电子产品可靠性试验

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 λD

0.0124 0.0677 0.0991 0.1240 0.1452 0.1639 0.1809 0.1964 0.2108 0.0247 0.1808 0.1885 0.2326 0.2693 0.3010 0.3290 0.3542 0.3772 0.0368 0.1896 0.2689 0.3278 0.3754 0.4256 0.4504 0.4810 0.5084 0.0488 0.2445 0.3414 0.4112 0.4661 0.5114 0.5498 0.5830 0.6121 0.0606 0.2956 0.4067 0.4842 0.5436 0.5915 0.6312 0.6649 0.6938 0.0723 0.3433 0.4655 0.5481 0.6099 0.6584 0.6979 0.7807 0.7884 0.0839 0.3877 0.5185 0.6042 0.6665 0.7144 0.7525 0.7836 0.8093 0.0953 0.4292 0.5663 0.6533 0.7149 0.7612 0.7973 0.8261 0.8495 0.1065 0.4678 0.6093 0.6963 0.7563 0.8004 0.8339 0.8602 0.8812 0.1176 0.5038 0.6480 0.7339 0.7917 0.8331 0.8640 0.8877 0.9063 0.1286 0.5374 0.6829 0.7669 0.8219 0.8605 0.8880 0.9097 0.9260 0.1394 0.5687 0.7144 0.7968 0.8478 0.8833 0.9087 0.9275 0.9416 0.1501 0.5979 0.7427 0.8211 0.8699 0.9025 0.9252 0.9417 0.9539 0.1607 0.6251 0.7687 0.8433 0.8888 0.9184 0.9388 0.9532 0.9639 0.1711 0.6505 0.7912 0.8628 0.9049 0.9318 0.9498 0.9624 0.9713 0.1814 0.6742 0.8119 0.8798 0.9187 0.9430 0.9589 0.9697 0.9774 0.1916 0.6962 0.8305 0.8947 0.9325 0.9523 0.9663 0.9757 0.9821 0.2017 0.7168 0.8473 0.9077 0.9406 0.9602 0.9724 0.9805 0.9859 0.2116 0.7360 0.8625 0.9192 0.9492 0.9667 0.9774 0.9843 0.9889 0.2214 0.7538 0.8761 0.9292 0.9566 0.9721 0.9815 0.9874 0.9912 0.0013 0.0070 0.0104 0.0132 0.0157 0.0179 0.0199 0.0219 0.0237 3.2.3 恒定高温应力激发的故障模式或影响

恒定高温能激发的故障模式(或对产品的影响)主要有：

使未加防护的金属表面氧化，导致接触不良或机械卡死，在螺钉连接操作时用力不当或保护涂层上有小孔和裂纹都会出现这种未防护的表面。

加速金属之间的扩散，如基体金属与外包金属，钎焊焊料与元件，以及隔离层薄弱的半导体与喷镀金属之间的扩散；

使液体干涸，如电解电容和电池因高温造成泄漏而干涸；

使热塑料软化，如该热塑料件处于太高的机械力作用下，则产生蠕变； 使某些保护性化合物与灌封蜡软化或蠕变；

提高化学反应速度，加速与内部污染物的反应过程； 使部分绝缘损坏处绝缘击穿。 3.3 温度循环应力

3.3.1 温度循环应力参数

温度循环应力参数有：上限温度、下限温度、循环次数、温度变化速率。 3.3.2 温度循环应力筛选度计算

0.63

SS＝1－exp－0.0017(R＋0.6) [Ln(e＋v)] ．N (2-3-5) 式中：R=Tu－TL ，——温度变化范围，℃； Tu ——上限温度，℃； TL ——下限温度，℃；

V ——温度变化速率，℃／min； N ——循环次数；

e =2.71828，——自然对数的底。

按式(2-3-5)计算的温度循环应力筛选度见表2-3-2。

表2-3-2 温度循环应力筛选度 次 速率 温 度 范 围 ℃ 6

数 ℃/m 2 5 2 10 2 15 2 20 4 5 4 10 4 15 4 20 6 5 6 10 6 15 6 20 8 5 8 10 8 15 8 20 10 5 10 10 10 15 10 20 12 5 12 10 12 15 12 20 20 0.1683 0.2097 0.3911 0.4707 0.2998 0.4969 0.6292 0.7198 0.4141 0.6431 0.7742 0.8517 0.5095 0.7469 0.8625 0.9215 0.5898 0.8204 0.9163 0.9585 0.6568 0.8726 0.9490 0.9780 40 0.2349 0.4031 0.5254 0.6155 0.4147 0.6437 0.7748 0.8522 0.5222 0.7873 0.8931 0.9432 0.6574 0.8731 0.9493 0.9781 0.7379 0.9242 0.9759 0.9916 0.7994 0.9548 0.9886 0.9968 60 0.2886 0.4812 0.6124 0.7034 0.4939 0.7308 0.8498 0.9120 0.6400 0.8603 0.9418 0.9739 0.7439 0.9275 0.9774 0.9923 0.8178 0.9624 0.9913 0.9977 0.8704 0.9805 0.9966 0.9993 80 0.3324 0.5410 0.6752 0.7636 0.5543 0.7893 0.8945 0.9441 0.7025 0.9033 0.9657 0.9868 0.8014 0.9556 0.9889 0.9969 0.8674 0.9796 0.9964 0.9993 0.9115 0.9906 0.9988 0.9998 100 0.3697 0.5891 0.7232 0.8075 0.6027 0.8312 0.9234 0.9629 0.7496 0.9306 0.9789 0.9929 0.8422 0.9715 0.9941 0.9986 0.9005 0.9883 0.9984 0.9997 0.9373 0.9852 0.9996 0.9999 120 0.4023 0.6290 0.7612 0.8407 0.6427 0.8624 0.9430 0.9746 0.7884 0.9409 0.9864 0.9960 0.8723 0.9811 0.9967 0.9997 0.9273 0.9930 0.9992 0.9999 0.9544 0.9974 0.9998 0.9999 140 0.4312 0.6629 0.7920 0.8665 0.6765 0.8863 0.9567 0.9822 0.8160 0.9617 0.9910 0.9976 0.8953 0.9871 0.9981 0.9997 0.9405 0.9956 0.9996 0.9999 0.9661 0.9985 0.9999 0.9999 160 180 0.4572 0.4809 0.6920 0.7173 0.8175 0.8388 0.8871 0.9037 0.7054 0.7305 0.9051 0.9201 0.9667 0.9740 0.9873 0.9907 0.8401 0.8601 0.9708 0.9774 0.9939 0.9958 0.9986 0.9991 0.9132 0.9274 0.9910 0.9936 0.9989 0.9993 0.9998 0.9999 0.9929 0.9623 0.9912 0.9982 0.9998 0.9999 0.9999 0.9999 0.9744 0.9804 0.9991 0.9995 0.9999 0.9999 0.9999 0.9999 3.3.3 温度循环应力故障率计算

λD = [－Ln (1-SS)] / N (2-3-6) 式中：λD ——故障率，平均次／循环； SS ——筛选度； N ——循环次数。

各参数组对应的故障率见表2-3-3。

3.3.4 温度循环应力激发的故障模式或影响

使涂层、材料或线头上各种微细裂纹扩大；使粘接不好的接头松驰；使螺钉连接或铆接不当的接头松驰；使机械张力不足的压配接头松驰；使质量差的焊点接触电阻加大或开路；粒子污染；密封失效。

表2-3-3 温度循环故障率(λD )

速 率 ℃/min 5 10 15 20 温 度 循 环 范 围 ℃ 20 40 60 80 100 120 140 160 0.0891 0.1339 0.1703 0.2020 0.2308 0.2573 0.2821 0.3055 0.1717 0.2580 0.3281 0.3893 0.4447 0.4958 0.5436 0.5888 0.2480 0.3726 0.4739 0.5623 0.6423 0.7161 0.7852 0.8504 0.3181 0.4779 0.6077 0.7212 0.8237 0.9184 1.0070 1.0906 180 0.3278 0.6317 0.9125 1.7702

3.4 扫频正弦振动应力

3.4.1 扫频正弦振动应力的筛选度计算

SS =1－exp[－0.000727(G)0.863 ·t] (2-3-7) 式中：G—高于交越频率的加速度量值，g； t—振动时间，min。

按式(2-3-7)计算的结果见表2-3-4。 3.4.2 扫频正弦振动应力的故障率

λD = [－Ln (1－SS ) ] / t (2-3-8)

7

式中：λD —故障率，次／h； SS—筛选度； t—时间，h。

按式(2-3-8)计算的结果也见表2-3-4。

表2-3-4 扫频振动筛选度和故障率 时 间 加 速 度 量 值 （g） Min 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 5 .0020 .0036 .0051 .0066 .0080 .0099 .0107 .0120 .0132 .0145 .0157 .0169 .0181 .0193 10 .0040 .0072 .0103 .0131 .0519 .0186 .0212 .0238 .0263 .0287 .0312 .0355 .0359 .0382 15 .0060 .0108 .0154 .0196 .0289 .0278 .0316 .0354 .0391 .0428 .0464 .0499 .0534 .0568 20 .0080 .0144 .0204 .0261 .0316 .0368 .0420 .0470 .0519 .0566 .0614 .0660 .0705 .0750 25 .0099 .0180 .0255 .0325 .0393 .0458 .0522 .0584 .0644 .0703 .0761 .0818 .0874 .0929 30 .0119 .0216 .0305 .0389 .0470 .0547 .0623 .0696 .0768 .0838 .0906 .0937 .1039 .1101 35 .0139 .0251 .0355 .0452 .0546 .0636 .0723 .0807 .0890 .0970 .1049 .1122 .1201 .1275 40 .0159 .0287 .0404 .0515 .0621 .0723 .0822 .0917 .1010 .1101 .1189 .1276 .1361 .1444 45 .0178 .0322 .0454 .0578 .0696 .0810 .0919 .1026 .1129 .1230 .1328 .1424 .1517 .1609 50 .0198 .0357 .0503 .0640 .0770 .0895 .1016 .1133 .1246 .1357 .1464 .1569 .1671 .1771 55 .0217 .0392 .0552 .0701 .0844 .0980 .1112 .1239 .1362 .1482 .1598 .1711 .1822 .1980 60 .0237 .0427 .0600 .0763 .0917 .1065 .1207 .1344 .1476 .1605 .1730 .1852 .1970 .2089 λD .0240 .0436 .0619 .0793 .0962 .1126 .1286 .1443 .1597 .1749 .1899 .2048 .2194 .2339 3.4.3 扫频正弦振动应力激发的故障模式或影响

使结构部件、引线或元器件接头产生疲劳，特别是导线上有微裂纹或类似缺陷的情况下； 使电缆磨损，如在松驰的电缆结处存在尖缘似的缺陷时； 使制造不当的螺钉接头松驰； 使安装加工不当的IC离开插座；

使受到高压力的汇流条与电路板的钎焊接头的薄弱点故障；

使未充分消除应力的可作相对运动的桥形连接的元器件引线造成损坏，例如电路板前板的发光二极管或背板散热板上的功率晶体管；

已受损或安装不当的脆性绝缘材料出现裂纹。 3.5 随机振动应力

3.5.1 随机振动应力的参数 随机振动应力的参数有：

频率范围、加速度功率谱密度(PSD)、振动时间、振动轴向数。 其振动谱可参阅图2.3.3。 3.5.2 随机振动应力筛选度

随机振动应力筛选度的计算式如下：

1.71

SS=1－exp[－0.0046(Grms ) t] (2-3-9) 式中：Grms—加速度均方根值，g；

Grms =（A1 ＋A2 ＋A3 ） ； (2-3-10) A1 、A2 、A3 ——随机振动谱的面积，g2 (见图2.3.3)； t—动时间，min。

1/2

8

加速度功率谱

2

密度 g/Hz +3db/oct －3db/oct

A1 A2 A3

频率HZ 0 20 80 350 2000

图2.3.3 随机振动谱示意

时间 min 0.5 5 .007 10 .014 15 .021 20 .028 25 .035 30 .041 35 .048 40 .055 45 .061 50 .068 55 .074 60 .081 λD .084

3.5.4 随机振动应力激发的故障模式或影响

随机振动应力激发的故障模式或影响与正弦扫频振动应力相同，但故障机理更复杂，发展故障的速度要比扫频正弦振动应力快得多，这是由于随机振动能同时激励许多共振点的作用结果。 3.6 筛选效果对比 3.6.1 温度应力对比

a) 对恒定高温应力的分析

恒定高温筛选的筛选度与温度增量、筛选时间密切相关，但其量值很小，由表2-3-1查得当温度增量为最大(80℃)、老炼筛选时间最长(200h)时，筛选度为0.9912。恒定高温的故障率只与温度增量有关，其值也很小，同样从表2-3-1查得温度增量最大(80℃)时故障率为平均0.0237次／h。即为了暴露1个缺陷，用温度增量为80℃的恒定高温进行筛选平均需要42个小时。如果按有些产品以45℃(温度增量为20℃)高温进行老炼筛选的话，其故障率为0.0104次/h，需要平均老炼100小时才能暴露1个缺陷。因此可见，为了达到消除早期失效的目的，用恒定高温的老炼筛选时间要很长，不仅筛选效率低下，而且有可能要影响产品的使用寿命。

故障率低和可能影响产品的使用寿命是恒定高温筛选应力的致命缺点。 b) 对温度循环应力的分析

温度循环应力的筛选度与温度范围、循环次数有关，并且与温度变化速率关系最密切，即温度升降速率越大，其筛选度也越大。由表2-3-2可查得温度范围为180℃、循环次数为4、温度变化速率为20℃/min时，筛选度为0.9907。归一化后其故障率与温度变化范围和温度变化速率成正相关。由表2-3-3可查得,当温度变化范围为80℃、温度变化速率为5℃/min时温度循环应力的故障率平均为0.2020次/循环，一般每个循环时间在3.5～4.0小时之间，因此该应力的故障率相当于平均0.0505次/h～0.0577次/h之间。

因此，故障率高、筛选效率高、不会影响产品使用寿命是温度循环应力的特点。

9

3.5.3 随机振动应力故障率计算 随机振动应力的故障率计算式如下：

λD = [－Ln (1-SS)] / t (2-3-11)

式中：λD —故障率，平均次／h； SS—筛选度； t—时间，h。

按照式(2-3-9)计算的筛选度和按照式(2-3-11)计算的故障率数值见表2-3-5。

表2-3-5 随机振动筛选度和故障率 加 速 度 均 方 根 值 (g) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 .023 .045 .012 .104 .140 .178 .218 .260 .303 .346 .389 .431 .478 .045 .088 .140 .198 .260 .324 .389 .452 .514 .572 .627 .677 .723 .067 .129 .202 .282 .363 .444 .522 .595 .661 .720 .772 .816 .854 .088 .168 .260 .356 .452 .543 .626 .700 .764 .817 .861 .896 .923 .109 .206 .314 .424 .529 .625 .708 .778 .835 .880 .915 .941 .959 .129 .241 .363 .484 .595 .691 .772 .836 .885 .922 .948 .966 .979 .149 .275 .409 .538 .651 .746 .882 .878 .920 .949 .968 .981 .989 .168 .308 .452 .586 .700 .791 .860 .910 .944 .966 .981 .989 .994 .187 .339 .492 .629 .742 .829 .891 .933 .961 .978 .988 .994 .997 .205 .369 .529 .668 .778 .859 .915 .951 .973 .986 .993 .996 .998 .224 .397 .563 .702 .809 .884 .938 .964 .981 .991 .996 .998 .999 .241 .424 .595 .734 .836 .905 .948 .973 .987 .994 .997 .999 1.00 .276 .552 .903 1.32 1.80 2.35 2.95 3.61 4.32 5.09 5.90 6.77 7.69 c) 温度应力的比较

由上分析可知，温度变化范围为80℃、温度变化速率为5℃/min的温度循环应力的故障率是温度增量为80℃的恒定高温应力的2倍多(0.0505与0.0237之比)。而且在工程上要实现前者比后者容易得多。温度增量为80℃的恒定高温应力要让产品经受105℃（80＋25）高温的相当长时间的工作过程，平均42小时才能暴露1个故障。而温度循环应力，通常采用温度交变试验箱，此类设备对温度范围为80℃（由－35℃变化到＋45℃）、温变速率为5℃/min的性能参数是最低的要求，轻易便可实现，此应力可使产品平均筛选20小时便可以暴露1个故障，比恒定高温应力的筛选效率高很多。

为了进一步提高温度循环应力的筛选效率，可以通过提高温度变化率的应力参数来实现。由表2-3-2可知，当温度范围仍为80℃、温度变化速率由5℃/min提高到20℃/min时，其故障率由平均0.2020次/循环提高到平均0.7212次/循环，后者是前者的3.5倍多，即平均5个小时便可以暴露1个缺陷。

当然，温度交变试验箱要实现20℃/min的温变速率，需要大幅度地增加升降温系统的功率，甚至要在机械致冷的基础上加装液态氮致冷系统及其控制装置。这需要增加投入。为了提高筛选效率、减少筛选对产品寿命的影响，提高温变速率是最好的方法，为此而增加投入也是适宜的。 3.6.2 振动应力对比

一般说来，振动应力是定量环境应力筛选方法才采用的应力，它可以暴露温度循环暴露不了的某些缺陷。据统计，对电子设备而言，温度应力平均可以暴露79％的缺陷，而振动应力平均可以暴露21％的缺陷。因此，振动是不可缺少的筛选应力。扫频正弦振动台和随机振动台都可以作为振动环境应力筛选的设备，但由表2-3-4和表2-3-5的数据可以比较它们的故障率(即筛选效率)。

我们按照GJB 1032《电子产品环境应力筛选》标准要求的典型的随机振动谱(见图2.3.3)算得其加速度均方根值为7.2g，取为7g；设持续时间为5min，查表2-3-5得筛选度为0.478、故障率为7.692次/小时。同样设扫频正弦振动的加速度为7g、持续时间为5min，查表2-3-4可得筛选度为0.0193、故障率为0.2339次/小时。两种振动应力的故障率相差甚大，随机振动是扫频振动的33倍！几种应力的筛选度和故障率的对比见表2-3-6。

表2-3-6 筛选应力效果对比 项 目 恒温45℃ 恒温105℃ 交变80℃ 交变80℃ 扫频 7g 随机 rms7g 5℃/min 20℃/min 5min 5/min SS 0.8761 0.9912 中等 高 0.0193 0.478 λD(1/h) 0.0104 0.0237 0.2020 0.7212 0.2339 70.692 H/次故障 100 42 5 2 40.3 0.13(70.8min) 影响寿命 较大 较大 基本不影响 不影响 不影响 不影响 试验设备造价 低 低 较低 较高 低 较高 当然，只有随机振动控制设备和与之配套的电磁振动台才能提供随机振动应力，其设备价格要比扫频振动台昂贵，但是为了提高筛选效率，最大限度地消除早期故障，这个投入还是合算的。

3.6.3 结论

a) 经典的老炼工艺与常规的恒温筛选对暴露产品的缺陷有一定的作用，但其筛选度和故障率数值很小，效率十分低，需要用相当长的时间才能达到消除早期失效(缺陷)的效果，因而可能会影响产品的使用寿命，有必要改用定量环境应力筛选方法。

b) 如果采用常温考机的办法作为产品出厂的依据，在几百小时内暴露不了一个缺陷，也说明不了产品的可靠性有什么样的水平，此法意义不大。

c) 定量环境应力筛选，需要采用温度循环应力，其效率已比恒定高温老炼筛选大为提高；就温度循环筛选而言，提高温变速率又是进一步提高筛选效率、减少筛选对产品使用寿命影响的最佳方法，我们要为此项筛选创造条件。

d) 定量环境应力筛选，需要采用振动应力，其中又可以采用扫频正弦振动或随机振动方式，但从筛选效率对比可知，随机振动方式是最佳的应力。为了提高筛选效率、减少振动应力筛选对产品结构件寿命的影响，应创造条件采用随机振动方式。

4. 环境应力筛选方案设计

4.1 设计原则

10