一種光模塊組件的加速硫化腐蝕壽命預估模型

甘文斌,廖 原,鐘 洪,廖 騫

(烽火通信科技股份有限公司,武漢 430074)

0 引 言

光模塊在長期運行過程中會發生許多問題,其中就包括含硫氣體和含硫顆粒污染物對光模塊造成的硫化腐蝕現象。含硫氣體和含硫顆粒污染物能夠腐蝕光模塊元器件內部的鍍銀層和含銀材料,如片式厚膜電阻和磁珠內部的銀電極。光模塊的硫化腐蝕會造成光通信設備的硬件故障,因此評估光模塊內部含銀元器件在含硫環境下的工作壽命引起了行業研究者的關注。

國內外學者致力于利用加速試驗來模擬銀在含硫環境下的腐蝕情況,氣體濃度、溫度和濕度是需要考慮的因素[1]。常見的加速硫化腐蝕方法如GB/T 2423.51-2000流動混合氣體腐蝕試驗,其環境應力較弱,不能與當前部分地區的惡劣環境相適應,且21天的常規試驗不能充分識別產品的硫化風險,不能準確預估產品在含硫環境下的工程壽命,需要進一步延長流動混合氣體腐蝕試驗周期,這將極大地增加試驗成本,降低試驗效率。

本文以通信設備含硫環境下的工程壽命預估為目標,通過分析銀在含硫環境下的腐蝕失效機理,創新地提出了一種應用高加速的硫化腐蝕失效模型進行壽命預估的方法,以威布爾分布作為基準,環境應力作為協變量,建立工程壽命預估模型,并收集加速硫化腐蝕試驗的失效率數據進行模型參數估計,最后通過實際工程失效數據驗證了該預估模型的可行性和準確性。

1 可靠性分析

1.1 銀硫化腐蝕機理

光模塊在高硫環境下工作時,硫化現象通常發生在模塊內部的貼片電阻和磁珠上。

圖1所示為電阻硫化腐蝕機理圖,如圖所示,從左至右分別為電阻縱向剖面結構示意圖(圖中,①為包覆層；②為電阻層；③為銀電極；④為基板；⑤為側面電極；⑥為背面電極；⑦為電鍍層。)、電阻腐蝕位置示意圖以及電阻腐蝕物的成分分析圖(主要為銀和硫元素)。在貼片電阻的銀電極和包覆層的結合處,環境空氣中的含硫物(主要是硫化氫(H2S)、二氧化硫(SO2)和羥基硫(COS))可以通過結合處的微小孔隙滲透到內部銀電極,生成高電阻率的硫化銀,從而使電阻的阻值變大直至開路[2]。

圖1 電阻硫化腐蝕機理圖

圖2所示為磁珠硫化腐蝕機理圖,如圖所示,從左至右分別為磁珠腐蝕后的無損X-ray成像圖、切片掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)成像圖和腐蝕物能量散射型X射線(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy,EDX)成像圖(黃綠色為硫化物)。貼片磁珠的外部由鐵氧體燒結而成,內部使用銀箔作為導體線圈,含硫物可以通過磁珠的鐵氧體燒結后不致密的小縫隙滲入內部,“蠶食”內部銀箔電極,導致磁珠的電流電阻(Directive Current Resistance,DCR)變大甚至開路。

圖2 磁珠硫化腐蝕機理圖

銀硫化腐蝕的化學原理為

1.2 威布爾壽命分布模型

威布爾分布是瑞典數學家Weibull提出的數學模型,可用于針對一個“最薄弱環節”組件導致整個單元或系統出現故障的情況進行建模。威布爾分布模型利用概率值可推斷其分布參數,該模型被應用于各類壽命試驗的數據處理中[3-5]。3參數威布爾分布故障概率密度函數為

式中:m為形狀參數,表征分布密度函數曲線形狀；η為尺度參數,控制著橫坐標尺度的大小,表征特征壽命；γ為位置參數,表征最小壽命參數；t為試驗時間。

當γ=0時,式(1)可轉化為兩參數威布爾分布概率密度函數:

威布爾累積分布故障函數是指時間從0到t出現失效的概率,它是對威布爾分布概率密度函數在時間段[0,t]做積分得到的,積分式為

一般試驗中我們是采用借助概率紙工具來分析失效規律,確定其相應分布參數的方法。我們從可靠性試驗中得到的失效信息,一個是失效產品數,可以通過其計算出F(t)；另一個是相應的失效時間。

我們的思想是通過數學變換將上述復雜的關系轉換成線性函數,將失效分析大大簡化。圖3所示為威布爾坐標紙示意圖,將式(5)按照概率紙工具在雙對數坐標系下近似簡化為如圖所示的直線。

圖3 威布爾坐標紙示意圖

接下來,我們將利用加速壽命試驗來確定產品的失效分布規律,從而進一步建立壽命預估模型用以評估通信電子產品在高硫環境下的工作壽命。

1.3 加速硫化腐蝕試驗

加速試驗是指在產品失效機理不變的前提下,通過加大應力的方法,在較短的實驗時間內獲得比正常應力下更多的產品信息,利用高應力水平下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征[6-8]。

《GB 2689.2-1981壽命試驗和加速壽命試驗的圖估計法(用于威布爾分布)》規定了用于恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗的圖估計法程序,其適用于電子元器件產品的壽命服從威布爾分布、形狀參數m＞0、特征壽命η＞0和位置參數γ=0的情況[9]。失效時間的處理按照《GB 2689.1-1981恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則》第6條確定,將失效時間按從小到大順序排列,并按照表1的格式進行處理。

表1 累積失效概率統計表

表中F(tj)值根據樣品數量按照下式計算:

式中,n為加速試驗樣品的總數量。

如圖4所示,將上述表中的數據點[tj,F(tj)]繪制在威布爾概率紙上,如果所描各點大致在一條直線上,配置的這條直線就是產品的壽命分布直線。通過這條直線我們可估計形狀參數m和特征壽命η,并可估計任意時刻ta的F(ta)值。

圖4 壽命分布直線示意圖

參照美軍標MIL-HDBK-217E(1986)電子產品在同類型不同強度的應力水平下的加速壽命試驗,特征壽命η與應力φ大多符合逆冪律模型[10]:

式中:φ為同類型不同強度的非熱量應力；A和B為待定常數。式(7)的對數形式為

式中:a=In A；b=-B。

不同應力水平下的特征壽命統計如表2所示,每一種應力對應實驗結果的擬合直線都對應于一個相應的η。

表2 不同應力水平下的特征壽命ηi統計表

表2 不同應力水平下的特征壽命ηi統計表

應力水平φi φ1 φ2 φ3 … φ i特征壽命ηi η1 η2 η3 … η i

特征壽命與應力水平的外推關系圖如圖5所示,圖中直線為特征壽命直線。

圖5 特征壽命與應力水平的外推關系圖

2 試驗結果分析

2.1 試驗樣品

2.1.1 電阻

選擇C廠商常規電阻300片,其中0402、0603和0805不同封裝尺寸電阻各100片。圖6所示為加速試驗所用電阻測試板圖,試驗前將貼片電阻焊接在如圖所示的印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)上,并采用HIOKI RM3545和四線制對電阻的阻值進行測量。試驗前使用去離子水超聲波清洗30 min,并用高壓空氣吹干,確保電阻及PCB表面潔凈無雜質殘留。

圖6 加速試驗所用電阻測試板圖

2.1.2 磁珠

選擇D廠商0402封裝普通磁珠300片,圖7所示為加速試驗所用磁珠測試板圖,試驗前將磁珠焊接在如圖所示的PCB上,并采用HIOKI RM3545和四線制對磁珠的DCR進行測量。試驗前使用去離子水超聲波清洗30 min,并用高壓空氣吹干,確保磁珠及PCB表面潔凈無雜質殘留。

圖7 加速試驗所用磁珠測試板圖

2.2 加速試驗方法

當今有許多耐腐蝕性的試驗方法,目前在電子產業廣泛應用的是混合性氣體(Mixed Flowing Gas,MFG)、單一H2S氣體、硫蒸氣(Flower of Sulfur,FoS)、切削油和Chavant含硫粘土腐蝕試驗[11-13]。

基于硫化腐蝕機理的分析,腐蝕時間、硫元素的釋放濃度、溫度和濕度都是決定腐蝕程度的關鍵因素,我們選擇FoS和單一H2S氣體腐蝕試驗作為加速試驗方法,分別在廣州賽寶和北京華測實驗室進行試驗。

2.2.1 FoS腐蝕試驗

FoS腐蝕試驗在廣州賽寶實驗室進行,試驗對象為厚膜電阻,腐蝕氣體為FoS(玻璃容器內底部放置硫磺粉和飽和硝酸鉀溶液),試驗溫度為105℃。該試驗用于評估和驗證不同封裝電阻在相同應力下的壽命分布規律。

2.2.2 單一H2 S氣體腐蝕試驗

單一H2S氣體腐蝕試驗在北京華測實驗室進行,試驗對象為磁珠,腐蝕氣體為H2S,腐蝕氣體濃度為10×10-6、15×10-6和25×10-6(3種濃度對應3種不同的應力水平),試驗溫度為40℃,試驗相對濕度為85%RH。該試驗用于評估和驗證相同封裝磁珠在不同應力水平下的加速壽命關系。

2.3 腐蝕評估方法

2.3.1 形貌觀察法

形貌觀察法是指運用3D光學顯微鏡或3D Xray對試驗前后的樣品進行表面形態或內部形貌觀察,表3所示為典型的電阻和磁珠腐蝕前后照片。通過3D光學顯微鏡可發現電阻表面深灰色覆蓋層和端電極的結合處相比試驗前可見明顯的黑色硫化物。磁珠通過3D X-ray可發現內部銀箔線圈相比試驗前存在銀箔不完整和明顯孔洞狀形態,表明正在發生硫化腐蝕。

表3試驗前后電阻磁珠形貌對比

2.3.2 元素分析法

元素分析法是指運用EDX熒光光譜儀來測量元素,其原理是通過X射線穿透原子內部電子,由外層電子補給產生的能量差來判斷屬于何種元素。

2.3.3 電性測量法

電性測量法是指運用測量工具對試驗樣品的關鍵電氣參數進行測量,包含開路、短路、電阻變化、參數不穩定和上電功能異常等。

焊接在PCB測試板上的電阻和磁珠在高硫環境下內部銀電極和銀線圈生成硫化銀,造成DCR變大,因此電性測量可通過檢測DCR的變化率來統計電阻和磁珠的累積失效率。對于電阻,試驗后電阻阻值偏離額定值±2%時判斷為硫化失效；對于磁珠,試驗后磁珠DCR變化率超過20%時判斷為硫化失效。表4所示為不同封裝尺寸的電阻在相同應力下各時間段的失效數量統計表。表5所示為相同封裝尺寸的磁珠在不同應力下各時間段的失效數量統計表。

表4 失效樣品數統計表(試驗條件:FoS、105℃、n=300)

表5 失效樣品數統計表(試驗條件:H 2 S、40℃、85%RH、n=100)

3 加速硫化腐蝕壽命模型的評估

3.1 加速硫化腐蝕壽命符合威布爾分布

FoS氣體腐蝕試驗下不同封裝尺寸的電阻在相同應力下的壽命分布如圖8所示,黑色、紅色和綠色分別代表0402、0603和0805封裝電阻的累積失效分布。由圖可知,在相同恒定應力下,不同封裝的電阻在圖中擬合的壽命直線,其直線斜率表征威布爾分布故障概率密度函數的形狀參數m,如圖所示,m相近略有不同,說明電阻的硫化失效機理是一樣的,電阻在恒定應力下的硫化壽命符合威布爾分布。由圖還可知,小尺寸封裝的電阻在相同應力下,硫化失效概率更大。

3.2 不同應力下的加速硫化壽命符合逆冪律模型

單一H2S氣體腐蝕試驗下,相同封裝尺寸的磁珠在不同應力下的壽命分布如圖9所示。

圖8 電阻在FoS試驗下的壽命分布圖

3種不同顏色分別對應不同的應力水平,綠色最高,黑色最低。由圖可知,在相同恒定應力下,磁珠硫化失效故障點分布基本在一條直線上,磁珠在恒定應力下的硫化壽命符合威布爾分布；在不同應力下的試驗結果擬合3條直線相互平行、斜率相同,即形狀參數m相同,不同應力下,磁珠的硫化失效機理是一樣的；在加速硫化腐蝕試驗中,高的應力水平φ對應低的特征壽命η,磁珠的加速硫化腐蝕壽命符合逆冪律模型。

3.3 工程壽命預估

圖10所示為磁珠工程壽命預估模型圖。結合工程中的環境應力水平和實驗室加速試驗的應力水平進行換算,我們可以按照圖10來預估工程壽命,磁珠在H2S含量為10×10-9環境下工程壽命在10年左右。

按照美國儀表協會ISA-71.04-2013劃分的氣體腐蝕性等級[14],GX環境下H2S的濃度＞50×10-9,可知普通磁珠的工程壽命大約在2～3年。結合工程各地返回失效案例統計,在機房環境等級為GX的情況下,磁珠故障前累計工作時間均顯示為2年半左右,與加速實驗壽命預估模型推算的工程壽命一致。

圖10 磁珠工程壽命預估模型圖

4 結束語

本文通過分析銀腐蝕失效的機理,實施了電阻(內部端電極含銀)的FoS氣體腐蝕加速試驗和磁珠(內部由銀箔構成線圈)的單一H2S氣體腐蝕加速試驗,驗證了銀的硫化腐蝕壽命符合威布爾分布模型,銀的加速硫化腐蝕壽命和應力水平的關系符合逆冪律模型,并結合各地工程失效案例驗證了該壽命預估模型的準確性。這種方法具有良好的收斂性,為光模塊及其他光通信產品的設計、運行和維護提供了可靠的依據,并針對光模塊的硫化腐蝕給出了應對措施,對降低工程失效率、延長產品工作壽命和提升客戶滿意度具有重要意義。