫下的絕對溫度,Ea為失效反應的活化能(eV),k為Boltzmann常數,8.62&TImes;10-5eV/K,實踐表明絕大多數電子元器件的失效符合Arrhenius 模型,表1給出了半導體元器件常見的失效反應的活化能。

      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件

        表1 半導體元器件常見失效類型的活化能
       

        2、電壓加速因子

        電壓的加速因子由Eyring模型計算:

      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件

        其中,Vstress為加速試驗電壓,Vnormal為正常工作電壓,β為電壓的加速率常數。

        3、濕度加速因子

        濕度的加速因子由Hallberg和Peck模型計算:

      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件

        其中,RHstress為加速試驗相對濕度,RHnormal為正常工作相對濕度,n為濕度的加速率常數,不同的失效類型對應不同的值,一般介于2~3之間。

        4、溫度變化加速因子

        溫度變化的加速因子由Coffin-Mason公式計算:

      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件

        其中,電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件為加速試驗下的溫度變化,電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件為正常應力下的溫度變化,為溫度變化的加速率常數,不同的失效類型對應不同的值,一般介于4~8之間。

        5、計算實例

        例題:某種電子產品在室溫下使用,計劃在75*C、85%RH下做加速壽命測試,計算該加速試驗的加速因子。

      電工電子產品加速壽命試驗_加速因子的計算及試驗條件

        解析:

        本試驗涉及溫度和濕度兩種應力,因此,分別計算各應力的加速因子,然后相乘得到整個加速試驗的加速因子。

        其中,Ea為激活能(eV), k為玻爾茲曼常數且k=8.6X10*eV/K, T為絕對溫度、RH為相對濕度(單位%),一般情況下n取為2。

        根據產品的特性, 取Ea為0.6eV,室溫取為25C、75%RH,把上述數據帶入計算,求AF=37, 即在75C、85%RH下做1小時試驗相當于室溫下壽命約37小時。

        還需要說明的一點是,加速因子的計算公式都是建立在特定的模型基礎。上的,而模型的建立往往會包含一些假設,并且會忽略或簡化次要的影響因素,因此計算的結果也僅僅具有指導和參考意義,不能死板地認為只要試驗足夠時間就一定能確保產品的壽命。

        六、加速壽命試驗方法

        1、常用加速壽命試驗方法

        目前常用的加速壽命試驗方法分為以下三種:

       ?。?)恒定應力加速壽命試驗:該試驗方法是將試樣分為幾組,每組在固定的應力水平下進行壽命試驗,各應力水平都高于正常工作條件下的應力水平, 試驗做到各組樣品均有一定數量的產品發生失效為止。

       ?。?)步進應力加速壽命試驗:該試驗方法是預先確定一組應力水平,各應力水平之間有一定的差距,從低水平開始試驗,一段時間后,增加至高-一級應力水平,如此逐級遞增,直到試樣出現一定的失效數量或者到了應力水平的極限停止試驗。

       ?。?)序進應力加速壽命試驗:該試驗方法是將試樣從低應力開始試驗,應力水平水試驗時間等速升高,直到一定數量的失效發生或者到了應力水平的極限為止。

        上述三種加速壽命試驗方法,以恒定應力加速壽命試驗最為成熟。盡管這種試驗所需時間不是最短,但比一般的壽命試驗的試驗時間還是縮短了不少。因此它還是經常被采用的試驗方法。后面兩種試驗方法對設備都有比較高的要求, 試驗成本比較高,因此目前開展的比較少。

        2、高加速壽命試驗

        高加速壽命試驗(HALT) 是目前比較先進成熟的壽 命試驗方法,屬于步進應力加速壽命試驗,具體含義是指在產品設計和制造工藝設計過程中,在加速測試環境下對產品施加所有可能達到的應力以期找到設計和制造工藝中的薄弱環節,并針對每一個薄弱環節提供改進設計和制造工藝的機會,從而達到縮短設計周期、提高可靠性和降低成本的目的。

        HALT測試施加的應力并不是完全模擬產品使用過程中出現的應力,而是對少量樣品施加較大應力在短時間內發現產品設計和制造中存在的問題, 施加的應力逐步提高并超過使用環境的應力范圍,解訣測試中所發現的問題,直到產品強度達到技術要求。

        HALT主要測試過程為:逐步施加應力直到產品失效或出現故障;采取修正措施,修正產品的失效或故障;繼續逐步施加應力直到產品再次失效或出現故障,并再次加以修正,重復以上應力-失效-修正的步驟;找出產品的基本操作界限和基本破壞界限??墒┘拥膽Πㄕ駝?、高低溫、溫度循環、電力開關循環、電壓邊際及頻率邊際測試等。

        典型的HALT試程包括以下幾個過程:1) 低溫步進應力試驗;2) 高溫步進應力試驗;3) 快速熱循環試驗;4) 振動步進應力試驗;5)綜合應力試驗

        概括來講,HALT是一種發現缺陷的工序,它通過設置逐級遞增的環境應力,來加速暴露試驗樣品的缺陷和薄弱點,然后對暴露的缺陷和故障從設計、工藝和用料等諸方面進行分析和改進,從而達到提升產品可靠性的目的,其最大的特點是設置高于樣品設計運行限的環境應力,從而使暴露故障的時間大大短于正??煽啃詰l件下的所需時間。


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