老化、环境及可靠性

老化、环境及可靠性

试验

概  述

评价产品价值不应仅仅局限于对产品自身功能与性能进行评价。换句话说质量是产品价值的基础，产品价值取决于其自身质量。产品投放到市场后发生质量问题时，性能的损坏程度并不直接影响产品成本，对厂家来讲最大损失莫过于品牌信誉的损失。为了避免这些损失，在产品投放市场之前，就必须要对产品作质量鉴定。环境试验不仅能够通过模拟试验和产品寿命老化试验对产品进行质量鉴定，同时还是质量保证体系中必不可少的先决条件。

环境试验始见于第二次世界大战，当时美军出现了诸如从美国运至东南亚60%的机载电子设备到达目的地后不能正常使用、将近一半以上的备用电子设备储备在仓库时就已经失效等问题引起美军的极大重视。经确认大多数设备失效问题是起因于亚洲热带多雨潮湿环境下湿热应力混合作用。

环境试验可大致可分为"气候环境试验"、"机械环境试验"和"综合环境试验"。与气候有关的环境试验包括温度，湿度与压力等环境应力试验，而机械环境试验则包括冲击和振动等环境应力试验。

机械环境试验：所处环境应力  冲击、碰撞、振动、加速、高噪音、疾风。

综合环境试验：所处环境应力  机械环境和气候环境相结合的环境因素。

气候环境试验：所处环境应力  温度、湿度、气体、盐雾、风雨、压力、太阳辐射。

1 环境应力与失效的关系

1．1 温度应力对产品的影响

当讨论产品寿命时,一般采用"θ℃规则"的表达方式。具体应用时可以表达为"10℃规则"等，当周围环境温度上升10℃时，产品寿命就会减少一半；当周围环境温度上升20℃时，产品寿命就会减少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响产品寿命（失效）的。

高温对产品的影响：老化、氧化、化学变化、热扩散、电迁移、金属迁移、熔化、汽化变型等

低温对产品的影响：脆化、结冰、粘度增大和固化、机械强度的降低、物理性收缩等

1．2 湿度对产品的影响

高温高湿条件作用试验样品上，可以构成水气吸附、吸收和扩散等作用。许多材料在吸湿后膨胀、性能变坏、引起物质强度降低及其他主要机械性能的下降，吸附了水气的绝缘材料不但会引起电性能下降，在一定条件下还会引发各种不同的失效，是影响电子产品最主要的失效环境。

湿度对产品的影响：腐蚀、离子迁移、扩散、水解、爆裂、霉菌、

湿度引起塑封半导体器件腐蚀的失效：

在硅片上集成有大量电子元件的集成电路芯片及其元件通过导线连接起来构成电路。由于铝和铝合金价格便宜，加工工艺简单，因此通常被使用为集成电路的金属线。从进行集成电路塑封工序开始，水气便会通过环氧树脂渗入引起铝金属导线产生腐蚀进而产生开路现象，成为品质工程最为头痛的问题。人们虽然通过各种改善包括采用不同环氧树脂材料、改进塑封技术和提高非活性塑封膜为提高产品质量进行了各种努力，但是随着日新月异的半导体电子器件小型化发展，塑封铝金属导线腐蚀问题至今仍然是电子行业非常重要的技术课题。

铝线中产生腐蚀过程：
① 水气渗透入塑封壳内→湿气渗透到树脂和导线间隙之中
② 水气渗透到晶片表面引起铝化学反应

加速铝腐蚀的一些因素（铝金属导线腐蚀反应随着是否施加偏压而变化）

①树脂材料与晶片框架接口之间连接不够好（由于各种材料之间存在膨胀率的差异）。
    ②封装时，封装材料掺有杂质或者杂质离子的污染（由于杂质离子的出现）。
    ③非活性塑封膜中所使用的高浓度磷。
    ④非活性塑封膜中存在的缺陷。

1．3 冷热温度冲击对产品的影响

高温和低温的失效都会反映在冷热温度冲击试验中，冷热冲击试验只是加速了高温和低温失效的产生。下面归纳了实际生产或使用环境中存在的具有代表性的冷热温度冲击环境，这些冷热冲击环境常常是导致产品失效的主要原因。

1．温度的极度升高导致焊锡回流现象出现；

2．启动马达时周围器件的温度急速升高，关闭马达时周围器件会出现温度骤然下降；

3．设备从温度较高的室内移到温度相对较低的室外，或者从温度相对较低的室外移到温度较高的室内；

4．设备可能在温度较低的环境中连接到电源上，导致设备内部产生陡峭的温度梯度。在温度较低的环境中切断电源可能会导致设备内部产生相反方向陡峭的温度梯度；

5．设备可能会因为降雨而突然冷却；

6．当航空器起飞或者降落时，航空器机载外部器材可能会出现温度的急剧变化。   

1．4 机械冲击和振动对产品的影响   

机械冲击和振动主要是针对处于剧烈振动环境中的车用电子设备。可是最近由于一般电子设备也因为其便携化而变得易受振动，因此机械应力的应用范围也广泛了。

机械应力所造成的失效主要是连接器、继电器等连接部件，当然对装配工艺不合理的设计也容易引起元器件的脱落和引线短裂，对元器件内部工艺不良的产品会引起开路、短路、间歇连接。

2 可靠性试验分类

可靠性试验大体可以分为筛选试验、评价鉴定试验及寿命试验（耐久性试验）等。所有的可靠性试验都离不了环境试验，因此环境试验是可靠性试验的重要组成部分，目前环境试验被认为是确认与改善工业产品质量主要方法。

筛选试验：消除在早期失效期发生的产品缺陷及不良问题，提高产品可靠性的试验。

评价鉴定试验：产品选择的比对试验、产品的质量认证试验、交收验收试验（失效率试验）。失效率试验是可以确定一定失效率的期间内进行的试验，常被用于交收试验和质量认证。

寿命试验： 用于调查分析何时出现电子元器件和机械零件的摩耗和使用寿命的问题，使用寿命的故障分布函数呈什么样的形状以及分析失效率上升的原因而进行的试验。

2．1 试验形式

2．1 筛选试验 

筛选(Screening )： 采用非破坏性应力检查所有产品消除隐患。

筛选测试：主要用于消除早期失效和减少不合格产品数目。筛选测试经常被生产方作为出厂检查，使用方作为使用前的检查。包括高温条件下的测试和其他应力测试，筛选测试被广泛采用在高可靠产品所使用的各类元器件、组件。

筛选试验：  为了决定理想的筛选试验应力，必须首先分析早期失效和确定最有可能引起这些失效的应力类型。

2．2 老化试验

 老化(Burn-in)： 产品或元器件在投入使用之前试工作一段时间用于稳定产品性能。

老化试验：目的是为了通过试验剔除浴盆曲线中的早期失效，常用于整机、组件。为了保证试验时不使产品劣化变质，达到甄选缺陷品的目的，其重点是试验条件如何设定。

2．3 型式试验（验证试验、定型试验）

型式试验在产品研制和开发阶段同步或后期进行，试验目的是考核研制的产品在满足技术指标情况下对各种环境条件的适应性。为生产的产品取得相应质量许可作准备。

型式试验应尽量涵盖环境试验的内容。在开发阶段对元器件、PCB板、连接器等易产生问题的部件要通过试验做到心中有数，生产过程中的部分试验（如焊接温度、焊接时间、固化温度、固化时间、静电防护），成品阶段的产品环境适应性。

2．4 例行试验

例行试验在产品稳定生产的过程中进行，分批次的例行试验，定期的例行试验，试验内容以高低温、温循、温冲、湿热为主。可以对产品也可对半成品、组件、或关键件进行试验

2．5 寿命试验

研制和生产单位最为关心的问题是产品定型生产后，产品的可靠性和长期工作寿命，寿命试验作为评价产品的使用时间是非常必要的。

寿命试验和相应的统计计算相结合可以得出产品的可靠性指标，因此产品的可靠性是和寿命试验紧密相连的。对不同产品的可靠性可以有以下不同的关注：

1、短期可靠性

    2、长期可靠性

    3、无故障工作时间

2．6 其他试验（在实际工作中常发生）

在用户的使用中往往会提出比某一项原定技术指标更高要求的使用条件，因此必须进行超额使用的试验。例如230℃、10秒的耐焊接热元器件，能否在260℃、6秒的条件下使用。

思考题：某厂开关稳压电源最大输出功率1000W，最大输出电流25A，最大输出电压48V。出厂前100％常温老化48小时，老化功率960W，输出电压48V、输出电流20A。产品出厂3个月失效2.5％。改变老化条件为老化功率1189W，输出电压47V，输出电流27A，时间48小时。产品出厂3个月失效1.5％。当需要你确定老化条件时如何制定，为什么？

3  环境试验内容

高温试验

产品寿命遵循"10℃规则"，因而高温试验作为最常用的试验，用于元器件和整机的筛选、老化试验、寿命试验、加速寿命试验、评价试验、同时在失效分析的验证上起重要作用。

高温试验的技术指标包括：温度、时间、上升速率。

注意产品和元器件的最大耐受温度极限。

低温试验

低温试验用于考核产品在低温环境条件下贮存和使用的适应性，常用于产品在开发阶段的型式试验、元器件的筛选试验。

高温试验的技术指标包括：温度、时间、上升速率。

注意产品从低温箱取出时由于温度突变会产生冷凝水。（对温度循环、温度冲击、湿热试验均适用）

温度循环

温度循环作为自然环境的模拟，可以考核产品在不同环境条件下的适应能力，常用于产品在开发阶段的型式试验、元器件的筛选试验。

温度循环的技术指标包括：高温温度、高温保持时间、下降速率、低温温度、低温保持时间、上升速率、循环次数

温度冲击

     温度冲击试验目的是为了在较短的时间内确认产品特性的变化，以及由于构成元器件的异种材料热膨胀系数不同而造成的故障问题。这些变化可以通过将元器件迅速交替地暴露于超高温和超低温的试验环境中观察到。

  冷热冲击试验不同于环境模拟试验，它是通过冷热温度冲击发现在常温状态下难以发现的潜在故障问题。决定冷热温度冲击试验的主要因素有：试验温度范围、暴露时间、循环次数、试验样品重量及热负荷等。

温度冲击设备有：两箱法、三箱法和液槽式三种。

              冷热冲击试验与温度循环试验的区别

恒温恒湿

产品失效因为湿度的影响占40％以上，因此湿度试验在环境试验中是必不可少的。常用于寿命试验、评价试验和综合试验，同时在失效分析的验证上起重要作用。尤其对含有树脂材料的产品在产品开发和质量评估时该试验是必须的。

恒温恒湿的技术指标包括：温度、相对湿度、试验时间

注意产品试验结束后应对样品有1～2小时的恢复期。

交变潮热（湿热）

    模拟热带雨林的环境，确定产品和材料在温度变化，产品表面产生凝露时的使用和贮存的适应性。常用于寿命试验、评价试验和综合试验。

交变湿热的技术指标包括：温度、相对湿度、转换时间、交变次数。

注意试验结束后应对样品有1～2小时的恢复期。

机械振动

机械振动试验用来确定机械的薄弱环节，产品结构的完好性和动态特性、常用于型式试验、寿命试验、评价试验和综合试验。

机械振动试验中有一类故障的发生，不在一个特定条件下不会发生，或不在这种特定条件中这种故障不会轻易地被测量出来，或是故障的再现性很差（即很难预测到它何时会发生），因此机械振动试验在许多情况下，产品是需要处于工作状态并连续测试的。例如继电器、连接器等。

机械振动的技术指标包括：扫频频率范围、定频振动频率、振动幅值（位移幅值）、扫频循环次数、定频时间、方向。

注意振动幅值的峰值Vp和峰峰值Vp－p是不同的，

冲击和碰撞

    许多产品在使用、装卸、运输过程中都会受到冲击。冲击的量值变化很大并具有复杂的性质。因此冲击和碰撞试验适用于确定机械的薄弱环节，考核产品结构的完整性。

冲击试验的技术指标包括：峰值加速度、脉冲持续时间、速度变化量（半正弦波、后峰锯齿波、梯形波）和波形选择。冲击次数无特别要求外每个面冲击3次共18次。

碰撞试验的技术指标包括：峰值加速度、脉冲持续时间、速度变化量（半正弦波）、每方向碰撞次数。

注意冲击和振动的方向应是6个面，而不是X、Y、Z三方向。

高压蒸煮试验（高压蒸汽恒定湿热试验）

高压蒸煮试验采用高压高湿条件，考核塑料封装的半导体集成电路等电子器件的综合影响，是用高加速的试验方式评价电子产品耐湿热的能力，常用于产品开发、质量评估、失效验证。

压力试验的技术指标包括：大气压力、相对湿度（饱和或非饱和） 、温度、试验时间。

盐雾试验

盐雾试验模拟海洋或含盐潮湿地区气候的环境，用于考核产品、材料及其防护层抗盐雾腐蚀能力。有盐雾试验和交变盐雾试验两种试验。常用于在特殊条件下的质量评估、失效验证。

盐雾试验的技术指标包括：盐溶液浓度、相对湿度、温度、盐雾时间、贮存时间、试验周期。

注意试验结束后试验样品需立即冲洗干净。

气体腐蚀试验 312表2

气体腐蚀试验主要应用于接触点和连接件，试验后的评定标准是接触电阻变化，其次是外观变化。主要的腐蚀气体为二氧化硫和硫化氢

气体腐蚀试验的技术指标包括：浓度、相对湿度、温度、流速、试验时间。

其他试验

a． 霉菌试验、低气压试验、太阳辐照试验、沙尘试验、水试验（淋雨试验）、恒加速试验（离心试验）

b．综合环境试验: 温度/湿度/高度、温度/湿度/振动

试验系统

能够将环境试验与电气测量相结合，并在环境试验中对电子零部件及设备的电气特性进行实时测量、数据处理的系统。其硬件和软件有能力在环境试验条件下，正确的捕捉评价所需数据和故障模式特有的特性变化。而环境试验装置的控制、试验管理、数据处理，均由电脑自动实施。

试验系统主要是为快速评价试验而研制的设备，设备成本和试验成本较高，但试验数据准确，试验时间短。由于试验样品在试验阶段始终处于工作状态，常规试验难以发现的瞬间失效和特定条件下的失效均能发现。试验系统的发展主要针对失效机理的研究。

思考题：某厂产品的液晶驱动电路采用进口电路生产，为控制成本驱动电路芯片和封装用的塑料材料均从国外购买自行封装，产品出厂检测正常，半年后陆续出现问题，一年失效率统计为20％。显示确失问题占97％，如何设计试验方案寻找失效原因。

4．         寿命试验概述

4．1寿命试验类别：

为了评价产品寿命特征的试验，叫做寿命试验。寿命试验是在生产过程比较稳定的条件下，剔除了早期失效产品后进行的试验，通过寿命试验可以了解产品寿命分布的统计规律。寿命试验可以分为贮存寿命试验、工作寿命试验、加速寿命试验。

贮存寿命试验：产品在规定的环境条件下进行非工作状态的存放试验，叫贮存试验。

贮存试验条件通常为室内、棚下、露天等，因此贮存的环境试验方法又称天然暴露试验。贮存试验的样品处于非工作状态。

贮存试验需要较多的试验样品和长期的观