老化、环境及可靠性试验

电话： 87236376 传真： 87237185 邮编： 510610 地址：广州市天河区东莞庄路 110号 信息 产业部电子第五研究所 元器件可靠性研究分析中心 授课： 冯敬东 老化、环境及可靠性试验 2 1. 1 概述 产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力，就叫做电子产品的可靠性。可靠性试验是为产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。 可靠性试验目的： (a)发现产品在设计、材料和工艺方面的各种 缺陷。 (b)为改善产品完好性、减少维修费用及保障 费用 提供信息。 (c)确认是否符合可靠性定量要求。 (c)评价产品的使用寿命。 一、可靠性试验及目的 3 1. 1 概述 10 规则： 当讨论产品在不同环境下的使用寿命时 ,一般采用 “ 规则 ” 的表达方式。具体应用时可以表达为 “ 10 规则 ” ，即当周围环境温度上升 10 时，产品寿命就会减少一半；当周围环境温度上升 20 时，产品寿命就会减少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响产品寿命（失效）的。 二、基本知识和术语 4 1. 1 概述 二、基本知识和术语 浴盆曲线： 通常将电子元件和设备失效率数值连接成曲线后就会得出所示的 “ 浴盆曲线 ” 。 此图表明半导体元器件与电子器件失效曲线是随着操作时间变化而变化。产品不同阶段失效原因可以用右边表格说明 失效时期 早期失效期 随机失效期 退化失效期 常见失效机理和原因 不够完善 的生产 存在缺陷 的材料 不合适的 环境 不够完善 的设计 外部振动 使用人员 误用 环境条件 的变化波 动 不良抗压 性能 氧化 疲劳 老化 性能 退化 腐蚀 5 第一章 可靠性概论 可靠性工作的技术内容 1. 可靠性技术是研究如何评价、分析和提高产品可靠性的一门综合性的学科。 2. 可靠性工作的技术内容包括： 可靠性系统分析、 可靠性设计、 可靠性生产、 可靠性维护、 可靠性失效分析、 可靠性数据收集处理和交换技术、 可靠性试验、 6 第二章 可靠性试验的分类 可靠性试验分类 可靠性试验对于不同的应用有不同的分类方法 试验目的分类、试验场地分类、试验方法分类是常用的 3种分类方法 一般工程和系统人员大部分采用第一种按试验目的分类 元器件采用第三种按试验方法分类 7 第二章 可靠性试验的分类（ 1） 可靠性试验按试验目的可分为 工程试验 与 统计试验 两大类 可靠性试验 工程试验 统计试验 环境应 力筛选 可靠性 增长 可靠性 鉴定 可靠性 验收 试验目的分类 8 第二章 可靠性试验的分类（ 1） 工程试验的内容： 包括 筛选试验 和 可靠性增长试验 。 工程试验的目的： 暴露产品设计、工艺、元器件、原材料的可靠性缺陷，对产品的故障原因进行分析并采取有效的针对性纠正措施加以排除。 工程试验由承制方进行，以研制样机为受试产品 工程试验 9 第二章 可靠性试验的分类（ 1） 筛选试验 筛选试验的内容： 常规条件筛选试验、老化筛选试验和环境应力筛选试验（包括机械应力、电应力、热应力、严寒等）。 美军方试验方法 筛选试验的目的： 通过检验剔除不合格的或有可能早期失效的产品，消除在早期失效期发生的产品缺陷及不良问题，提高产品的可靠性。 筛选试验的方法： 规定条件下的目视检查、功能测量、参数检测、密封性检查等。 10 第二章 可靠性试验的分类（ 1） 可靠性增长试验 可靠性增长试验的定义： 通过试验逐步改正产品设计和制造中的缺陷，不断提高产品可靠性的过程。 可靠性增长试验的特点： a. 针对产品的薄弱环节进行 b. 改进后产品原来的薄弱环节不重现或出 现率低于允许的水平 c. 验证条件与原故障发生的条件一致或更严酷 可靠性增长试验的过程： （再）设计 故障发生 11 第二章 可靠性试验的分类（ 1） 统计试验的内容： 可靠性鉴定试验 和 可靠性验收试验 ，还有一种目的不在验收与否的试验 可靠性测定试验 ，是研制方对自身产品当前达到的可靠性水平的信息获取。 统计试验的目的： 验证产品是否达到规定的可靠性标准 ， 统计试验 12 第二章 可靠性试验的分类（ 1） 鉴定试验 可靠性鉴定试验的目的是为了验证产品的可靠性，确定产品可靠性与设计要求可靠性的一致性，而不是在于暴露产品的可靠性缺陷 ， 同时鉴定试验在很大程度上可作为产品定型试验 。 可靠性鉴定试验方案和试验内容 主要是由承制方制定。 13 第二章 可靠性试验的分类（ 1） 验收试验 验收试验的目的： 是确定产品是否符合规定的可靠性要求 验收试验对产品的要求： 用已交付产品或可交付的产品。 验收试验的前期工作： 在系统或设备的可靠性验收试验开始以前，必须对元器件、零部件及设备完成环境试验（包括冲击、振动、离心、温度、湿度、沙劣、盐雾、核梅射、电磁干扰等等） ，和单项试验（抗静电试验、电磁辐射、安全性试验），容许的边缘环境条件考核产品。 14 第二章 可靠性试验的分类（ 2） 可靠性试验按试验场地分可以是 试验室试验 也可以是 使用现场试验 实验室试验： 在试验室内模拟实际使用条件或在规定的工作及环境条件下进行的试验。 使用现场试验： 原则上现场试验最能忠实地反映产品的实际可靠性水平。 只需做好统计，不用另外找样品做试验。 试验场地分类 15 从广义上来说，凡属与可靠性有关的试验都属于可靠性试验。例如，筛选试验、质量认证试验、产品的交收验收试验、产品的质量检验等等。本节可靠性试验分类，指专门用来评价产品可靠性特征量或用来确定产品失效模式而作的各类试验。 试验主要有 寿命试验 、 评价鉴定试验 、环境适应性试验 等 。 第二章 可靠性试验的分类（ 3） 试验方法分类 16 第二章 可靠性试验的分类（ 3） 寿命试验（耐久性试验 )： 寿命试验为了评价分析产品在规定使用和维护条件下的使用寿命而进行的一种试验。用于调查分析何时出现电子元器件和机械零件的摩耗和使用寿命的问题，使用寿命的故障分布函数呈什么样的形状；以及分析失效率上升的原因。专门用来评价产品可靠性特征量或用来确定产品失效模式而进行的一种试验 。 试验内容包括： 贮存寿命试验 工作寿命试验 加速寿命试验 寿命试验 17 第二章 可靠性试验的分类（ 3） 序进应力 加速 寿命试验 长期 工作 贮存 评价鉴定 试 验 环境适应性 试 验 设备 MTBF试验 元器件失效率试验 常规 加速 人工模拟 现场使用试验 天然暴露试验 非截尾 截尾 定时 定数 恒定应力 步进应力 试验分类图 18 在失效率试验和验收试验中常采用 截尾试验 和 非试尾试验 试验一直进行到全部试验样品都失效才截止的试验，称为非截尾试验 ; 试验进行到规定的时间就截止的试验，称为定时截尾试验，试验进行到规定失效数就截止的试验，称为定数截尾试验。 根据试验过程中失效样品是否可以替换的情况，还可分为有替换试验和无替换试验 截尾和非截尾试验 第二章 可靠性试验的分类 （ 3） 19 比对试验： 1。选择同种产品中可靠性最好的 2。选择同种产品中技术指标最好的 3。选择同种产品中某项技术指标最好的 4。选择几个生产批次中最好的 对产品优劣的评价必需综合考虑，在比对试验中为了尽快地出结果，可以考虑加速试验方法。 第二章 可靠性试验的分类 （ 3） 生产中常用的试验 20 型式试验 （ 验证试验 、 定型试验 ） 型式试验在产品研制和开发阶段同步或后期进行 ， 试验目的是考核研制的产品在满足技术指标情况下对各种环境条件的适应性 。 为生产的产品取得相应质量许可作准备 。 第二章 可靠性试验的分类 生产中常用的试验 阶段 材料和内容 常用的环境条件 开发阶段 元件、器件 高温、低温 集成电路 高温、静电 连接器 高温、低温、温度冲击、湿热 PCB板 湿热、湿热加电、气体腐蚀 生产阶段 焊接材料 温度冲击、机械振动 树脂材料 高温、温度冲击 器件、集成电路 静电防护 成品 环境适应性 高温、低温、温度冲击、湿热 老化 高温加电 耐久性 高温时间 21 其他试验 （ 在实际工作中常发生 ） 在用户的使用中往往会提出比某一项原定技术指标更高要求的使用条件 ， 因此必须进行超额使用的试验 。 例如 230 、 10秒的耐焊接热元器件 ， 能否在260 、 6秒的条件下使用 生产中常用的试验 第二章 可靠性试验的分类 22 第三章 可靠性试验 可靠性试验的要素 1. 试验条件： 可靠性试验的条件既要考虑到受试产品的固有特性， 还要考虑到影响受试产品故障出现的其他因素 。 在选定产品可靠性试验的条件时 ， 应考虑下述内容 : (a)要求或进行可靠性试验的基本理由； (b)预期产品使用条件的变化； (c)使用条件中的不同应力因素引起产品故障的可能性； (d)不同试验条件下需要的试验费用； (e)可供可靠性试验用的试验设备； (f)可供试验用的时间； (g)预计的不同试验条件下的产品可靠性特征值 。 23 2. 故障判据 对于产品的每一个需要监测的参数应规定它的容差限 。 由于测量错误或外部测试设备出故障而产的故障现象不能认为是受试产品的故障。 如果出现两个或更多的独立故障原因，则每一个故障原因都认为是受试产品的一个故障。 对产品施加了超出其规定忍受能力范围的应力而造成的故障称为误用故障，属非关联故障。 关联故障 和非关联故障与产品可靠性鉴定或验收试验的关系。 第三章 可靠性试验 可靠性试验的要素 24 3. 1可靠性试验的基本原则 可靠性测定试验、验证试验、增长试验的环境条件应尽可能反映产品在现场使用与任务环境的特征 投人可靠性试验的受试产品应该已经过筛选、老炼，排除了产品早期故障，应该己经通过环境适应性试验。因此，环境适应性试验和应力筛选应排在可靠性试验之前。 在进行可靠性试验之前应该取得试验设备、仪器、仪表工作符合规定要求的报告。 第三章 可靠性试验 可靠性试验的基本原则 25 第三章 可靠性试验 3. 2 可靠性试验的综合安排 试验计划的安排应该尽可能把可靠性试验、性能试验、环境试验和耐久性试验结合起来，构成一个比较全面的可靠性的综合试验计划 产品的性能测试一般在产品的样机生产出来之后就立即进行。产品的性能特性参数有规定的容许限。如果性能特性参数落入容许限，产品的性能是合格的 在试验前、试验中、试验后，都应进行产品性能测试，并记录试验前、中、后的技术参数。 先进行产品的筛选、老炼，排除产品的早期故障，使产品的故障率趋于稳定，这样在可靠性试验中可反映出产品的固有可靠性，而不是暴露产品的早期故障 。 可靠性试验的综合安排 26 筛选的定义：采用非破坏性应力检查所有产品消 除隐患 . 筛选的作用：在生产期间排除良好设计的产品在 制造过程中引入缺陷的工艺手段。 筛选的适用范围：包括产品研制阶段（工程设计 人员）、批生产阶段和出厂前 筛选的特点：环境应力筛选是一种工艺，而不是 一种试验。 筛选是 100对产品进行 筛选的目的：是迫使存在于产品中的会变成早期 故障的缺陷提前变成故障 参照标准： 国军标 GJB1032“电子产品环境应力筛选方法 ” 第四章 筛选试验 环境应力筛选定义及其说明 27 筛选试验可以在元件 、 器件 、 连接器等产品或整机系统中进行 ， 根据要求不同可以有不同的应力筛选试验 ， 环境应力筛选的主要试验为： 电应力筛选： 加电工作试验 、 加电加负荷试验 温度应力筛选： 高温 、 低温 、 高温工作或低温工作 环境应力筛选： 温度变化 机械应力筛选： 冲击或振动 其他筛选： 参数筛选 、 一致性筛选 筛选试验也可分为普通筛选 （ 一次筛选 ） 、 精密筛选 （ 二次筛选 ） 第四章 筛选试验 环境应力筛选定义及其说明 28 不存在一个通用的，对所有产品都具有最佳效果的筛选方法， 筛选是一个动态的闭环过程，生产早期确定的筛选方法同样需要进行改变。 一个良好的环境应力筛选具备以下特性 : （ a) 能够很快析出潜在缺陷 ， 包括能析出适当数量的固有 (设计 )缺陷； (b)不会引起不适当的设计故障 ， 诱发附加的故障 ，消耗受筛产品寿命 。 (c)不应对制造过程控制增加不适当限制 。 筛选试验也分为 : 普通筛选 （ 一次筛选 ） 、 精密筛选 （ 二次筛选 ） 第四章 筛选试验 环境应力筛选的特性 29 第四章 筛选试验 温度变化筛选 与温度变化相比 ， 不管温度幅度多大 ， 恒定高温筛选效果远低于温度变化 。 温度变化诸参数中， 对筛选效果最有影响的是温度变化范围R、 温度变化速率 V以及循环次数 N。 提高温度变化范围和变化速率能加强产品的热胀 冷缩程度和缩短这一过程的时间 30 第四章 筛选试验 进行扫频正弦振动时 ， 其频率在给定频段内慢速变化 ， 因而能在每个谐振频率上持续一段时间 ， 使激发缺陷的能力有所加强 ，但陷藏较深的缺陷仍不易暴露 。 进行随机振动时 ， 所有谐振频率在整个振动时间内同时受激励 ， 激发能力大大加强 。 可见在振动筛选中 ， 随机振动是最有效的， 其次为扫频正弦振动 。 各种振动方式激发 故障的曲线图。 机械振动筛选 31 (a)环境应力筛选不应改变产品失效机理； (b)由于筛选的目的是剔除早期故障 ， 因此不必准确模拟产品真实的环境条件； (c)筛选可以提高批产品的可靠性水平 ， 但它不能提高产品的固有可靠性 ， 只有改进设计 、 工艺等才能提高后者； (d)对于关键设备 ， 应实施三级 (元器件级 、 电路板级、 设备级 )100%的环境应力筛选； (e)它不是可靠性鉴定 、 验收试验 ， 但经过筛选的产品有利于鉴定和验收试验的顺利进行 。 第四章 筛选试验 筛选试验的注意事项 32 通电老化试验： 目的是为了通过试验剔除浴盆曲线中的早期失效 ， 常用于整机 、 组件 。 为了保证试验时不使产品劣化变质 ， 达到甄选缺陷品的目的 ， 其重点是试验条件如何设定 。 通电老化试验时要注意的问题： 使用的应力类型及应力参数； 老化时间； 通 /断电要求； 检测要求； 无故障数量要求 。 第四章 筛选试验 老化试验 33 环境应力条件可以引起产品失效， Hughes航空公司（美国）技术资料明确地表示了失效与环境应力的关系。图中可见在各种应力影响之中温度和湿度所引发的失效占所有环境应力引发失效的 60%左右。 第五章 环境试验 34 第五章 环境试验 环境试验目的： 1 观察产品在各种环境下的适应性和耐受性 2 排除早期失效提高产品的质量 3 为失效分析提供验证和有效的信息 4 为寿命试验和加速寿命试验提供试验手段 环境试验的意义 ： 环境试验贯穿于电子电工产品的设计 、 试制 、 生产 、 销售 、 使用的全过程 ， 通常是设计 环境试验 改进 再环境试验 直至投产 。 环境试验做得越仔细越严格 ， 改进提高得越好 ， 在使用中越可靠 。 因此环境试验是可靠性试验的基础和最常用的技术手段 35 第五章 环境试验 环境试验的试验顺序 电子电工产品的环境试验方法很多 ， 这就有一个试验顺序的问题 。 所谓试验顺序 ， 是指对同一产品进行二种或二种以上的单因素人工模拟试验时 ， 应先进行什么试验 ， 后进行什么试验 。 试验顺序通常对试验结果是有影响的 ， 如果选择不当会造成试验结果不真实 ， 甚至造成试验中断 ， 所以必须合理的确定试验顺序 。 (1)根据试验目的来确定试验顺序 (2)根据实际遇到的环境因素来确定试验顺序 (3)根据能对产品产生最大的影响来确定试验顺序 (4)根据试验的经费和时间确定试验顺序 36 温度应力失效 环境应力条件 敏感元件和材料 分类（原因） 失效模式 老化 抗拉强度老化绝缘强度老化 温度时间 塑料、树脂 化学变化 热分解 温度 塑料、树脂 高温氧化 氧化层的结构 温度 连接点材料、连接器 热扩散 引线断裂 温度时间 异金属连接部位 击穿 内在的短路，绝缘性差 高温（ 200-400 ） 银，金，铜，铁，镁，镍，铅，钯，铂，钽，钛，钨，铝 半导体损坏 热点、参数漂移 温度，电压，电子能 非均质材料 电迁移 断开引线 断裂 温度电流（密度为106A/cm2 例如，钨，铜，铝（特别是集成电路中的铝引线） 第五章 环境试验 温度应力对产品的影响 37 温度应力失效 环境应力条件 敏感元件和材料 分类（原因） 失效模式 金属迁移 短路 温度应力时间 银、铋、镉、铝、铅、锡、锌 金属蔓延 疲劳，损坏 温度应力时间 弹簧，结构元件 软化，熔化 汽化 扭曲 温度 金属，塑料，热保险丝、 金属脆化 损坏、断裂 低温 体心立方晶体（例如铜，钼，钨）和密排立方晶体（例如锌，钛，镁）及其合金 塑料脆化 损坏、爆裂 低温低湿度 低弹性的非晶体 (例如苯乙烯，丙烯酸甲酯 )、密封圈 焊剂流动 噪声，连接不实 低温 特别是连接到印刷电路板上的元件 (例如开关，连接器件 第五章 环境试验 温度应力对产品的影响 38 湿度应力失效 所使用的环境条件 敏感元件和材料 一般分类 媒介分类或原因 失效模式 水 气 吸 附 吸 收 扩散 膨胀绝缘性能变差潮解 湿度 使用低结晶度的极性树脂 （ 例如聚酰胺 、 聚乙烯醇 、 酚醛树脂 ） 封装 、 覆盖或者构造元件 水解 化学变化 温度 +湿度 聚碳酸酯 、 聚酯 、 聚甲醛 、 对苯二甲酸丁二酯 微细爆裂（细线爆裂，吸气） 湿气渗透 绝缘性能变差 潮解 湿度、温湿度循环冷热冲击 +湿度 温度循环 +湿度 用树脂覆盖或者封装元件 迁 移 离子迁移 短路 绝缘性能变差 湿度 +直流电场 铋 、 镉 、 铜 、 铅 、 锡 、 锌 、 银 湿度 +直流电场 +卤素离子 当与卤素共存时 ， 发生迁移的金属：金 、 铟 、 钯 、 铂 霉 菌 无 绝缘性能变差 质量变化 分解腐蚀 温度（ 25-35 C）+ 湿度（最小为90%） 塑料材料（例如聚氨酯、聚氯乙烯、环氧树脂、丙烯酸树脂、硅树脂、聚酰胺、 第五章 环境试验 湿度对产品的影响 39 湿度应力失效 所使用的环境条件 敏感元件和材料 一般分类 媒介分类或原因 失效模式 腐 蚀 电池腐蚀 颜色变化、阻抗增加、开路 湿度 +与外金属接触所形成的电势 连接 0.2伏电势的连接器或需更加仔细选择 电解腐蚀 湿度 +直流电场 例如电阻 、 封装集成电路的树脂 、 板 、 裂隙腐蚀 湿度 第五章 环境试验 湿度对产品的影响 40 机械应力 失效现象 受影响的部件 振动 断裂、脱落 瞬断、瞬接 共振 渗漏 元件、内部不良的元器件、接插件、装配件、紧固件 继电器 组件、整机 空腔密封的元器件 冲击 断裂、脱落、变形 元器件、接插件、装配件、紧固件 碰撞 断裂、脱落、变形 元器件、接插件、装配件、紧固件 第五章 环境试验 机械冲击和振动对产品的影响 41 冷热冲击试验 温度循环试验 温度变化速率 急剧 20 30 /min 缓慢 1 5 /min 循环次数 5 10个循环（多至 1000循环） 5 10个循环（多至 1000循环） 试验时间 短 长 用途 1 膨胀系数不同引起的连接部剥离 1 通过长期试验发现腐蚀倾向 2 膨胀系数不同龟裂后水分进入 2 长时间地多次循环观察应力疲劳现象 3 水分渗入导致腐蚀及短路现象发生的加速试验 3 调查分析市场失效的相关性 使用设备 冷热冲击试验箱 高低温试验箱 冷热冲击与温度循环的区别 第五章 环境试验 42 5 1 电子类环境试验标准 国标 GB2421 89“电工电子产品基本环境试验规程 总则” 对环境试验的规定适应于基本环境的各类试验 ， 并对试验方法的规定了编号 。 国标 GB2421 89“电工电子产品环境试验 术语 ” 国标 GB2423.1 GB2423.44全部为试验方法 ， 具体环境试验的标准可以参照单项的试验规范 ， 以下为国标提供的 44种环境试验的其中 4种 试验 A：低温试验方法 GB2423.1-89 试验 B：高温试验方法 GB2423.2-89 试验 Ca：恒定湿热试验方法 GB/T2423.3-93 试验 Db：交