電子生產環境高加速壽命試驗模型研究

郭夢伊　胡鑒清　楊杰

環境高加速壽命試驗的開展需要構建對應的試驗模型，基于模型針對實際情況進行具體分析，從而確保試驗高質、高效開展，促使產品環境適應力提升。在構建環境高加速壽命試驗模型時，需要明確標準，同時利用信息技術優化模型，盡可能保障模型的精確性與全面性。

1.高加速壽命試驗概述

高加速壽命試驗指在高、低溫快速變換的震蕩體系中開展試驗，從而發現電子產品的設計問題。該試驗的優勢是通過環境變化對產品破壞極限加以測試，從而針對性地采取合理對策進行處理，優化產品可靠性。在現代電子產品設計中，高加速壽命試驗的重要性愈發重要，如何保障試驗結果的精準性、可靠性也成為廣受關注的問題。高加速壽命試驗一般需要進行多次測試，通過連續的測試、失效分析、缺陷改進、驗證形成連貫性的閉環循環。除非一次性就能經受住加速試驗，否則需要多次試驗。高加速壽命試驗的流程較為復雜，通過反復試驗發現產品設計缺陷和不足，在實際操作時往往需要對低溫、高溫、熱循環、振動、綜合應力、工作應力等環境進行模擬，從而達到測試其失效破壞極限的作用。該試驗之所以能夠在現代電子行業中得到廣泛應用，除了該試驗能夠有效發現并消除產品設計缺陷，提高設計可靠性，確保能獲得早期高可靠性，提高產品外靠可靠性之外，還包含其他大量優勢。高加速壽命試驗能夠有效減少鑒定試驗時的故障，也能降低壽命周期成本，更能確切掌握產品在極限條件下的運行情況，這能為高加速應力篩選方案確定應力量級提供依據。而且和傳統的環境試驗相比，高加速壽命試驗還具有見效快，促使產品可靠性提高，避免產品上市前不必要的時間浪費，降低產品成本等優勢，這也是其能夠在電子行業中得到廣泛應用的關鍵所在。而與加速壽命試驗相比，高加速壽命試驗雖然不用于確定產品壽命，而且對設備要求較高，但是在找尋影響外場使用的缺陷方面有著明顯優勢，因此在產品設計中通常需要同時開展這兩種試驗。

高加速壽命試驗的開展對各方面要求均較高，但凡其中有任何一點不符合標準、規范或要求，均會影響試驗結果。為了保障高加速壽命試驗有效開展，需要做好試驗前的準備工作，形成由產品研發設計、制造工藝和質控等專業技術人員所組成的試驗團隊，搭建相應的失效分析平臺，明確試驗相關測試細節，主要包括實驗儀器及樣品檢測儀器等相關儀器的功能和參數、產品在臺面的安裝方式、監測樣品狀態的熱電偶、加速度傳感器安裝位置及方式、測試程式和試驗嚴酷度等。另外高加速壽命試驗設備必須包括滿足一定要求的溫度試驗、振動試驗兩項基本能力，并且能同時進行溫度和振動的組合試驗，即相應的振動試驗技術參數、溫度試驗參數、溫度數據采集系統、振動數據采集系統均是必須嚴格規范的設備要求，另外還需要對其他輔助測試設備、液氮和壓縮空氣供應等進行明確要求。

2.環境高加速壽命試驗模型

2.1常見的物理模型

2.1.1失效率模型。該模型用于反映產品失效情況，重點反映產品不同時期的失效率，從而以較為直觀的形式表現產品使用可靠性及壽命等。對環境高加速壽命試驗而言，失效率模型是最為重要的部分。該模型主要是將早期失效、隨機失效及磨損失效三大時期進行銜接，以曲線的形式進行表達。其中早期失效期指產品投入使用初期的故障率相對較高，且具有迅速下降的特征的時期，導致該時期故障的原因主要是設計和制造缺陷，可通過可靠性設計、加強生產過程質量控制以減少失效;偶然失效期指產品投入使用一段時間后，產品故障率降到一個較低水平且基本處于平穩狀態，該時期故障原因往往是一些難于確定、不可測的因素，可通過改善設計選材和工藝來減少失效;至于磨損失效期則是指產品使用相當長時間后，故障率隨時間增加而明顯上升的時期，此時期的故障原因主要為組成產品的元器件老化、疲勞、磨損、維護保養不當等。需要注意的是，失效率模型在試驗中的應用主要體現在早期失效階段，該階段是反映產品可靠性的關鍵;而后兩個階段屬于正常范圍內的產品失效，在以強調產品可靠性試驗中應用相對較少。失效率模型如圖1所示：

圖1 失效率模型圖

2.1.2應力與強度模型。應力是高加速壽命試驗中不可或缺的重要因素，是檢測產品可承受強度的基礎。當產品承受環境應力超過一定范圍，導致其承受強度過大時，便會出現失效情況，如果這一情況發生在早期失效階段，自然意味著產品環境適應力不夠可靠。在產品生產出來后，其強度分布并非一成不變，而是會逐漸隨時間而有所變化，這就意味著其在不同時期所能承受的最大環境應力也有所差異。當某一時間點應力分布無法和強度分布一一對應時，就會出現失效情況，故而必須研究相應的應力與強度模型。

2.1.3最弱鏈條模型。該模型主要是針對元器件最薄弱部位進行研究，這是因為該部位最容易發生失效情況。對電子產品而言，高溫環境是最適合應用最弱鏈條模型的情況，這是因為高溫下電子元器件內部的各種微觀缺陷和污染容易受影響而擴大，從而導致產品失效。

2.1.4反應速度模型。該模型主要是基于微觀角度而構建，即元器件在出現分子、原子層面的物理、化學變化后會導致結構變化，使得產品特性參數退化，而且在退化至一定程度后引起失效。

2.2加速因子的計算

加速因子即產品在正常環境與加速環境下的壽命比，也是反應加速水平的因素。對高加速壽命試驗而言，加速因子無疑是極為重要的基礎因素，通常其值越大，實驗條件就越苛刻，相應的產品環境適應力要求也就越高。以溫度加速因子為例，產品正常工作環境溫度即室溫，在不同的加速因子下，加速溫度有所變化，相應的加速試驗也有所不同。

2.2.1溫度加速因子。溫度的加速因子由Arrhenius模型計算：

該模型的計算就是基于正常壽命與高溫壽命的比值。而要計算這一比值，則需要用到正常室溫下和高溫下的絕對溫度，同時還要掌握實效反應的活化能以及玻爾茲曼常數。該模型的適用范圍極廣，基本上所有電子元器件的失效情況均適用，應用該模型能夠在設計階段及時發現電子產品缺陷并加以改善。不同電子元器件失效反應的活化能有所不同，具體見表1。

表1 半導體元器件常見失效類型的活化能

2.2.2.電壓加速因子。其通常使用Eyring模型進行計算：

該模型實際上就是以自然常數e為底的指數函數，自變量則是加速試驗電壓和正常工作電壓之前的差值與電壓加速率常數之積。

2.2.3濕度加速因子。濕其一般可通過Hallberg和Peck模型計算：

該模型實際上就是以高加速試驗和正常工作狀態下的相對濕度之比為底的指數函數，對應的自變量為濕度的加速率常數。該自變量在不同失效類型下有所不同，不過范圍一般為2～3。

2.2.4溫度變化加速因子。其一般可通過Coffin-Mason公式加以計算：

該模型實際上就是以試驗和正常狀態下的溫度變化之比為底，對應的自變量為溫度變化的加速率常數，失效類型不同，相應的自變量也會有所差異，不過該自變量范圍通常為4～8。

2.3試驗方案

本試驗使用的是分析儀，由于電路板是影響甚至決定該設備使用壽命的關鍵，而且對應的壽命環境因素通常是溫度與濕度，故而可以應用最弱鏈條失效模型。在試驗中將溫度與濕度分別設置為50-70℃、90%RH，對應的加速因子應為溫度加速因子、溫度變化加速因子和濕度加速因子的乘積。

3.結語

綜上可知，環境高加速壽命試驗的開展能夠在設計階段對電子產品的缺陷及不足加以發現，從而針對性地進行改善，提高產品環境適應力，確保產品消費者獲得的產品質量足夠高。為了支持環境高加速壽命試驗的開展，有必要建立系統化的試驗模型，根據實際需求選擇并建立合適的基礎模型，做好加速因子計算，并在此基礎上明確試驗方案。只有在試驗模型的有效支持下，高加速壽命試驗才能正常、高效開展，為電子行業的穩定發展提供支持與保障。