幾種環境應力試驗的失效模式探討

莊少紅

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

前言

復雜多樣的環境是眾多產品，尤其是電工電子產品在使用的過程中難以回避的問題。環境的多樣性包括溫度、濕度、振動、灰塵、鹽霧、霉菌等多個方面。環境應力試驗就是把各種復雜多樣的環境應力和電應力共同施加在產品樣品上，分析產品可靠性。實踐中，應力效果主要取決于三種因素：一是施加的環境應力；二是電應力水平(包括產品的通斷電循環、規定的工作模式及工作周期、規定的輸入標稱電壓及其最大允許偏差)；三是檢測能力，即檢測設施和儀器（能保證產生和保持試驗所需的綜合環境條件，并按照有關規定定期核查、檢定以及計量）的能力，因為檢測能力決定了能否將已被應力加速變成故障的潛在缺陷表現出來并加以排除。環境應力會誘發產品失效。

而由于氣候影響和產品，尤其是電子產品在使用中自身發熱等原因，溫度這一因素對產品的影響不可忽視，因而在對產品進行環境應力試驗中，高溫應力、溫度循環應力、溫度沖擊應力這三種環境應力試驗是檢驗產品質量一道非常重要的工序。本文試圖通過高溫應力、溫度循環應力、溫度沖擊應力三種環境應力試驗，對產品失效的原因進行分析和探討。

1 高溫應力

1.1 高溫應力基本參數

高溫應力的基本參數主要有2個：①上限溫度（TU）；②時間（T）。此外，還有一個要考慮的參數：環境溫度（Te），因為真正影響恒定高溫效果的變量是上限溫度（TU）與室內環境溫度（Te）之差，即溫度改變幅度（R）（R=TU- Te）。

1.2 高溫應力特性分析

高溫試驗會使產品產生高溫老化，熱積聚、遷移以及蔓延的效應，是一種靜態工藝或工序，這種方法是通過提供額外的熱作用，讓產品在規定的高溫下連續不斷地工作，使熱蔓延，將產品潛在缺陷加速變成故障，并以故障的形式暴露出來。

1.3 高溫應力誘發失效的機理及敏感元件

1.3.1 高溫使金屬材料表面加速氧化，其中溫度和時間將影響故障缺陷的大小，其敏感元件如電鍍件、合金等；

1.3.2 高溫使導磁體的磁性能發生變化，其敏感元件如電阻(造成電阻率增大)等；

1.3.3 高溫使抗拉強度劣化、絕緣材料絕緣性能損壞、抗電強度降低，導致熱擊穿，使線圈短路或開路，其敏感元件如塑料、樹脂等；

1.3.4 高溫使產品防酸、防堿性能下降，導致材料機械強度降低，受力容易產生損壞；

1.3.5 高溫使電遷移，即溫度變化會影響電流，其敏感元件如銅、鋁（特別是集成電路中的鋁引線）等；

1.3.6 高溫使得潤滑劑流失或者潤滑性降低，造成機械磨損加劇，其敏感元件如機械結構的轉動件（軸承和旋轉軸）等；

1.3.7 高溫使產品特性、參數發生明顯變化，其敏感元件如晶體管、電阻、電容及變壓器等；

1.3.8 高溫下不同膨脹系數的材料的膨脹情況不同，會造成元件松動、尺寸改變、開焊、虛焊、假焊、氧化、軟化、融化、密封失效等缺陷，敏其感元件如塑料等；

1.3.9 高溫使材料變色、發黃（白色的材料）、發白（黑色的材料）、脆化、粉化，其敏感的元件如塑料等（實例見圖1～5所示，注：高溫150℃試驗前、試驗后的情況）。

圖1 試驗前

圖3 800h 試驗后（粉化）

圖4 試驗前

圖5 1000h 試驗后出現發白

2 溫度循環應力

2.1 溫度循環應力基本參數

溫度循環應力的基本參數主要有6個：1）上限溫度TU；2）下限溫度TL；3）溫度變化速率V；4）上限溫度保溫時間tu；5）下限溫度保溫時間tL；6）循環次數N（見圖6）。

2.2 溫度循環應力特性分析

在環境可靠性試驗中，當溫度循環變化時，高溫應力、低溫應力和熱疲勞三者交互作用在產品上，材料都會出現不同程度熱膨冷縮。其特征是，提高溫度變化范圍和溫度變化率，能加強這一過程，因而增強熱應力，增加循環次數，將直接影響激發的應力。

在溫度循環試驗中，試驗箱內的氣流（速度）均勻度是一個很重要的參數，該參數將影響產品的溫度變化速率。這就要求在多個試驗產品同時進行試驗時，試驗產品之間、試驗產品與試驗箱壁之間應有適當的間隔，以便氣流能在試驗產品之間、試驗產品與箱壁之間自由循環。

在溫度循環試驗中，低溫高濕條件向高溫高濕條件轉變時，由于空氣溫度比產品溫度上升快，當達到一定的溫差時，產品上就會產生凝露。溫差越大，凝露現象越明顯，凝露的水不能及時排出，就會增加產品受到腐蝕的機率和降低絕緣強度（見圖7）。對整機設備來說，將會導致靈敏度降低、頻率漂移等，嚴重的將影響產品質量。表1是一試驗實例。

2.3 溫度循環應力誘發失效的機理及敏感元件

2.3.1 溫度循環使不同膨脹系數的不同材料的膨脹情況不同，造成剝離、開裂，其敏感元件如油漆涂覆層等；

2.3.2 溫度循環使螺絲連接或鉚接不牢的接頭松馳,其敏感元件如螺絲、鉚接部件等；

2.3.3 溫度循環使機械張力不足的壓配接頭松馳；

2.3.4 溫度循環使材質差的釬焊接觸電阻加大或誘發開路,其敏感元件如電阻元件等；

2.3.5 溫度循環使觸點（焊點）腐蝕和污染，其敏感元件如合金材料等。

3 溫度沖擊（熱沖擊）應力

3.1 溫度沖擊應力基本參數

溫度沖擊應力亦即熱沖擊，其基本參數主要有6個：1）溫度上限；2）溫度下限；3）在溫度上限的停留時間；4）在溫度下限的停留時間；5）溫度轉換時間或溫變變化速率；6）溫度沖擊循環次數。

圖6 溫度循環曲線圖

圖7 溫度循環試驗后出現的變化

表1 一組樣品在-25℃～+55℃之間的溫度循環試驗前后的絕緣強度

上述這些參數將決定溫度沖擊試驗對產品影響的嚴酷等級。一般而言，溫變率增大有利于潛在缺陷的暴露。在環境可靠性試驗中，溫度沖擊應力試驗要求：溫變率大于15℃/min，轉換時間2～3min；20～30s；＜10s這是與前述的溫度循環應力試驗的區別所在。而目前在國外，高加速應力篩選采用的溫變率已達到了60℃/min，國外的溫度沖擊箱，提籃傳送時間:＜10s(箱內通過自動轉換提籃傳送)。

3.2 溫度沖擊應力特性分析

溫度沖擊這一方法能夠提供較高的溫度變化速率，產生的熱應力較大，是篩選元器件特別是集成電路器件的有效方法，但試驗中要注意其可能造成的附加的損壞；對于通電和監測來說，溫度沖擊方法使用不方便，甚至不可能實現全面監測性能以及及時發現故障。

3.3 溫度沖擊應力誘發失效的機理及敏感元件

3.3.1 溫度沖擊使樣品發生熱膨脹變化，造成故障，其敏感元件如各種金屬化孔等；

3.3.2 溫度沖擊使絕緣材料開裂、分層和彎曲變形(見圖8)，造成絕緣性能降低，其敏感元件如塑料等；

3.3.3 溫度沖擊使接鏈開裂、嵌件松動、零件間配合不正常，產生機械應力，嚴重造成結構性破壞，其敏感元件如機械傳動件等；

3.3.4 溫度沖擊使管帽產生裂紋、襯底開裂，引線封接斷開，其敏感元件如電容器、晶體管等電子元件；

圖8 ： -40℃ 2h, 轉換時間2-3min +125℃ 2h 500 個循環后的結果

3.3.5 溫度沖擊使低彈性產品脆性斷裂、電遷移、熱匹配不良、浪涌電流、密封失效，其敏感元件如低彈性的非晶體等。

4 結論及意義

綜上所述，環境應力試驗是檢驗產品質量的重要手段之一，對評價產品質量意義重大。對產品的評價不僅要看其功能和性能，還要考慮各方面綜合條件，特別是要考慮在嚴酷的環境條件下其功能和性能的可靠性以及維修成本高低等綜合因素。而提高產品可靠性，環境應力試驗有著重要作用，沒有環境試驗就無法正確評估、鑒別、分析產品的品質，確保產品質量。基于無法回避的氣候影響和產品，尤其是電子產品在使用中自身發熱等原因，高溫應力、溫度循環應力、溫度沖擊應力試驗是環境應力試驗的重要組成部分。掌握高溫應力、溫度循環應力、溫度沖擊應力的基本參數和特性原理以及誘發失效的機理與敏感元件，對于提升環境試驗水平非常重要。

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