印制電路板加速壽命試驗方法綜述

劉立國 張永華 高 蕊

（無錫江南計算技術研究所軍用印制板質量檢測中心，江蘇 無錫 214083）

1 概述

壽命試驗是一種重要的可靠性試驗，是對產品的可靠性進行測試、分析和評價的一種常用方法。隨著元器件水平的迅速提高，高可靠、長壽命的產品越來越多，可靠性試驗方法應用也更加成熟。作為元器件支撐和信號傳輸載體的高密度化、微型化的印制電路板（簡稱印制板）可靠性越來越受到航空、航天、醫療、軍事等高可靠性應用領域的重視，成為繼元器件、電子組裝焊點之后影響整機系統可靠性的第三關鍵因素。正確開展印制板可靠性試驗，準確評估其壽命，對準確評估整機系統壽命及提高系統可靠性具有重要意義。

從廣義上講印制板也屬于元器件，所以可以借鑒元器件的可靠性預計方法進行印制板可靠性預計，在GJB 108A-2006《電子設備非工作狀態可靠性預計手冊》和GJB 299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》中提供了印制板工作狀態和非工作狀態下應力分析可靠性預計方法。應力分析可靠性預計方法根據產品基本失效率、產品環境系數、產品質量系數、產品復雜系數等經驗值進行預算產品失效率，進而反映產品的可靠性。由于印制板生產工藝復雜，產品質量受生產工藝及質量控制影響極大，所以筆者認為此方法意義不大，無法準確評估印制板的可靠性指標。

筆者認為利用實際應用的印制板產品或與其同一生產流程的專用測試板，開展加速壽命試驗。統計加速應力環境下的產品可靠性，然后再運用加速壽命模型評估產品在正常工作應力下的可靠性特征的方法更為適用。此種加速壽命試驗方法既能使產品在短時間內激發產生跟正常應力水平下相同的失效，縮短了試驗周期，試驗樣品又與實際應用產品相同或同一工藝水平，最大限度消除了印制板生產工藝及質量控制的影響，較為真實的反映了產品可靠性水平。本文主要綜合闡述可應用于印制板加速壽命試驗的常用加速壽命試驗模型、加速因子計算和加速壽命試驗方法。

2 常用的加速壽命試驗模型

目前應用的加速壽命模型可以分為三類：統計模型、物理統計模型和物理實驗模型。當產品的失效時間在不同的應力水平下服從同樣的壽命分布時，多采用統計模型預測產品可靠性[1]。而印制板失效率受到環境應力、材料性能、制造工藝及質量控制等多種因素影響，其可靠性預測跟許多元器件類似，可以采用物理統計模型或物理實驗模型。本文介紹幾種常用的加速壽命試驗模型如下。

2.1 阿倫紐斯（Arrhenius）模型

當用溫度作用加速應力時，因為高溫能使產品內部加快化學反應，促使產品提前失效。其評估模型采用阿倫紐斯模型[2]。

式中：N表示溫度為T時的壽命特征；A——常數，表示受試產品由試驗決定的常數；Ea——激活能，與材料有關，單位eV；K——波耳茲曼常數，為8.617×10-5eV/K；T——絕對溫度。

2.2 逆冪律模型

當環境應力為非熱應力（比如受電、載荷、腐蝕介質影響）時，譬如加大電壓也能促使產品提前失效[2]，其特征壽命與應力之間符合下式：

式中：N——某壽命特征，如中位壽命，平均壽命，特征壽命等；A——正常數；e——與激活能有關的正常數；v——應力，常取電壓。

2.3 Coffin-Manson模型

Coffin-Manson模型反映產品在熱循序應力作用下導致的疲勞失效，也被成功用于模擬焊點受到溫度沖擊后的裂紋擴展過程，因此可應用于描述產品熱疲勞失效與溫度循環應力的關系[2]。

Coffin-Manson模型的一般形式為：

式中：N——循序次數；△T——溫度范圍；f——循環頻率；Tmax——最高溫度；Ea——激活能；K——波耳茲曼常數，為8.617×10-5eV/K；δ、B1、B2——待定系數。

2.4 應力壽命加速模型

根據強度理論，疲勞曲線在其有限壽命范圍內的曲線方程為[2]：

式中：m、C——材料常數；S——應力幅值；N——應力幅值S的破壞循環數。

2.5 廣義艾琳模型

如果以溫度和電壓同時作為加速應力時，Glasstene、Laidler、Eyring在1941年提出一個加速模型：

式中：N——某壽命特征；A、B、C、D是待定的常數；K——波耳茲曼常數，為8.617×10-5eV/K；T——絕對溫度；V——電壓。

2.6 廣義濕度模型

如果以濕度作為加速應力，廣義濕度模型為：

式中：N——濕度為RH下的壽命特征；A和β——常數；RH——相對濕度。

然而，施加一個僅考慮濕度的加速壽命需要若干年時間才能獲得有意義的結果。因此，通常將溫度和濕度結合起來進行加速試驗。為了進一步減少時間，常常還將電壓應力與它們結合在一起。在溫度、相對濕度和電壓應力條件下，產品失效時間可以表示為（Gunn，Camenga，Malik在1983年提出）：

式中：N——壽命特征；V——施加的電壓，Ea——激活能，K——波耳茲曼常數，為8.617×10-5eV/K；β——常數；RH——相對濕度。

3 加速因子計算

加速壽命試驗是一種激發試驗，它通過強化的應力環境來進行可靠性試驗。加速環境試驗的加速水平通常用加速因子來表示。加速因子的含義是指產品在正常工作應力下的壽命與在加速環境下的壽命之比，通俗來講就是指一小時試驗相當于正常使用的時間。因此，加速因子的計算成為加速壽命試驗的核心問題，也成為客戶最為關心的問題。加速因子的計算也是基于一定的物理模型，印制板常用應力的加速因子計算方法如下。

3.1 溫度加速因子

溫度加速因子由阿倫紐斯（Arrhenius）模型計算[3]：

式中：TAF——溫度加速因子；Ln——正常應力下的壽命；Ls——高溫下的壽命；Tn——正常工作絕緣溫度；Ts——高溫下的絕對溫度；Ea——激活能；單位eV；K——波耳茲曼常數，為8.617×10-5eV/K。

3.2 電壓加速因子

電壓的加速因子由Eyring模型計算[3]：

式中：VAF——電壓加速因子；Vs——加速試驗電壓；Vn——正常工作電壓；β——電壓的加速率常數。

3.3 濕度加速因子

濕度的加速因子由Hallberg-Peck模型計算[3]：

式中：HAF——濕度加速因子；RHs——加速試驗相對濕度；RHn——正常工作相對濕度，n——濕度的加速率常數，一般介于2～3之間。

3.4 溫度變化加速因子

溫度變化加速因子由Coffin-Mason公式計算[3]：

式中：TEAF——溫度變化加速因子；△Ts——加速試驗下的溫度變化范圍；△Tn——正常應力下的溫度邊緣范圍，n——溫度變化的加速率常數，一般介于4～8之間。

一般產品工作環境為溫度、濕度、電壓等應力結合在一起，在計算加速因子時，先分別計算各應力的加速因子，再將各加速因子相乘得到整個試驗的加速因子。上述加速因子的計算公式都是建立在特定模型基礎上的，而模型的建立往往包含一些假設，并且忽略或簡化次要的影響因素，因此計算的結果只是作為產品壽命的預測值，具有一定的指導和參考意義，不能認為只要試驗足夠時間就一定能確保產品的壽命。

4 印制板加速壽命試驗方法

印制板作為元器件支撐和信號傳輸的載體，失效模式主要是兩種：一是互連失效，即互連電阻增大或開路；二是絕緣失效，即絕緣電阻減少或短路。引起印制板互連可靠性失效的應力主要是溫度變化應力，引起印制板絕緣失效的應力主要是溫度、濕度和電壓應力，而印制板的工作環境影響其可靠性的應力主要是溫度、濕度和電壓應力，印制板的存儲環境主要是溫度、濕度應力。印制板加速壽命試驗方法主要是：恒溫恒濕存儲壽命試驗，恒溫恒濕偏壓加速壽命試驗和溫度循環加速壽命試驗。

4.1 恒溫恒濕存儲壽命試驗

恒溫恒濕存儲壽命試驗中主要是溫度和濕度應力作用，印制板的失效模式主要是連通性失效，且失效率很低，如果不是需要長期存儲的產品不需要開展此項試驗。筆者建議試驗測試條件如下：

4.1.1 測試樣品

經過3次回流焊的成品印制板或專用測試板。

4.1.2 失效判定

互連電阻增加大于10%或絕緣電阻小于100 MΩ。

4.1.3 加速因子

加速因子見式（12）

4.1.4 測試條件

測試周期為24 h，使用四端接線探頭系統進行互連電阻測試，絕緣電阻測試電壓為100 V，測試時應保證試樣表面干燥。

4.1.5 試驗條件

試驗條件如表1所示。

4.1.6 試驗程序

（1）試驗樣品準備；

（2）3次回流焊試驗；

（3）初始電阻測試，初始互連電阻大于10 Ω（專用菊花鏈測試網絡除外），絕緣電阻小于100 MΩ的樣品直接去除掉，不進行試驗，不作為失效樣品統計；

（4）按照試驗條件進行試驗和測試，一般按照失效率為50%時試驗終止，記錄試驗加速壽命Ls50%；

（5）測試數據整理分析，預測產品可靠性指標。

4.1.7 評價

使用濕度加速計算單元試驗測試數據計算濕度的加速率常數n，使用溫度加速計算單元試驗測試數據計算激活能Ea，將相關參數代入公式4-1，按照低加速試驗條件和存儲環境條件計算存儲壽命試驗加速因子AF，然后將低加速試驗測試數據代入下式計算產品的存儲壽命Lc。

4.2 恒溫恒濕偏壓加速壽命試驗

恒溫恒濕偏壓加速壽命試驗中主要是溫度、濕度和電壓應力作用，在恒溫恒濕存儲壽命試驗的基礎上只是多了一個電壓應力，印制板的失效模式主要是絕緣失效，互連失效率極低，所以建議試驗測試條件如下：

4.2.1 測試樣品

經過3次回流焊的成品印制板或專用測試板。

4.2.2 失效判定

絕緣電阻小于100MΩ。

4.2.3 加速因子計算模型

具體參數見式（14）。

4.2.4 測試條件

測試周期為24 h，測試電壓應不超過外加電壓的2倍，且應在30 V以下，測試時應保證試樣表面干燥。

表1 標準加速

表2 標準加速

4.2.5 試驗條件

試驗條件如表2所示。

4.2.6 試驗程序

（1）試驗樣品準備。

（2）3次回流焊試驗。

（3）初始電阻測試，絕緣電阻小于100 MΩ的樣品直接去除不進行試驗，不作為失效樣品統計。

（4）按照試驗條件進行試驗和測試，一般按照失效率為50%時試驗終止，記錄試驗加速壽命Ls50%。

（5）將測試數據整理分析，預測產品可靠性指標。

4.2.7 評價

使用濕度加速計算單元試驗測試數據計算濕度的加速率常數n，使用溫度加速計算單元試驗測試數據計算激活能Ea，使用溫度加速計算單元試驗測試數據計算電壓的加速率常數β，將相關參數代入公式（13），按照低加速試驗條件和應用環境條件計算產品恒溫恒濕偏壓加速壽命試驗加速因子AF，然后將低加速試驗測試數據代入式（13）計算產品的恒溫恒濕環境下的應用壽命LY。

4.3 溫度循環加速壽命試驗

溫度循環加速壽命試驗中主要是溫度變化應力作用，印制板的失效模式主要是互連失效，所以建議試驗測試條件如下。

4.3.1 測試樣品

經過3次回流焊的成品印制板或專用測試板。

4.3.2 失效判定

互連電阻增加大于10%。

4.3.3 加速因子

加速因子見式（15）。

4.3.4 測試條件

使用四端接線探頭系統進行互連電阻測試，每個循環高溫、低溫穩定時各測試一次，且電阻值的增長分別計算，即同一溫度下的電阻值增長。

4.3.5 試驗條件

試驗條件如表3所示。

4.3.6 試驗程序

（1）試驗樣品準備。

（2）3次回流焊試驗。

（3）初始電阻測試，初始互連電阻大于10Ω（專用菊花鏈測試網絡除外）的樣品不進行試驗，不作為失效樣品統計。

（4）按照試驗條件進行試驗和測試，一般按照失效率為50%時試驗終止，記錄試驗加速壽命Ls50%。

（5）測試數據整理分析，預測產品可靠性指標。

表3 標準條件（當Tg=125 ℃）[4]

4.3.7 評價

將試驗數代入式（14）計算溫度變化的加速率常數n，然后將低加速單元試驗測試數據代入式（14）計算產品的溫度循環壽命LW。

恒溫恒濕環境下的應用壽命LY可以認為是印制板的絕緣可靠性，溫度循環壽命Lw可以認為是互連可靠性，互連可靠性和絕緣可靠性決定了印制板可靠性所以只有當兩個指標均達到產品要求時，印制板可靠性才滿足要求。

5 結語

上述印制板加速壽命試驗方法雖然采用的是加速壽命試驗，但是在試驗數量、試驗周期和試驗成本上，不能完全滿足現在產品研制周期緊、費用控制嚴格的市場要求，所以此方法在制造商或使用方并沒有廣泛應用，且在國內缺少相關數據的積累。目前印制板行業廣泛使用的方法是定時可靠性驗證試驗法，即產品通過規定的可靠驗證試驗，相關性能符合要求，就判定產品符合其可靠性的要求。但是隨著人工智能、大數據等技術的發展和可靠性數據的積累，基于高加速壽命試驗方法和大數據分析的可靠性評估技術將得到廣泛應用，且具有廣闊的應用前景。

本文所講述的印制板加速壽命試驗方法是筆者結合日常工作和相關資料的初步探索，還缺少試驗的充分驗證和數據的積累。下一步筆者將結合工作開展相關的試驗驗證，逐步積累數據，進一步進行印制板可靠性測試技術的研究。