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嘉峪检测网 2022-04-14 23:43
1、老炼试验
1.1源起
最初聚焦于元器件,在一定的环境温度下、较长的时间内对元器件连续施加一定的电应力,通过电--热应力的综合作用来加速元器件内部的各种物理、化学反应过程,促使隐藏于元器件内都的各种潜在缺陷及早暴露,从而达到提出早期失效的目的。
该试验主要针对的是工艺制造过程中因表面沾污、引线焊接不良,沟道漏电,硅片裂纹、氧化层缺陷、局部发热等一系列缺陷开展的先期工作,同时,对于一些无缺陷的元器件,也可以促使其参数稳定。
1.2老炼试验及其作用
对于产品而言,老炼试验(筒称老炼)是一种用于激发和消除产品早期失效的重要的可靠性筛选和质量控制方法。对于可修复产品,老炼试验是指出厂前在规定环境下,执行每个产品功能的硬件随着早期失效期的每次失效不断加以修复性维修,其可靠性得到提高的过程。对于不可修产品,老炼试验则是将产品置于功能运行的一种筛选试验。
大量工程实践和研究证明,老炼试验能提高产品质量,强化产品可靠性,降低产品过早失效造成的损失和风险。和老炼试验相关的一个重要问题是确定最优的老炼试验设置,即老炼试验优化问题。过去近半个世纪,老炼试验优化,特别是试验时间的优化一直是老炼试验研究的重点,得到了广泛应用并取得较好成效。
老炼试验是将所有产品在出厂或交付使用前模拟运行一段时间,通过剔除失效产品或修复性维修提高产品的可靠性,模拟运行时的应力条件如温度、湿度和电应力等和实际使用时相同或稍高。
工程技术和研究人员对老炼试验的各个方面都进行了研究。其中最受关注的问题是为获得最大利润或最高的可靠性,应该在何种条件下对产品进行多长时间的老炼试验。老炼如果不充分,则早期失效率仍然很高,造成实际使用时的可靠性不达标以及产品的保修和维修费用。过度老炼则不仪延长产品出厂时间,增加试验成本,还可能对产品造成严重的不良影响。
因此,老炼试验优化尤其是试验时间的优化一直是老炼试验研究的重点。
1.3老炼试验的分类及一般原则
1)分类
老炼试验一般分为以下三种类型:
a)常温老炼;
b)高温老炼;
c)热循环老炼。
2)原则
产品应根据其使用环境、组成结构、关键性、复杂度、可靠度、寿命等特点和型号要求选取中的一种或两种试验类型进行组合,当前航天行业产品一般按如下原则选取:
a)产品一般采用常温老炼(旧有认知,不推荐)。
b)产品常温老炼规定时间较长时,一般选取高温老炼,高温老炼的温度应力应不超过产品最高工作环境温度(推荐使用)。
c)特殊应用环境的产品,如:实际工作环境是高温、低温交变工作的航天飞行器。上面级飞行器产品一般选取热循环老炼,非温度交变工作环境的产品可按技术文件选择热循环老炼或高温老炼。老炼的温度应力应不超过产品技术文件规定的最高、最低工作环境温度。
d)采用常温老炼或高温老炼的产品应按GJB1032或技术文件要求完成应力筛选试验后再进行老炼试验。
e)机电结合的产品中,电子电路板应先按整件要求进行单板高温老炼试验,单板装入整机后再进行整机老炼试验,整机老炼试验时何按整机技术条件规定选取。
f)老炼试验应根据产品的使用环境,选择在较短时间或较容易提供的试验应力条件下以达到试验目的,但不应引入新的故障模式。
g)老炼试验的总时间一般不大于产品寿命的20%:工作寿命按通、断次数计算的产品,按其产品规范或技术文件规定的通、断次数和频率进行通电老炼,通、断次数一般不超过使用预期寿命次数的5%.
h)老炼试验时问的远取与温及应力和产品的工作环境相关,恨据工程经验和产品要求选取。
i)应力筛选试验中的通电时间不计入老炼时间。
j)交付验收的产品应100%进行老炼试验。
k)进行老炼的产品应是测试合格的产品。
l)整件老练应在调试合格、装入整机前进行,整机老炼在出厂测试前进行。
以上要求大多摘自于QJ908B。
1.4老炼试验和环境应力筛选(ESS)试验的关系
在这个标题的影响下,不仅要思考老炼试验与ESS试验的不同和差异,还可以遐想一下能不能结合的问题。
1)聚焦应力
(1)老炼试验应力
老炼试验的应力主要是温度、湿度、电压(电应力)。
(2)ESS试验应力
ESS试验的应力则是环境应力,对于电子产品而言,主要是温度和随机振动应力。
在GJB1032A-2020中对ESS的定义如下:
对产品施加规定的环境应力,以发现和剔除制造过程中的不良零件、元器件和工艺缺陷等早期故障的一种工序或方法。并且特别注明电子产品环境应力筛选①采用温度循环和随机振动应力。
同时也特别提出了潜在缺陷(PD),即②产品存在的无法用普通的方法检测出来的固有或诱发缺陷。
③ESS的整个过程,设备需要通电运行并检测。
(3)对试验应力的相关说明
据国内外已发表的ESS调查统计结采说明在常用的13种环境应力中热循环和随机振动是最有效的筛选应力(这也就是电子设备修政开盖后补做温循和量级减半随机振动的最初来源)。
从上图可以看出,温度循环、随机振动、高温老炼的有效加权值较高。筛选应力激发出的主要故障模式如下:
①热循环
a使涂层材料或线头上各种微裂纹扩大;
b使粘结不好的接头松驰;
c使螺钉连接或铆接不当的接头松弛;
d材料热膨胀系数不同产生的变形和应力引起的故障;
e使机械张力不足的压配接头松驰;
f使质差的钎焊接触电阻加大或造成开路;
g使运动件及密封件故障;
②随机振动
a结构部件引线或元件接头产生疲劳(特别是导线上有微裂纹的情况下);
b电统磨损;
c接头松驰:
d安装加工不当的集成电路片脱落;
e汇流条及连到电路板上的钎焊接头受到振动应力引起钎接薄弱点故障;
f元器件及引线布置不良而造成损坏;
g已受损或安装不当的脆性绝缘材料出现裂纹。
以上主要摘自QJ3138。
(4)小小结
在温度循环、随机振动之后,老炼试验依旧可以通过温度应力、电应力、湿度等环节去别除一些早期失效。
2)聚焦测试
(1)老炼试验的测试
常温老炼和高温老炼:
①每个工作周期或间隔测试时间开始时,都应对受试产品进行功能测试,测试其主要参数。
②受试产品应在老炼工作周期内连续进行老炼试验,一般4h为一个老炼工作周期,也可以将产品技术文件规定的“一次连续通电时间”定为一个老炼工作周期,至少间隔4h应进行一次功能测试。每个工作周期结束时,一般应断电0.5h,然后再通电老炼,断电时问不计入老炼时间。
③若受试产品老炼试验过程中有不断电要求,应规定间隔测试时间,在每次间隔测试时间内进行功能测试。
(2)ESS试验的测试
ESS的有效性取决于在环境应力施加之前、施加期间和施加之后,对受筛选产品性能监测的完善程度,在环境应力施加之前应对所有功能参数进行检测,并尽可能地得到定量结果,这将成为一个参考基准,以备在其后的筛选的各个分段中用于判断故障或是性能恶化的程度。
(3)小小结
两个都强调测试,并且ESS还是连续监测。需要关注的是一些设备虽然有动作输出,但如果没有负载,那么其测试设备要尽量带一些模拟负载;同样道理,对于有机械动作产品的测试要考虑一些机械部件的实标动作大数限制。
3)聚焦实际测试效果
从国内实践看,各类型号在部分设备上的ESS经验除上述热循环和随机振动应力之外,高温老练也是必要的,特别是在稳定性能方面可发挥较好的作用。
上表中所列的是摘自Q3138中的一些具体情形,但具体情形还需要具体分斤。但此表格也从侧面反映了一个趋势,就是经过ESS已经可以暴露至少80%以上的问题,也表明高温老炼在当前形势下也是必要的。
2、加速老炼
随着产品设计和生产工艺不断完善,制造水平不断提升,产品的可靠性越来越高,寿命越来越长,即使是潜在的早期失效产品在正常应力下也需要很长时间才会失效。为缩短老炼试验时间,降低费用,在保证产品失效机理不变的前提下,通常在高应力,如升高的温度和电应力等条件下进行加速老炼试验。
2.1加速老炼试验中的失效率模型
加速老炼试验中应力对产品失效行为的影响和加速寿命试验(accelerated life tests,ALT)类似,因此可以借鉴加速寿命试验中一些基本的统计性质和模型建立加速老炼试验优化中产品的失效率模型。
目前有三种不同的加速寿命试验方法:
(1)保持受试产品的工作条件和正常使用时相同,增大产品的使用频率,这行加速方法适用于家用电器或汽车轮胎等每天使用时间大致相同的产品;
(2)改变受试产品的工作条件,将其置于比正常工作条件更严酷的环境中工作用于加速失效:
(3)根据受试产品的某种退化机理,如金属的腐蚀、机械部件的磨损和橡胶弹性的退化等施加相应的加速应力促使产品的退化加速,这种方法又称为加速退化试验(accelerated degradation tests,ADT)。
1)加速因子Af
加速寿命试验中使用最普遍的一类参数失效时间回归模型是加速失效时间(accelerated failure time,AFT)回归模型。
AFT可归模型的主要假定是,失效时间和施加的应力大小成反比,即高应力下产品的失效时间比低应力下的失效时间要短,井且失效时间的分布形式一致。
在AFT回归模型中,假设应力矢量z作用下产品的对数寿命Y=logT服从位置参数为u(z)(与应力矢量z相关)、尺度参数为δ的统计分布,其形式如下:
其中ε是一个随机变量,其分布与无关。
位置参数u(z)服从某个假定的寿命应力关系,如μ(z1,z2)=θ0+θ1Z1+θ2Z2是已知的应力函数。
常用的逆幂律模型和阿伦尼斯模型是这个简单的寿命应力关系的特殊形式。
AFT回归模型假设协变量(施加的应力)对失效时间起乘法的作用,或线性作用于对数失效时间,而不是乘法作用于失效率。
在AFT回归模型中,假设加速条件下的应力水平均在真正加速的范围之内(即大于使用时应力水平,小于失效的应力水平),如果高应力水平下失效时问的分布已知,且与正常应力之间的时问尺度变化关系也已知,那么就能推导出产品在正常和其它任何应力条件下的失效时间分布,为了实用起见,常假设加速应力下的时间尺度变换(也称为加速因子,记为A并且大于1)但定,这说明有一个线性加速。
基于AFT回归模型假设可符到加速老炼试验中产品的失效率模型。
假设产品在正常工作条件下的寿命为绝对连续非负随机变量X0,其分布函数为F0(t),概率密度函数为f0(t),失效率函数r0(t):
其中:
,又称为可靠度函数R0(t),
将产品在加速老炼试验应力条作下的寿命、分布函数和失效率函数分别记为
并假设加速老炼试验应力相对于正常应力的加速因子Af>1恒定,则产品在正常使用和加速老炼试验应力条件下的寿命,分布函数,概率密度函数和失效率之间的关系分别如下:
另一方面,如果产品进行固定时间b的加速老炼试验,那么在线性加速AFT回归模型假设下,老炼试验后产品转换为卫常使用条件下的“虚拟寿命”则为Afb。于是,经过b时间加速老炼试验后,产品在正常应力条件下工作t时间的生存函数可以表示为:
从上式很容易看出,经过b时间加速老炼试验后的产品,实际使用时间为u时的失效率为:
综合产品在加速老炼试验阶段和实际使用阶段的失效率函数,加速老炼试验时间为b时,产品的失效率函数λb(t)可以表示为:
其中当Af=1时,对于任意时间λb(t)=r0(t)恒成立。
加速因子Af在加速老炼试登的失效率模型中十分关键,通常基于产品失效时间的分布和加速方程确定加速因子Af的具体形式。
2)几种加速因子模型
(1)单应力加速因子摸型
①阿伦尼斯(Arrhenius)模型
高温是在微电子器件加速寿命试验中最常使用的环境应力,温度对器件的影响通常可以用阿伦尼斯反应速率公式描述:
式中,r为反应速率:A为与温度无关的未知常数:E为激活能(eV,分子参与反应所需要的能量:k为玻尔兹曼常数(8.617×10^(-5)eV/K):T为温度(K)。
假设器作寿命和反应速率的倒数成比例,则上式可以写成
如果加速试验温度为TA,正常工作温度为T0,对应的产品寿命分别记为LA和L0,则温度TA,相对于T0的阿伦尼斯加速因子可以表示为:
②艾林(Eyring)模型
和阿伦尼斯模型类似,艾林模型也常用于对温度作为加速应力的寿命数据进行建模。此外,艾林模型还可以对电场等其它应力加速试险的寿命数据建模,因此它比阿伦尼斯模型更具有普遍性。描述加速应力为温度的艾林模型是:
其中,r为反应速率:γ0为与温度无关的未知常数:A(T)为温度的函数,一般取A(T)=T^(m)其它参数的意义和阿伦尼斯模型相同。
加速试验温度TA相对于正常工作温度T0的艾林加速因子为:
③逆幂律模型
用电应力作为加速应力在加速试验中很常见。逆幂律模型是从动力学理论和激活能中得出,常用于描述电应力和压力等应力对产品退化率的影响,值得指出的是,它是一个经验模型,平均失效时间随施加应力的次幂的减小而增大。逆幂律的表达式为:
式中,LA是加速应力Av下的平均寿命:C和n是常数。正常工作条件下的平均寿命是:
于是,加速应力Aγ相对于正常工作应力V0的逆幂律加速因子为:
④Coffin-Manson模型
Coffin-Manson模型反映产品在热循序应力作用下导致的疲劳失效,也被成功用于模拟焊点受到温度冲击后的裂纹扩展过程,因此可应用于描述产品热疲劳失效与温度循环应力的关系,
Coffin-Manson模型的一般形式为:
式中:
N一循序次数:
△T一温度范围:
f一循环频率:
Tmax一最高温度:
Ea——激活能:
K一波耳兹受常数,为8.617×10^(-5)eV/K:
δ,β0、β1—待定系数。
(2)多应力加速因子模型
如采单个应力的加速效果不理想,此时可以对和产品失效密切相关的多个应力同时进行加速,这样不仅可进一步缩短试验时间,也不必让单个应力水平太高而改变产品的失效机理。
①广义Eyring模型
如果加速应力是温度和另一个非热力学应力,如湿度和电压等,此时,反应率模型可表示为:
其中φ(S)是非热力学应力的函数,T为绝对温度(K),γ1=Ea,γo、γ2、γ3描述了特定的物理化学过程的特征。
考虑m=0的情形。假设加速试验温度和非热力学应力分别为TA和SA,正常工作条件的温度和非热力学应力分别为T0,和S0,那么加速因子为:
②温度-电压加速模型
当加速应力是温度和电压时,描述温度电压加速对产品性能的影响有多种不同的模型。例如,Meeker和Escobar分析了温度--电压加速对玻璃电容器失效的影响,采用简单的线性模型描述温度和电压与寿命分布位置参数的关系,Boyko和Gerlach以及Klinger则利用广义Eyring模型描述温度-电压加速模型。
假设温度和电压分别记为T 和V ,令 X=log V,可得到
如果γ3=0,则温度和电压不存在相互作用,那么R(T,V)可以分成不相关的两项。于是,在广义 Eyring 模型假设下,温度-电压加速模型的加速因子可以表示为:
而在实际工程应用中,一般简化为如下公式:
式中:
N——某寿命特征:
A、B、C、D是待定的常数;
K——波耳兹曼常数,为8.617×10^(-5)eV/K;
T——绝对温度;
V——电压。
③温度-湿度加速模型
相对湿度是影响很多产品性能的另一重要因素,它通常和温度一起对产品的腐蚀或其它的化学反应进行加速。
这里介绍用广义Eyring模型作为温度-湿度加速模型。T表示绝对温度,RH表示相对湿度,令X=log(RH),可得到
如果γ3=0,则温度和湿度之间不存在相互作用,此时该模型退化为有名的Peck模型。温度湿度加速模型的加速因子为:
为了进一步减少时间,常常还将电压应力与它们结合在一起。在温度、相对湿度和电压应力秦件下,产品失效时问可以表示为(Gunn,Camenga,Maik在1983年提出):
式中:
N一寿命特征:
V一施加的电压:
Ea一激活能:
K一波耳兹曼常数:
B—常数:
RH一相对湿度。
3)工程实践中常用加速因子计算及参数取值
(1)温度加速因子
温度的加速因子由Arrhenius模型计算,见公式
其中:
TAF一温度加速因子
k一玻尔兹曼常数(k=8.617×10^(-5)eV/K)
Ea一激活能(eV)
Tmormal一室温绝对温度
Tstress一高温下的绝对酒度
大多数电子元器作的失效都可以采用Arrhenius模型,常见的失效反应的激活能Ea约为0.6-1.2.
(2)湿度加速因子·
湿度的加速因子由Hallberg和Peck模型计算,见公式
其中,HAF——湿度加速因子,RHnormal——正常工作相对湿度,RHstress——加速试验相对速度,n——湿度的加速率常数,一般为2~3。
(3)电压加速因子
电压的加速因子由 Eyring模型计算,见公式
其中,VAF——电压加速因子,Vnormal——正常工作电压,Vstress——加速试验电压,β——电压的加速率常数,通常为0.5~1.0。
(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,见公式
其中,TEAF——温度变化加速因子,ΔTnormal——正常应力下的温度变化,ΔTstress——加速试验下的温度变化,n——温度变化的加速率常数,不同失效类型对应值不同,一般为4~8。
(5)恒温恒湿偏压加速寿命试验加速因子计算
式中:
Tn即正常温度,Ts即加速温度:
RHs即加速湿度,RHn即正常湿度:
Vs即加速电压,Vn即加速电压。
2.2高温加速老炼
高温加速老炼是指所加的温度应力要高于室温,根据电子产品的元器件所能够正常工作的环境温度,以及其在稳定工作工况下的温升幅度,确认的一个高于室温环境低于元器件所能够承受的最高温度区间内的温度值,参照相关模型计算高温试验计算高温加速因子,计算出高温老炼时间,采用高温短时间的一种加速试验。
对于按照《电子产品老炼试验条件》(QJ908B-2012)和《地地战略导弹电子装备整机老炼通用规范》(GJBz20426-97)条件要求进行常温老炼和高温加速老炼的设备,其高温加速老炼参见上述两个标准的具体要求。
1)温度应力确认
老炼过程需要施加温度应力,而温度应力的施加会导致老炼条件下的晶体管类型器件漏电流增加。器件结温和漏电流之问星现正反馈关系:老炼时温度增加,导致漏电流里指数增加:而漏电流和漏功耗增加,进一步导致器件结温升高:继续导致漏电流星指数增加,如此反复下去会导致结温大于材料的温度耐受值,直至器件损坏。
最高温度部组件所受的最高温度不得超过构成部组件的任何元器件或材料的最高额定温度的最低,并考虑产品技术条件规定的最高温度值。
需强调的是:为了保证获得最好的筛选效果,应慎重选择最高温度,超过最高额值可能会导致损伤无缺陷的元器件或材料这就违背了筛远原则,如果不便于用分析方法确定通电筛选时的工作温度,应当对第进的产品进行热测量,以便确定最高和最低筛选温度。
2)电应力
被老炼电子设备应当动态工作。
电应力主要指使被老排电子产品所加电源的电压水平,一般包括额定电压、最低电压和最高电压。
3)加速老炼时间的确认
根据Arrhenius模型按照公式,计算高温老炼的加速因子:
(1)式中:
A--加速因子:
Ea--激活能(活化能,eV),一般选用0.6:
K--波尔兹曼常数(8.617×10^(-5)eV/K):
Tu--设备正常使同的绝对温度,单位为开尔文(K);
Te--应力作用的绝对温度,单位为开尔文(K。
根据加速因子计算应力温度下的老炼时间:
(2)式中:
Te--应力温度下老炼时间,单位为秒(s):
Tu--设备正常使用下老炼时同,单位为秒(s).
4)实际使用效果
某设备的整机老炼饰选试验要求:
按QJ908B《电子产品老炼试验方法》的要求在老炼试验台上进行。常温老炼(15~35℃)累计加电时间200h:或高温老练(55℃士3℃)累计加电时问48h。电源电压28v下常温老炼100h(高温老练24h),25V和31V常温老炼各50h(高温老练各12h).当老炼达到规定的累计时间后断电,在常温下选行全面检查测试。实际操作中按照高温加速老炼进行。
取正常工作温度约为27℃,加速因子、老练时间计算如下:
则te=200/7.24≈28h
根据计算可以看出,目前的老炼试验时问已经为48,超过理论计算的28h,接近于常温老炼350小时的量级。
可以看出,即使是加严了的高温老炼,其所用时问也仪为原先的1/4弱,板大的节约了时间和人力成本,缩短了产品试验周期。目前该高温老炼方法已经形成了相应基础层级标准,并且在新研型号中已经得到了较为广泛的应用。
3、结论
其实有几个点需要关注:
①老炼是在ESS之后,就只剩下常温老炼和高温老炼了,因为温度循环在ESS之中已经做过了,再做效果不大,或者可以引入过试验的风险,但常温老炼时间大长,因此是议高温老炼:
②在电应力层面,对于整个单机而言正负若干伏电压变化仅是拉偏试验,看设备在此电压下工作是否正常,一般智能设备都会有二次电源,已经足够把这一因素抵消掉,因此此时的拉偏意义不大,也不能简单视为电压的加速;
③在经历了元器件本身的老炼之后,板卡、整机的老炼也是必要的,因为有工艺、有应力释放的问题在;
④老炼或者是加速,应该还有一个层次的意思,那就是一些部件的应力释放,不过是某些特性的衰碱,还是安装应力、材料应力的释放和趋缓,那么室温静置在某种意义上也可以视作是一种“老炼”(比如惯性器件的应力释放),在躺平的状态下,才能够释放出内心中积郁已久的一些不好的东西,达到一个被峰之前的波谷,也就是一个全新的起点。
参考资料
1、《老炼试验优化建模与应用研究》,黄秀平,国防科技大学,2016年4月
2、《确定整机老炼时间的一种统计方法》,徐福荣、刘馥,《宇航学报》,1984年7月第3期
3、《高流量湿化氧疗装备的有效使用期限评价方法研究》,邓振进,《中国医疗设备》,2021年第36卷09期
4、《PLC控制器应力加速试验》,衣磊,《建设机械技术与管理》,2019年2月
5、《LED模组恒定应力加速寿命试验》,肖雷,《电子科学技术》,第1在第2期,2014年11月
6、《电解电容加速寿命试验的研究与应用探讨》,黄兆军,《日用电器》,2013年8月
7、《可靠性加速寿命试验综述》,吴松,《电子产品可靠性与环境试验》,2021年02月,第39卷第1期
8、《可靠寿命消耗评估中的加速系数法》,傅惠民,《机电产品开发与创新》,第33卷第6期,2020年11月
9、《印制电路板加速寿命试验方法综述》,刘立国,《印制电路信息》,2021年No1
10、《电子产品老炼试验方法》(QJ908B-2012),徐明仙、李光杰、邵进
11、《航天产品环境应力筛速指南》(QJ3138-2001),宋文治、施修明.伍平洋
12、《电子产品环境应力筛选指南》(GB1032A-2020),朱曦全、贾业宁、宋文治、祝耀昌、李传日、陈咸康、纪春阳
13、《元器件老炼试验》,公众号:可靠性杂谈
14、《什么是老炼试验,怎么做?》,公众号:可靠性交流
来源:田村山下