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温度环境应力筛选解析:基本参数、特性分析、激发的故障模式

嘉峪检测网        2020-03-04 11:12

环境应力筛选(Environment Stress Screen,ESS)是通过向电子或机电产品施加在设计范围之内的合理的环境应力(如温循、随机振动等)或电应力,将其内部的潜在缺陷加速暴露出来的过程。

环境应力筛选对有潜在缺陷的产品能诱发其故障,排除出早期故障。

环境应力筛选使用的应力主要用于激发故障,而不是模拟使用环境。根据以往的实践经验,不是所用应力在激发产品内部缺陷方面都特别有效。因此,通常仅用几种典型应力进行筛选。常用的应力及其强度、费用和筛选效果如表1所示。从表可见,应力强度最高的是随机振动、快速温变率的温度循环及其两者的组合或综合,效果很好,但它们的费用较高。

本文重点介绍温度环境应力筛选的基本参数、特性分析,以及能激发的故障模式。

 

表1 常用的应力及其强度、费用和筛选效果 

环境应力

应力类型

应力

强度

费用

筛选效果

温度

恒定高温

对元器件较好

温度

循环

慢速温变

较高

较低

不显著

快速温变

温度冲击

较高

适中

较好

振动

扫频正弦

较低

适中

不显著

随机振动

组(综)合

温度循环与随机振动

很高

很好

1、恒定高温

(1)基本参数
表征恒定高温筛选应力的基本参数是上限温度和恒温时间。另外一个要考虑的参数是环境温度,因为真正影响恒定高温筛选效果的变量是上限温度与室内环境温度之差,即温度改变幅度。
(2)特性分析
恒定高温筛选也叫高温老化(老炼),是一种静态工艺。通过施加额外的热应力,使产品在规定高温下连续不断地工作,激发早期故障出现。
如果筛选产品不是发热产品,热作用仅取决于筛选温度;如果受筛产品是发热产品,则在恒定高温筛选过程中,产品内部温度分布将很不均匀,特定位置或部件上的温度将取决于特定部位的发热能力、表面积、表面积辐射系数及其附近空气速度等。因此,应当测量受筛产品重要元、部件的温度,以保证其能达到筛选温度,或防止受到过度热应力。
恒定高温筛选是析出电子元器件缺陷的有效方法,主要用于元器件的筛选,但不推荐用于组件级(印制线路板、单元或系统)的筛选。恒定高温筛选效果远低于温度循环。
(3)激发出的故障模式或影响
恒定高温能激发出的故障模式或对产品的影响主要如下:
(a)使未加防护的金属表面氧化,导致接触不良或机械性阻塞(卡住);
(b)加速金属之间的扩散,如基本金属和外包金属,钎焊焊料与元器件,以及隔离层薄弱的半导体材料与喷镀金属之间的扩散;
(c)使液体干涸,如电解电容器和电池的泄漏造成的干涸;
(d)使热塑料软化,如果这些零部件处于太高的机械力下,则产生蠕变;
(e)使保护性化合物和灌封的蜡软化或蠕变;
(f)提高化学反应速度,加速与内部污染物的反应过程;
(g)使部分绝缘损坏处绝缘击穿。

温度环境应力筛选解析:基本参数、特性分析、激发的故障模式

2、温度循环

(1)基本参数
表征温度循环筛选应力的基本参数包括上限温度、下限温度、温度变化速率、上限温度保温时间、下限温度保温时间和循环次数。如图所示。

温度环境应力筛选解析:基本参数、特性分析、激发的故障模式

图  温度循环应力参数

 

   (2)特性分析

温度循环参数中,对筛选效果最有影响的是温度变化范围、温度变化速率以及循环次数。

增大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,增强温度应力,而循环次数的增加则能累计这种激发效应。因此加大上述三参数中任一参数的量值均有利于提高温度循环筛选效果。

缩短在上、下限温度值上的停留时间有利于缩短温度循环的周期、提高筛选的效率,但上下限温度值上的停留时间,应以产品内部最大热惯性部件或以产品中的关键部件温度达到的稳定时间为准。必要时要特别监测该部件的温度,以保证筛选有效和防止其损坏。

为提高温度循环筛选效率,一般可以将产品技术协议(规范)中规定的高、低温贮存温度作为其上、下限温度,但产品在这两个温度时,及其与设计的高、低温工作温度之间不要求工作。

温度循环中试验箱内气流速度是关键因素,它直接影响到产品的温度变化率。产品温度变化速率一般远低于试验箱内空气温度的变化速率,提高箱内气流速度能使产品温度变化速率加大,使其温度更接近于试验箱内空气温度。

(3)激发出的故障模式或影响

温度循环激发出的主要模式或对产品的影响如下:

(a)使涂层、材料或线头上各种微观裂纹扩大;

(b)使粘结不好的接头松弛;

(c)使螺钉连接或铆接不当的接头松弛;

(d)使机械张力不足的压配接头松弛;

(e)使质量差的钎焊接触电阻加大或造成开路;

(f)粒子污染;

(g)密封失效。

 

3、温度冲击

(1)基本参数

温度冲击筛选应力的基本参数有温度上限,温度下限,在温度上限的停留时间,在温度下限的停留时间,温度转换时间和温度冲击循环次数。

温度冲击中温度变化速率取决于受筛产品从一箱转入另一箱中的时间,转入另一箱中的那一时刻箱中受筛产品遇到的实际温度(由于打开箱门,此温度不是设定的上限或下限温度),以及此实际温度回到设定温度的时间。如果受筛产品转换很快,可将箱门打开后温度变化忽略不计,则此速率仅取决于转换时间和复温时间,自动倒换温度冲击箱就是这种情况。

(2)特性分析

温度冲击这一方法能够提供较高的温度变化速率,产生的温度应力较大,是筛选元器件,特别是集成电路器件的有效方法。这一方法用于其他组装等级时,要注意其可能造成的附加损坏。此外,对产品通电和性能监测来说,温度冲击方法使用不方便,甚至不可能实现,以及及时发现故障。在缺乏具有足够速率的高低温箱的情况下,温度冲击方法是一种可行的替代方法。

(3)激发出的故障模式或影响

温度冲击激发出的故障模式类似于温度循环。

 

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来源:质量与可靠性学堂