電子元器件老煉試驗技術

摘 要：老煉是對電子元器件施加應力，剔除有缺陷的元器件的過程。長時間的老煉會對一些原本健康的器件壽命產生影響，但是時間過短卻又不能起到很好地剔除有缺陷的元器件的目的。在相關文章的基礎上總結了哪類電子元器件適合進行老煉，以及元器件老煉時間的優化問題，提出電子元器件老煉的3個準則，電子元器件最優老煉時間的確定問題，以及元器件老煉發展方向。

關鍵詞：老煉；元器件；最優化；最優老煉時間

中圖分類號：TN3045 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1618903

Burnin Test of Electronic Component

GAO Cheng，ZHENG Dong，WANG Xiangfen

(Beihang University，Beijing，100083，China)

Abstract：Burnin is a widely used method to eliminate weak parts by operating under a certain stress.Some new defects will be introduced by a long time burnin，but burnin is not useful if the time is not long enough.This paper makes a conclusion about whick components were burnin effective，the optimal burnin time，three criteria for determining the optimal burnin time and the future of burnin.

Keywords：burnin;components;optimal;optimal burnin time

1 引 言

老煉是工程上常用來剔除早期失效產品，提高系統可靠性的方法。通常生產廠商生產出一批產品后，由于各種不確定因素，會導致同一批產品中各個元器件的可靠性不同。為了保證提交到用戶手中的產品的質量，生產廠商會在產品包裝出廠前對元器件進行老煉，即是在一定時間內對元器件施加一定的應力，如電流、電壓、溫度等，且通常高于其正常使用應力，從而剔除一些有缺陷的產品，保證出廠的產品質量。

隨著市場競爭越來越激烈，用戶對于產品質量要求也越來越高。作為提高產品可靠性的重要手段，老煉技術得到了越來越多的應用與重視。但是由于老煉是對元器件施加過應力，所以長時間的老煉也會對一些原本“健康”的元器件壽命產生影響，但時間過短卻又不能起到很好的剔除有缺陷的產品的目的，況且老煉會增加器件生產成本，在市場競爭激烈的今天，增加成本顯然不是生產廠家所希望的。所以，如何將老煉時間最優化，在保證質量的基礎上盡可能的降低成本，是老煉研究的主要方向。

2 老煉的前提

通常老煉分為3個步驟：首先確定元器件的壽命分布；其次判斷其壽命分布在早期是否為下降曲線；最后在挑選相應的老煉準則對元器件進行老煉。由此可見，并不是所有元器件都適合通過老煉來提高可靠性的，那么什么樣的元器件或系統適合進行老煉，具有什么樣壽命分布的總體才需要進行老煉，先來看下面一些例子。

圖1 失效率的各種類型圖1給出常見的幾種失效率的曲線。不難理解，對于曲線AL不適合進行老煉。適合老煉的條件，首先是失效率在初始必須單調遞減;其次趨于穩定為一個常數，由此可知，類似曲線QAL失效率分布的器件才是適合進行老煉的。對于這類曲線，這里將其稱之為浴盆曲線。嚴格的浴盆曲線的定義為：壽命X為一隨機變量，其分布函數為F(t)，密度函數為f(t)，失效率為r(t)=f(t)/(t)，其中(t)=1-F(t)，如果存在著2個點0≤t1≤t2≤∞，使得：r(t)為：

單調減 0≤t≤t1

常數t1≤t≤t2

單調增t2≤t≤∞

則這個曲線為浴盆曲線，t1，t2稱為轉折點。由定義可以看出，針對的是連續函數，實際上對于離散函數來說這個定義同樣成立。

大部分機械和電氣設備都近似具有浴盆曲線這樣的分布，一般的工業產品也都具有相同的分布，只有極少一部分是不相同的。雖然這一小部分的失效率曲線不嚴格符合浴盆曲線，但是經過采樣后它們的混合樣本的分布也是近似于滿足浴盆曲線的。舉個簡單的例子，假設這里有兩個服從指數分布的相互獨立的樣本總體，且它們的期望一個較大，一個較小。從這兩個總體中進行抽樣，所得到的樣本失效率就會基本上符合浴盆曲線。對這一現象直觀上的解釋是：由于兩者的期望不同，那么在早期的高失效率就歸因于期望較低的那個總體，但是隨著時間的進行，當這一總體的器件基本上全部失效后，由于剩下的另一總體的期望較大，所以失效率下降，且基本穩定為一常數。這樣，就得到了常見的浴盆曲線。

還有一種浴盆曲線的特殊形式，即沒有最后的老化的失效率上升的部分。其實這樣的曲線十分的復合一些電氣產品，因為它們大部分的使用壽命都很長，在還沒有失效前就已經廢棄不用了。

3 老煉的準則及優化時間的確定

在確定產品需要進行老煉之后，就該決定基于怎樣的老煉準則來對器件進行老煉。常用的準則由以下3種：基于性能、基于成本、基于性能及成本。

首先，假設器件其失效率都是符合浴盆曲線的，轉折點為t1，t2。下面主要介紹基于性能考慮的一些準則和基于成本的準則來論述老煉時間的優化問題。

3.1 基于性能的準則

在這部分，僅是從對器件性能的影響上來考慮，而不加入任何成本的因素。老煉時間的優化問題最早于1961年提出，最初的注意力集中在老煉后的平均剩余壽命上，即期望得到的結果是老煉后的器件的平均壽命要盡可能地比老煉前的大。所以該準則都是為了使得剩余壽命盡可能的大。下面列出這樣的準則4條：

(1) 設τ是給定的任務時間，找到一個b，使得(b+τ)/(b)最大，則b為最佳老煉時間。也就是說在給定的老煉時間b中，盡可能多的讓元器件完成老煉且不失效；

(2) 壽命為X，找到一個b，使得E［X-b│X＞b］最大。也就是說，在老煉后的剩余壽命最大；

(3) 設{Nb(t)，t≥0}是壽命分布函數的更新過程，也就是說F是最初的壽命分布函數，但是經過一段時間老煉后，將失效器件進行更換，重新進行老煉后，壽命函數則變為(b+τ)/(b)。那么對于給定的任務時間τ，找到一個b，使得E\\最小，也就是說，在任務時間τ內失效的老煉后的器件最少。

(4) 對于給定的α，0＜α＜１，找到一個b，使得τ=qα(b)。也就是說得到一個最大的保證時間，在這段時間內，因為老煉失效的器件不會超過α%。其中qα(b)定義為關于α%的剩余壽命方程：qα(b)=F.-1b(α)=inf{x≥0:Fb(x)≤1-α}其中準則(2)是應用最多，也證明過很多次。在最初的研究中，有學者根據研究給出了最佳老煉時間b.*小于第一轉折點的時間t1的結論。 其實，從直觀上也可以得出這個結論，從浴盆曲線可以看出，在第一轉折點之后，失效率曲線就已經接近位常數；也就是說，如果老煉時間到這個時候，早期易失效的器件已經剔除，再繼續進行老煉不僅對提高整體器件的壽命沒有意義，更是加大了成本投入。

在準則(3)中，如果一個部件發生了失效，則用另一個老煉過的器件進行替換。如果因為這個部件的替換而進行了最小限度的維修(minimal repair)，那么總的維修的次數就服從非正態的泊松分布，且均值為：-ln［(b+τ)/(b)］。因此，如果要想期望在時間段［0，τ］內進行最小限度的維修次數最少的話，那么就要使(b+τ)/(b)最大，這就又回到了準則(3)。

3.2 基于成本函數的準則

基于成本是老煉的另一準則。下面列出文獻中總結的幾條關于成本方程得準則。其出發點都是一樣的，列出成本方程，然后找到一個b，使得所花費的成本最少即可。

(1) 一個元器件或系統的壽命為X，且進行老煉的時間為b。如果在老煉時間b內發生失效，那么將導致C0的損失。如果老煉期間內沒有發生失效，但是在額外的任務時間τ內發生失效，那么將導致C的損失，且C>C0。如果在這2段時間內均為發生失效，那么可以獲益，比例系數為K。那么如果F為元器件或系統的壽命分布函數，則其成本方程為：c1(b)=c0F(b)+C［F(b+τ)-F(b)］-KF(b+τ)(1) (2) 如果在老煉之后不考慮額外的任務時間，對于沒有失效的器件，其剩余壽命對應于一定的增益，比例常數為K，則成本方程可以改寫為：c2(b)=c0F(b)-K∫.∞bF(t)dtF(b)(2) (3) 首先引入車間維修(inshop repair)的成本概念。如果元器件在老煉過程中失效，那么廢棄它的成本為Cs>0，并且用另一個老煉過的元器件代替。持續這一過程直到老煉時間b內沒有失效器件為止，然后將此老煉過的元器件現場使用。假設老煉花費的成本與老煉時間成正比，比例常數為C0。那么根據Mi(1994)提出的成本方程為：k(b)=c0∫.b0F(t)dtF(b)+csF(b)F(b) 加上附加現場操作的成本，得到下面的結論：如果老煉后的設備在任務時間內失效，那么損失為C，若在兩段時間內均為失效，那么獲益比例常數為K，總的失效方程為：

c3(b)=k(b)+CF(b+τ)-F(b)F(b)-KF(b+τ)F(b)(3)

(4) 如果在老煉之后不考慮額外的任務時間，對于沒有失效的器件，其剩余壽命對應于一定的增益，比例常數為K，則式(3)可以改寫為：c4(b)=k(b)-K∫.∞bF(t)dtF(b)(4)成本方程(1)是Clarotti和Spizzichino與1990年率先提出，并在一個混合指數函數模型中進行了驗證。不難看出式(2)和式(4)是式(1)和式(3)的特殊情形。學者Mi曾對式(3)和式(4)進行過論證。正如前面所說，對于浴盆曲線的分布函數說，所有學者的研究都得到了老煉時間小于第一轉折點時間的結論。

3.3 其他準則

此外還有一些方法來確定最優老煉時間的方法，如達到可靠度目標法，通常事先定出所欲達到的可靠度目標，然后將可靠度目標值，代入累計失效方程中求解得出最優老煉時間。還有貝氏法，通常用于混合型分布的轉換點的估計，尤其應用于一些小樣本的產品，不易確定其失效分布的場合。還可以根據應用場合將各種準則相互結合，最終確定老煉時間。

老煉時間的決定，很大程度上要求對元器件的失效分布有近可能準確的模型，從統計學來說，這需要很多的失效數據才能分析得出。但由于元器件生產技術發展速度日新月異，或者出于成本的考慮，一些器件的制造成本很高，失效信息的收集成為一大難題。在不能準確知道失效分布、失效主要原因的情況下，老煉的過程中，施加多大的應力、進行多長時間的老煉都是無法合理確定的，這也為老煉的發展提供了研究方向。

4 結 語

老煉的思想是在20世紀50年代提出來的，雖然不可避免的，老煉增加了產品的生產成本，但老煉是一種有效地提高器件可靠性的手段，在老煉中暴露出來的實效原因，經過分析之后可以很好地反饋到元器件生產廠家中去，在新產品或下一批產品的設計中生產中加以改進和完善，產品的質量和可靠性就可以得到很大的提高。經過幾十年的發展，老煉已經廣泛地應用于工業生產，尤其是電子元器件生產中。伴隨著工業的發展與顧客對產品的質量追求越來越高，老煉技術必將在越來越多的領域得到更廣泛的應用。

參 考 文 獻

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