可靠性试验介绍.ppt

可靠性环境试验介绍 1 环境应力与失效的关系 1 温度应力对产品的影响2 湿度对产品的影响3 冷热温度冲击对产品的影响4 机械冲击和振动对产品的影响 2 环境应力与失效的关系 1温度应力对产品的影响当讨论产品寿命时 一般采用 规则 的表达方式 具体应用时可以表达为 10 规则 等 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 高温对产品的影响 老化 氧化 化学变化 热扩散 电迁移 金属迁移 熔化 汽化变型等低温对产品的影响 脆化 结冰 粘度增大和固化 机械强度的降低 物理性收缩等 3 环境应力与失效的关系 2湿度对产品的影响高温高湿条件作用试验样品上 可以构成水气吸附 吸收和扩散等作用 许多材料在吸湿后膨胀 性能变坏 引起物质强度降低及其他主要机械性能的下降 吸附了水气的绝缘材料不但会引起电性能下降 在一定条件下还会引发各种不同的失效 是影响电子产品最主要的失效环境 湿度对产品的影响 腐蚀 离子迁移 扩散 水解 爆裂 霉菌 4 环境应力与失效的关系 湿度引起塑封半导体器件腐蚀的失效 在硅片上集成有大量电子元件的集成电路芯片及其元件通过导线连接起来构成电路 由于铝和铝合金价格便宜 加工工艺简单 因此通常被使用为集成电路的金属线 从进行集成电路塑封工序开始 水气便会通过环氧树脂渗入引起铝金属导线产生腐蚀进而产生开路现象 成为品质工程最为头痛的问题 人们虽然通过各种改善包括采用不同环氧树脂材料 改进塑封技术和提高非活性塑封膜为提高产品质量进行了各种努力 但是随着日新月异的半导体电子器件小型化发展 塑封铝金属导线腐蚀问题至今仍然是电子行业非常重要的技术课题 5 环境应力与失效的关系 铝线中产生腐蚀过程 水气渗透入塑封壳内 湿气渗透到树脂和导线间隙之中 水气渗透到晶片表面引起铝化学反应加速铝腐蚀的一些因素 铝金属导线腐蚀反应随着是否施加偏压而变化 树脂材料与晶片框架接口之间连接不够好 由于各种材料之间存在膨胀率的差异 封装时 封装材料掺有杂质或者杂质离子的污染 由于杂质离子的出现 非活性塑封膜中所使用的高浓度磷 非活性塑封膜中存在的缺陷 6 环境应力与失效的关系 3冷热温度冲击对产品的影响高温和低温的失效都会反映在冷热温度冲击试验中 冷热冲击试验只是加速了高温和低温失效的产生 下面归纳了实际生产或使用环境中存在的具有代表性的冷热温度冲击环境 这些冷热冲击环境常常是导致产品失效的主要原因 1 温度的极度升高导致焊锡回流现象出现 2 启动马达时周围器件的温度急速升高 关闭马达时周围器件会出现温度骤然下降 3 设备从温度较高的室内移到温度相对较低的室外 或者从温度相对较低的室外移到温度较高的室内 4 设备可能在温度较低的环境中连接到电源上 导致设备内部产生陡峭的温度梯度 在温度较低的环境中切断电源可能会导致设备内部产生相反方向陡峭的温度梯度 5 设备可能会因为降雨而突然冷却 6 当航空器起飞或者降落时 航空器机载外部器材可能会出现温度的急剧变化 7 环境应力与失效的关系 4机械冲击和振动对产品的影响机械冲击和振动主要是针对处于剧烈振动环境中的车用电子设备 可是最近由于一般电子设备也因为其便携化而变得易受振动 因此机械应力的应用范围也广泛了 机械应力所造成的失效主要是连接器 继电器等连接部件 当然对装配工艺不合理的设计也容易引起元器件的脱落和引线短裂 对元器件内部工艺不良的产品会引起开路 短路 间歇连接 8 加速寿命实验 加速候命试验的目的半导体工艺技术的创新在近几年盲目的推进 此外 由于最近要求缩短产品开发时间作为产品开发产品可靠性处于相同的情况 必须在短时间内知道可靠性特征 基于这种情况下加速的寿命试验是通过最小样品尺寸和最短的测试时间来知道可靠性的方法 JIS标准定义 加速试验 是 为了缩短测试时间执行比标准条件更严酷的条件下进行的测试 在严酷的条件下进行测试可用少点样品在短时间内预测市场失效率 因而减少要求的时间和费用证实可靠性 9 加速寿命实验 4 3 2温度加速温度对半导体的寿命影响是很大的 因此使用温度加速寿命的加速试验的最常见的方法 温度应力基于的反应是由空气统一 空气模型被广泛用于半导体产品寿命预测这种空气模型公式表示如下 寿命Ea 活化能 eV T 绝对温度 K A 常量k 波尔兹曼系数上述公式显示半导体寿命取决于半导体受到的温度 加速的测试利用这一特性被称为温度加速测试不过例如一些因为热载体的影响导致的失效 高能源载体产生的电场捕捉的栅氧化膜的现象 可能有负面的活化能值 当加速这些类型的失效 作为温度测试增加试验效果是减少的 10 加速寿命实验 4 3 3温湿度加速大规模集成电路在高温高湿环境为了解暴露在高温 高湿下进行测试半导体的寿命 高温高湿偏压测试 蒸汽压力测试 温湿度环境应力高加速试验等 通常都被用于湿度加速试验 湿度很少被用作确认防潮的唯一加速因子 而一般应用温度和湿度应力的组合 这为了促进湿度 水 的反应 并导致增加湿度寿命的加速 湿度相关寿命的一半公式表示如下 寿命A n 常量一直没有关于湿度相关寿命的标准化公式 与每个制造商使用他们自己的特征常数对加速的寿命计算结果 特别是与湿度加速度增加至约100 为加速目的相对湿度可能会导致样品冷凝 使它不可能确定原始的抗潮湿寿命 因此必须给予温湿度控制做过的关注 11 加速寿命实验 4 3 4电压加速根据器件特征电压加速试验有很大的不同 MOS双极和其他过程 电路配置 对MOS集成电路和通常用于评估栅氧化膜的抵抗来说电压加速试验是有效的 然而很难对双极大型集成电路做电压加速 电压加速寿命公式表示如下 寿命 常数V 电压 12 加速寿命实验 4 3 5温差加速半导体包括各种各样的材料的组合 并且这些材料的热膨胀系数也广泛的变化 每次器件经历温差因每种材料的热胀系数之间的差异导致损坏 内部力量 累积 或突然崩溃 导致最终失效 根据温度区别的加速测试被用于知道寿命 应用对试验器件是有效的比那些通常遇到更大的温度差的温度循环加速测试评价由温度差异所引起的损坏 当暴露于高低温 温度循环试验用于评估器件抵抗的测试 和抗暴露于在两个极限温度的温度变化的能力 这些测试允许确认半导体产品抗市场上温度的应力 例如 经历白天到夜间汽车内遗留的设备所经历的温度变化 电源开启或关闭器件从高温到自身温度的冷却 有关温差的寿命由Coffin Manson模式定义 且表示如下 寿命A m 常量这公式表明加速的测试可以通过提供达到温差建立温度循环寿命 13 环境试验内容 高温试验低温试验温度循环温度冲击恒温恒湿交变潮热 湿热 机械振动 跌落冲击和碰撞高压蒸煮试验盐雾试验气体腐蚀试验其他试验 14 环境试验内容 高温试验产品寿命遵循 10 规则 因而高温试验作为最常用的试验 用于元器件和整机的筛选 老化试验 寿命试验 加速寿命试验 评价试验 同时在失效分析的验证上起重要作用 高温试验的技术指标包括 温度 时间 上升速率 注意产品和元器件的最大耐受温度极限 样品放入试验箱内为保持样品的受热均匀性 样品距离箱壁的距离最少为5cmGB T2423 2中高温的试验方法分 散热样品的温度渐变 非散热样品的温度渐变试验结束后需要将样品在箱体内恢复至稳定状态 或将样品放置在常温常湿环境下进行恢复至稳定状态 15 环境试验内容 低温试验低温试验用于考核产品在低温环境条件下贮存和使用的适应性 常用于产品在开发阶段的型式试验 元器件的筛选试验 高温试验的技术指标包括 温度 时间 上升速率 注意产品从低温箱取出时由于温度突变会产生冷凝水 对温度循环 温度冲击 湿热试验均适用 样品放入试验箱内为保持样品表面温度的均匀性 样品距离箱壁的距离最少为5cmGB T2423 1中低温的试验方法分 散热样品的温度渐变 非散热样品的温度渐变试验结束后需要将样品在箱体内恢复至稳定状态 或将样品放置在常温常湿环境下进行恢复至稳定状态 在特定环境下会要求对样品吹稍热的风进行解冻再进行升温至稳定状态 16 环境试验内容 温度冲击温度冲击试验目的是为了在较短的时间内确认产品特性的变化 以及由于构成元器件的异种材料热膨胀系数不同而造成的故障问题 这些变化可以通过将元器件迅速交替地暴露于超高温和超低温的试验环境中观察到 冷热冲击试验不同于环境模拟试验 它是通过冷热温度冲击发现在常温状态下难以发现的潜在故障问题 决定冷热温度冲击试验的主要因素有 试验温度范围 暴露时间 循环次数 试验样品重量及热负荷等 温度冲击设备有 两箱法 三箱法和液槽式三种 其中设备内湿度不能超过50 RH即20g m 公司常做的快捷温度冲击的条件 65 150 停留时间14min 循环次数 300个 如下图为此试验单个循环的温度曲线 注意产品试验结束后应对样品有1 2小时的恢复期 17 环境试验内容 冷热冲击试验与温度循环试验的区别 18 环境试验内容 恒温恒湿产品失效因为湿度的影响占40 以上 因此湿度试验在环境试验中是必不可少的 常用于寿命试验 评价试验和综合试验 同时在失效分析的验证上起重要作用 尤其对含有树脂材料的产品在产品开发和质量评估时该试验是必须的 恒温恒湿的技术指标包括 温度 相对湿度 试验时间注意产品试验结束后应对样品有1 2小时的恢复期 常做的双85指定就是温度85 湿度85 19 环境试验内容 交变潮热 湿热 模拟热带雨林的环境 确定产品和材料在温度变化 产品表面产生凝露时的使用和贮存的适应性 常用于寿命试验 评价试验和综合试验 交变湿热的技术指标包括 温度 相对湿度 转换时间 交变次数 注意试验结束后应对样品有1 2小时的恢复期 20 环境试验内容 机械振动描述 振动试验 英文 VibrationTest 在试验中 模拟产品在于制造 组装 运输 及使用执行阶段中所遭遇的各种振动环境 用以鉴定产品是否忍受环境振动的能力 机械振动试验用来确定机械的薄弱环节 产品结构的完好性和动态特性 常用于型式试验 寿命试验 评价试验和综合试验 机械振动试验中有一类故障的发生 不在一个特定条件下不会发生 或不在这种特定条件中这种故障不会轻易地被测量出来 或是故障的再现性很差 即很难预测到它何时会发生 因此机械振动试验在许多情况下 产品是需要处于工作状态并连续测试的 例如继电器 连接器等 21 环境试验内容 机械振动分类 按试验样品可分为 单机振动 包装振动 一般为随机振动 按振动试验类型分类 正弦振动 SinusoidalVibration 随机振动 RandomVibration 正弦拍频振动 Sine beatMethod 时间历程振动 Time historyMethod 一 正弦振动 SinusoidalVibration 试验参数 频率范围 振幅值 加速度值 试验持续时间 振动方向正弦振动试验由以上3个参数共同确定 一般低于交越频率由振幅确定 大于交越频率由加速度值 G值 确定 注意振动幅值的峰值Vp和峰峰值Vp p是不同的 二 随机振动试验参数 Grms均方根加速度 频率 点 ASD加速度频谱密度 试验持续时间 振动方向随机振动试验由以上4个参数共同确定 实际上通过频率 点 和ASD可以计算出Grms值 22 环境试验内容 跌落试验描述 跌落试验 又名droptest 用来模拟产品在搬运期间可能经受到的跌落等 包括 1 非包装状态产品在搬运期间可能经受的自由跌落 样品通常按照规定的姿态从规定的高度跌落到规定的表面上 2 模拟负载电缆上的连接器 小型遥控装置等在使用中可能经受的重复自由跌落 3 包装跌落主要参数1 跌落高度2 跌落次数3 跌落表面受限制因素 1 高度2 样品外形 针对自由跌落 23 环境试验内容 冲击和碰撞许多产品在使用 装卸 运输过程中都会受到冲击 冲击的量值变化很大并具有复杂的性质 因此冲击和碰撞试验适用于确定机械的薄弱环节 考核产品结构的完整性 机械冲击试验 又名mechanicalshock 试验目的用来揭露机械弱点和 或 性能下降情况 冲击试验的技术指标包括 峰值加速度 脉冲持续时间 速度变化量 半正弦波 后峰锯齿波 梯形波 和波形选择 冲击次数无特别要求外每个面冲击3次共18次 碰撞试验的技术指标包括 峰值加速度 脉冲持续时间 速度变化量 半正弦波 每方向碰撞次数 注意冲击和碰撞的方向应是6个面 而不是X Y Z三方向 24 环境试验内容 高压蒸煮试验 高压蒸汽恒定湿热试验 高压蒸煮试验采用高压高湿条件 考核塑料封装的半导体集成电路等电子器件的综合影响 是用高加速的试验方式评价电子产品耐湿热的能力 常用于产品开发 质量评估 失效验证 压力试验的技术指标包括 大气压力 相对湿度 饱和或非饱和 温度 试验时间 25 环境试验内容 太阳辐照试验紫外光耐气候 试验目的 光老化试验就是评定户外无遮蔽使用和储存的设备经受太阳辐射热和光学效应的能力 试验参数 温度 湿度 灯型波长 辐照强度 光照黑暗周期 持续时间氙灯耐气候 试验目的 光老化试验就是评定户外无遮蔽使用和储存的设备经受太阳辐射热和光学效应的能力 试验参数 温度 湿度 辐照强度 光照黑暗周期 持续时间紫外与氙灯的区别 主要是使用的光源不一样 其中紫外灯的波长是指定的UVA UVB340 400nm 氙灯的波长是290 800nm 26 环境试验内容 盐雾试验盐雾试验模拟海洋或含盐潮湿地区气候的环境 用于考核产品 材料及其防护层抗盐雾腐蚀能力 有盐雾试验和交变盐雾试验两种试验 常用于在特殊条件下的质量评估 失效验证 种类 中性盐雾试验 NSS 醋酸盐雾试验 ASS 铜盐醋酸加速盐雾试验 CASS 盐雾试验的技术指标包括 盐溶液浓度 相对湿度 温度 盐雾时间 贮存时间 试验周期 集雾量 PH值 各种盐雾试验参数的区别 注意试验结束后试验样品需立即冲洗干净 27 环境试验内容 气体腐蚀试验气体腐蚀试验主要应用于接触点和连接件 试验后的评定标准是接触电阻变化 其次是外观变化 主要的腐蚀气体为二氧化硫和硫化氢气体腐蚀试验的技术指标包括 浓度 相对湿度 温度 流速 试验时间 28 环境试验内容 其他试验霉菌试验 低气压试验 沙尘试验 水试验 淋雨试验 恒加速试验 离心试验 综合环境试验 温度 湿度 高度 温度 湿度 振动 29 电子类环境试验标准 30 目前公司具备是环境试验设备 低温试验设备 可程式恒温恒湿箱内部尺寸 1000X1000X1000mm温度范围 70 150 温湿度箱 德国weiss 内部尺寸 温度范围 40 120 湿度范围 10 98 RH 31 目前公司具备是环境试验设备 高温试验设备 可程式恒温恒湿箱内部尺寸 1000X1000X1000mm温度范围 70 150 烘箱内部尺寸 温度范围 常温 200 充氮烘箱内部尺寸 温