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电工电子产品加速寿命试验_加速因子的计算及试验条件

电工电子产品加速寿命试验_加速因子的计算及试验条件


  一、加速寿命试验概述

  加速寿命试验,是指在进行合理工程及统计假设的基础上,利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换,得到试件在额定应力水平下可靠性特征的可复现的数值估计的一种试验方法。加速寿命试验采用加速应力进行试件的寿命试验,从而缩短了试验时间,提高了试验效率,降低了试验成本,其研究使高可靠长寿命产品的可靠性评定成为可能。按照试验应力的加载方式,加速寿命试验通常分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验。

  进行加速寿命试验必须确定一系列的参数,包括(但不限于): 试验持续时间、样本数量、试验目的、要求的置信度、需求的精度、费用、加速因子、外场环境、试验环境、加速因子计算、威布尔分布斜率或β参数(β 《 1表示早期故障,β 》 1 表示耗损故障) 。用加速寿命试验方法确定产品寿命,关键是确定加速因子,而有时这是最困难的。

  二、加速寿命试验类型

  1、恒定应力试验(Constant-Stress TesTIng: CST)

  其特点是对产品施加的“负荷”的水平保持不变,其水平高于产品在正常条件下所接受的“负荷”的水平。试验是将产品分成若干个组后同时进行,每一组可相应的有不同的“负荷”水平,直到各组产品都有一定数量的产品失效时为止。恒定应力试验的应力加载时间历程见图中的(a),优点是模型成熟、试验简单、易成功,缺点是试验所需试样多,试验时间较长。这种试验应用最广。

  2、步进应力试验(Step-Up-Stress TesTIng: SUST)

  此试验对产品所施加的“负荷”是在不同的时间段施加不同水平的“负荷”,其水平是阶梯上升的。在每一时间段上的“负荷”水平,都高于正常条件下的“负荷”水平。因此,在每一时间段上都会有某些产品失效,未失效的产品则继续承受下一个时间段上更高一级水平下的试验,如此继续下去,直到在最高应力水平下也检测到足够失效数(或者达到一定的试验时间)时为止。步进应力试验的应力加载时间历程见图 中的(b),优点是试验所需试样较少,加速效率相对较高,缺点是试验数据统计分析难度大。

  3、序进应力加速寿命试验(Progressive Stress TesTIng: PST)

  序进应力试验方法与步进应力试验基本相似,区别在于序进应力试验加载的应力水平随时间连续上升。图 中的(c)表示了序进应力加载最简单的情形,即试验应力随时间呈直线上升的加载历程。序加试验的特点是应力变化快,失效也快,因此序加试验需要专用设备跟踪和记录产品失效。这种试验方法优点是效率最高,缺点是需要专门的装置产生符合要求的加速应力,相关研究和应用较少。

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  三、进行试验的条件

  若加速寿命与实用寿命的失效模式相同,即可运用加速寿命试验。但实际上,有时失效模式相同,失效机构(Mechanism)却不同,或即使失效机构亦相同,但失效判定条件或使用条件变动的话,加速性就变化。在长期的研发改进过程中,产品的设计或制造方法都可能发生变化,顾客的使用条件方可能发生变化;或是以规定的技术方法所生产的产品,也因存在无法控制的因素影响,造成失效机构的改变,这些都可能造成无法利用加速寿命试验。

  四、寿命试验常见的物理模型

  1、失效率模型

  失效率模型是将失效率曲线划分为早期失效、随机失效和磨损失效三个阶段,并将每个阶段的产品失效机理与其失效率相联系起来,形成浴盆曲线。该模型的主要应用表现为通过环境应力筛选试验,剔除早期失效的产品,提高出厂产品的可靠性。

  失效率模型图示:

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  2、应力与强度模型

  该模型研究实际环境应力与产品所能承受的强度的关系。

  应力与强度均为随机变量,因此,产品的失效与否将决定于应力分布和强度分布。随着时间的推移,产品的强度分布将逐渐发生变化,如果应力分布与强度分布一旦发生了干预,产品就会出现失效。因此,研究应力与强度模型对了解产品的环境适应能力是很重要的。

  3、最弱链条模型

  最弱链条模型是基于元器件的失效是发生在构成元器件的诸因素中最薄弱的部位这一事实而提出来的。

  该模型对于研究电子产品在高温下发生的失效最为有效,因为这类失效正是由于元器件内部潜在的微观缺陷和污染,在经过制造和使用后而逐渐显露出来的。暴露最显著、最迅速的地方,就是最薄弱的地方,也是最先失效的地方。

  4、反应速度模型

  该模型认为元器件的失效是由于微观的分子与原子结构发生了物理或化学的变化而引起的,从而导致在产品特性参数上的退化,当这种退化超过了某一界限,就发生失效,主要模型有Arrhenius模型和Eyring模型等。


  五、加速因子的计算

  加速环境试验是一种激发试验,它通过强化的应力环境来进行可靠性试验。加速环境试验的加速水平通常用加速因子来表示。加速因子的含义是指设备在正常工作应力下的寿命与在加速环境下的寿命之比,通俗来讲就是指一小时试验相当于正常使用的时间。因此,加速因子的计算成为加速寿命试验的核心问题,也成为客户最为关心的问题。加速因子的计算也是基于一定的物理模型的,因此下面分别说明常用应力的加速因子的计算方法。

  1、温度加速因子

  温度的加速因子由Arrhenius 模型计算:

电工电子产品加速寿命试验_加速因子的计算及试验条件

  其中,Lnormal为正常应力下的寿命,Lstress为高温下的寿命,Tnormal为室温绝对温度,Tstress为高温下的绝对温度,Ea为失效反应的活化能(eV),k为Boltzmann常数,8.62&TImes;10-5eV/K,实践表明绝大多数电子元器件的失效符合Arrhenius 模型,表1给出了半导体元器件常见的失效反应的活化能。

电工电子产品加速寿命试验_加速因子的计算及试验条件

  表1 半导体元器件常见失效类型的活化能
 

  2、电压加速因子

  电压的加速因子由Eyring模型计算:

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  其中,Vstress为加速试验电压,Vnormal为正常工作电压,β为电压的加速率常数。

  3、湿度加速因子

  湿度的加速因子由Hallberg和Peck模型计算:

电工电子产品加速寿命试验_加速因子的计算及试验条件

  其中,RHstress为加速试验相对湿度,RHnormal为正常工作相对湿度,n为湿度的加速率常数,不同的失效类型对应不同的值,一般介于2~3之间。

  4、温度变化加速因子

  温度变化的加速因子由Coffin-Mason公式计算:

电工电子产品加速寿命试验_加速因子的计算及试验条件

  其中,电工电子产品加速寿命试验_加速因子的计算及试验条件为加速试验下的温度变化,电工电子产品加速寿命试验_加速因子的计算及试验条件为正常应力下的温度变化,为温度变化的加速率常数,不同的失效类型对应不同的值,一般介于4~8之间。

  5、计算实例

  例题:某种电子产品在室温下使用,计划在75*C、85%RH下做加速寿命测试,计算该加速试验的加速因子。

电工电子产品加速寿命试验_加速因子的计算及试验条件

  解析:

  本试验涉及温度和湿度两种应力,因此,分别计算各应力的加速因子,然后相乘得到整个加速试验的加速因子。

  其中,Ea为激活能(eV), k为玻尔兹曼常数且k=8.6X10*eV/K, T为绝对温度、RH为相对湿度(单位%),一般情况下n取为2。

  根据产品的特性, 取Ea为0.6eV,室温取为25C、75%RH,把上述数据带入计算,求AF=37, 即在75C、85%RH下做1小时试验相当于室温下寿命约37小时。

  还需要说明的一点是,加速因子的计算公式都是建立在特定的模型基础。上的,而模型的建立往往会包含一些假设,并且会忽略或简化次要的影响因素,因此计算的结果也仅仅具有指导和参考意义,不能死板地认为只要试验足够时间就一定能确保产品的寿命。

  六、加速寿命试验方法

  1、常用加速寿命试验方法

  目前常用的加速寿命试验方法分为以下三种:

  (1)恒定应力加速寿命试验:该试验方法是将试样分为几组,每组在固定的应力水平下进行寿命试验,各应力水平都高于正常工作条件下的应力水平, 试验做到各组样品均有一定数量的产品发生失效为止。

  (2)步进应力加速寿命试验:该试验方法是预先确定一组应力水平,各应力水平之间有一定的差距,从低水平开始试验,一段时间后,增加至高-一级应力水平,如此逐级递增,直到试样出现一定的失效数量或者到了应力水平的极限停止试验。

  (3)序进应力加速寿命试验:该试验方法是将试样从低应力开始试验,应力水平水试验时间等速升高,直到一定数量的失效发生或者到了应力水平的极限为止。

  上述三种加速寿命试验方法,以恒定应力加速寿命试验最为成熟。尽管这种试验所需时间不是最短,但比一般的寿命试验的试验时间还是缩短了不少。因此它还是经常被采用的试验方法。后面两种试验方法对设备都有比较高的要求, 试验成本比较高,因此目前开展的比较少。

  2、高加速寿命试验

  高加速寿命试验(HALT) 是目前比较先进成熟的寿 命试验方法,属于步进应力加速寿命试验,具体含义是指在产品设计和制造工艺设计过程中,在加速测试环境下对产品施加所有可能达到的应力以期找到设计和制造工艺中的薄弱环节,并针对每一个薄弱环节提供改进设计和制造工艺的机会,从而达到缩短设计周期、提高可靠性和降低成本的目的。

  HALT测试施加的应力并不是完全模拟产品使用过程中出现的应力,而是对少量样品施加较大应力在短时间内发现产品设计和制造中存在的问题, 施加的应力逐步提高并超过使用环境的应力范围,解诀测试中所发现的问题,直到产品强度达到技术要求。

  HALT主要测试过程为:逐步施加应力直到产品失效或出现故障;采取修正措施,修正产品的失效或故障;继续逐步施加应力直到产品再次失效或出现故障,并再次加以修正,重复以上应力-失效-修正的步骤;找出产品的基本操作界限和基本破坏界限。可施加的应力包括振动、高低温、温度循环、电力开关循环、电压边际及频率边际测试等。

  典型的HALT试程包括以下几个过程:1) 低温步进应力试验;2) 高温步进应力试验;3) 快速热循环试验;4) 振动步进应力试验;5)综合应力试验

  概括来讲,HALT是一种发现缺陷的工序,它通过设置逐级递增的环境应力,来加速暴露试验样品的缺陷和薄弱点,然后对暴露的缺陷和故障从设计、工艺和用料等诸方面进行分析和改进,从而达到提升产品可靠性的目的,其最大的特点是设置高于样品设计运行限的环境应力,从而使暴露故障的时间大大短于正常可靠性应力条件下的所需时间。


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