铂膜温度传感器可靠性定级加速试验研究

1、第 30卷 第 6期 2009年 6月仪 器 仪 表 学 报Chinese Journal of Scientific I nstru mentVol 130No 16Jun . 2009 收稿日期 :2008209 Received Date:2008209 3基金项目 :国家自然科学基金 (60072002 资助项目铂膜温度传感器可靠性定级加速试验研究3郭建英 , 丁喜波 , 孙永全 , 刘新华(哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院 哈尔滨 150080摘 要 :针对电子元器件可靠性定级试验面临的困难 , 。 在分析失效机理的基础上 , 选定了 A rrhenius 加速模型 , , 完成

2、铂 膜温度传感器可靠性定级加速试验 。 结果表明 , , , 对工程实践有重要参考价值 。 关键词 :失效率 ; 铂膜温度传感器 ; ; 中图分类号 :T B114. 3:410Research on reli a b ility grad i n g accelera ti on test of Pt f il m te m pera ture sen sorGuo J ianying, D ing Xibo, Sun Yongquan, L iu Xinhua(D epart m ent of M easure m ent Technology and Instrum ent, Harbi

3、n U niversity of Science and Technology, Harbin 150080, China Abstract:I n vie w of the issue that is difficult t o do failure rate grading test f or electr onic components, according t o the research on Pt fil m te mperature sens or reliability, a realizable accelerati on test method is discussed i

4、n the paper . Based on the analysis of failure mechanis m , A rrhenius accelerati on test model is selected, the para meters E and C is evaluated , the Pt fil m te mperature sens or test syste m is used, and a ne w accelerate life test p lan for grading test of Pt fil m te mperature sens or is devel

5、 oped . The result of sa mp les sho ws that this method can reduce test ti m e signifi 2cantly with the sa me number of sa mp les . It is valuable in p ractical engineering .Key words:failure rate; Pt fil m te mperature sens or; reliability grading test; the accelerate life test1 引 言铂膜温度传感器是一种比较成熟的传

6、感器 , 目前国产铂膜温度传感器的失效率等级可以达到六级 ( 10-6/h ; 进一步提高能够达到七级 ( 10-7/h 。 伴随其可靠性不断 提高 , 在开展可靠性定级试验、 维持试验及升级试验时 , 面临 着 “ 抽样数增大、 试验时间延长、 经费增加 ” 的困惑 , 其工作量 和消耗使生产企业及检测部门都难以适从123。 为此 , 常规的按国标实施的可靠性定级试验方法受到了质疑 , 而采用加 速寿命试验的方法应该受到关注。2 常规可靠性定级试验剖析根据 G B1772279“ 电子元器件失效率试验方法 ” 要求 , 是采取随机抽样方式 , 通过寿命试验实施可靠性定级试验。当置信概率为 =

7、0. 6时 , 失效率为六级的总试验 元件小时数应超过 0. 916×106h; 失效率为七级的总试 验元件小时数应超过 0. 916×107h 。对应的试验方案列 于表 1和表 2。表 1 失效率六级的定级试验方案Table 1Grad i n g test project of fa ilure ra te 6失效数 r抽样数 n =50抽样数 n =100抽样数 n =2000 18320h 9160h 4580h 1 40440h 20200h 10100h 2 62200h 31100h 15550h 1130 仪 器 仪 表 学 报 第 30卷表 2 失效率七级

8、的定级试验方案Table 2Grad i n g test project of fa ilure ra te 7 失效数 r抽样数 n =50抽样数 n =100抽样数 n =2000 183200h 91600h 45800h 1 404400h 202000h 101000h 2 622000h 311000h 155500h 从表中可以看出 , 为缩短寿命试验的时间 , 只有增大抽 样数或减少允许失效数。 尽管如此 , 当取 r =0, n =200时 , 失 效率六级定级试验的时间仍不低于 4580h, 失效率七级定级 试验的时间则不低于 45800h 。 如果取置信概率 =0. 9

9、, 则 试验时间还要增加一倍左右。 不仅增加了试验成本 , , 重 , 几乎不能实施3。 共性 , 为此 , 这一问题的重要途径之一4。3 铂膜温度传感器加速寿命试验3. 1 失效机理剖析在研制过程中 , 对铂膜温度传感器进行多种环境试验、 极限应力筛选试验、 综合环境应力试验和伴随修正的可靠性 增长试验 , 并对失效器件进行了失效分析526。 为探明失效原因及失效机理 , 做了微观解剖分析。 图 1是部分典型失效 器件经 Nova Nano SE M FE 公司生产的扫描电镜拍摄的微观 组织结构图片 , 主要失效原因可分为 4类 :1 组织不均匀改 变 , 影响电阻率变化致超差 ; 2 空洞

10、形成与扩展 , 增加不确定 性 ; 3 质影响导电性 , 一定条件下会恶化 ; 4 引线处有裂纹 , 逐渐扩散到基片 ,导致断路。图 1 失效器件扫描电镜图片Fig . 1Pictures of scanning electr on m icr oscope for failure device在微观分析基础上做了故障解析 , 研究认定高温下将 会促进敏感膜及信号输出线路导电率劣化。 为进一步探 明失效机理与温度的关系 , 曾抽取某型铂膜温度传感器样 件 64只分成 4组分别作 100 、 200 、 300 、 400 的高 温运行试验。 采用每天加热、 控制、 保温循环操作 , 均经历40

11、天后 (约 1000h 恢复常温并在标准温度 0 下再进行电阻变化率测试。 经对 4组样件测试 , 其电阻平均值偏差 列于表 3。 高温下引起铂膜电阻的不完全可逆变化 , 构成 了此类传感器的主要失效机理和原因。表 3 电阻变化平均偏差Table 3Average dev i a ti on of resist ance change分组 1100. 011599. 9894100. 1083100. 0432验后 0 标称电 阻平均值 R /100. 012299. 9910100. 1460100. 8974偏差 R /+0. 0007+0. 0016+0. 0337+0. 8542 经曲

12、线拟合得方程式 :R =0. 2671exp 0. 0316Q (1式中 :Q 为实验温度 , 取摄氏温度 。据此可以看出铂膜敏感体电阻值受工作温度影响呈 指数变化 , 反映出高温下引起的性能退化的规律 728, 并得出如下结论 :1 此类器件用于温度测量 , 长时间使用导致测量误差劣化 , 由此引起的失效与敏感膜及线路导电率变化相关 ; 第 6期 郭建英 等 :铂膜温度传感器可靠性定级加速试验研究 11312 在高温环境下会加速其测量误差劣化过程 ;3 敏感膜及线路导电率发生质的变化与材料的化学物理性能及微观组织结构改变密切相关 , 根据式 (1 可以认为其失效机理基本符合 A rrheni

13、 w s 方程 。3. 2 Arrhen i ws 加速模型建模A rrheni w s 方程 :Mt =Aexp -E /kT (2式中 :M /t 为温度 T 时的化学退化速率 , T 取绝对温度 ; k =0. 8617×1024eV /K (K :绝对温度单位 是 Boltz 2man 常数 ; A 是待定参数 ; E 为失效激活能 , 对同一类器件的同一失效模式视为定数 。将式 (2 积分得到退化量 M :M =A t exp -/(3退化量 M 与温度 t , 取不同两个温度 T 1 、 T2, 分别经过了 t 1、 t 2, 如果退化量相同 , 下式成立 :A t 1e

14、xp -E /kT 1=A t 2exp -E /kT 2两边取对数并整理 , 得失效激活能 E 和加速因 子 B :E =k ln (t 1/t 2(1/T1-1/T 2=T 1T 2k ln (t 1/t 2 /T 2-T 1(4B =t 1/t 2=exp E (1/kT 1-1/kT 2 (5 由式 (3 还可得 :t = M -M 0Aexp E /kT 令 C = M -M 0A, 得 A rrheni w s 方程的另一种表达式 :t =C exp E /kT (6 式中 :C 是与退化量相关的待定常数 。加速寿命试验一般是针对批产品抽样进行的 , 因此 可用批产品的可靠性特征值

15、 , 如用不同温度水平下的平 均寿命 取代对应高温下的经历时间 t , 则式 (4 变成式 (7 , 式 (6 变成式 (8 :E =T 1 T 2kln (/T 2-T 1(7C =exp E /kT (8当确知 E 和 C 后 , 可由下式求出正常应力下的平 均寿命点估计 N:N=C exp E /kT N (9 3. 3 激活能 E 与待定常数 C应用 A rrheni w s 方程需要结合具体产品既定的失效 模式求出激活能 E 与待定常数 C 。为此 , 在失效机理研 究和分析基础上 , 曾完成了如下试验 :同批抽取 160只样件 , 80只投入 T 1 =150+273K 的环境中

16、、 另 80只投入T 2=300+273K 环境中 , 作定时截尾加速寿命试验 。根 据试验结果推断出其平均寿命点估计置信下限 (置信概率 =0. 6 分别为 S 1=98218h, S 2=8746h; 代入式 (7 和 (8 , 求得 E 和 C 如下 :E =-4(573-423=0. 33676C 1=exp 0. 33676/(0. 8617×10-4×423 =9. 5446=00. 8617×10-4×573 =9. 5277取其平均值 C =(C1+C 2 /2=9. 53615代入式 (9可以预测出该产品在正常应力 (TN=20+273

17、K 下的平 均寿命点估计置信下限 (=0. 6 :N=9. 5362×exp 0. 33676/0. 8617×10-4×293= 5936410h通过加速寿命试验可以验证当前铂膜温度传感器的 可靠性水平达到六级 。4 可靠性定级加速试验方案设计4. 1 加速寿命试验方法4. 1. 1 失效判据根据铂膜温度传感器技术规范要求 :“ 在标准大气条 件下 , 试验样品通以 0. 5±0. 1mA 的直流电流 , 其电阻变 化率应不大于 1%” , “ 在高温 400 下保持不断路 ” 。 4. 1. 2 试验方法从已经通过老练筛选的批合格产品中 , 随机抽取

18、样品为 8只的整数倍 , 首先将样件焊装在测试条上 (每个测试条可 安装 8只传感器 , 再将测试条插入不锈钢管中 ; 然后将插入 测试条的不锈钢管放入可控温的高温炉内。 加速应力为高 温 250 , 样件处于加电工作状态。 每天加温到 250 后维 持恒温 4h, 转入不加热条件下保温状态维持 18h, 再恢复常 温进行电阻变化率测试 , 每天 24h 循环操作。 利用铂膜温度 传感器多功能测试系统作全程跟踪巡检 , 发现断路或电阻变 化率超差即判为失效 , 记录失效时间。 对器件获取的数据采 取定时截尾方式进行可靠性解析。4. 1. 3 铂膜温度传感器多功能测试系统上述试验利用了自行开发铂

19、膜温度传感器多功能测 试系统 , 功能图见图 2。该系统由温度源 、 数据采集子系 统、 单片机系统和 PC 组成 , 数据采集子系统包括信号调 理模块和数据处理软件 。 温度源具有专用的温度控制系 统 , 信号调理模块采用多个单元测量电路 , 以实现铂膜温 度传感器的多通道测量 , 每个单元测量电路均采用四线 制等效形式 。为了提高测量精度 , 通过 2个多路电子开 1132 仪 器 仪 表 学 报 第 30卷关实现共用精密恒流源和放大电路 , 形成 128个通道控 制功能 。 经放大的测量信号输入 MSP430单片机 , 再经 和 A /D转换和信号通道切换 , 与 PC 通信 。 通过

20、PC 控制 数据和信息采集 , 并对单片机采集的测量数据进行管理 和分析 , 可存储和输出 。其管理和分析功能可根据用户 需求进行设计。 图 2 测试系统组成框图Fig . 2B l ock diagra m of test syste m4. 2 定级加速试验方案设计, , 正N 满足式 :G N LN2(2r +22(10式中 :LN 为正常应力下的平均寿命置信下限 , r 为失效数 。 LN 的取值根据确定可靠性等级取其下限 , 如可靠性 六级定级时 , LN =106h ; 七级为 107h 。根据式 (8 可反求出对应的常数 C LN 。给定加速条 件 T S , 可由式 (11 求

21、得加速应力下的平均寿命置信下限 LS , 由式 (12 确定加速条件 T S 下的总试验元件小时 数 G S :LS =C LN exp E /(kT S (11 G S LS2(2r +22(12设定 T S =250+273K, 取置信概率 =0. 6、 0. 9, 当抽样数为 n 和允许失效数为 r 时 , 可靠性七级定级加速 试验方案见表 4、 表 5。表 4 可靠性七级的定级加速试验方案 (T S =250 , =0. 6Table 4Reli a b ility grad i n g accelera te test projectof fa ilure ra te 7(T S =

22、250 , =0. 6允许失效数 r抽样数 n =50抽样数 n =100抽样数 n =2000 520h 260h 130h 1 1147h 574h 287h 2 1765h 883h 442h表 5 可靠性七级的定级加速试验方案 (T S =250 , =0. 9Table 5Reli a b ility grad i n g accelera te test projectof fa ilure ra te 7(T S =250 , =0. 9允许失效数 r抽样数 n =50抽样数 n =100抽样数 n =2000 1306h 653h 326h 1 2208h 1104h 552h

23、 2 3020h 1510h 755h通过与表 1和表 2的对比 , 在允许失效数和抽样数 相同的情况下 , 本方法相对于传统定级试验方法 , 可以明 显缩短试验时间 , 具有可操作性 。依此类推 , 采用上述方法可设计出更高等级的加速 定级试验方案。但是 , 实验设计的前提是失效机理没有 改变。5 结 论1 , 但、 、 选择合适的加速方 2 本文所述的铂膜温度传感器失效机理有所改变时 , 应该重新测试激活能 E , 且 E 将对可靠性定级加 速试验方案产生影响 。3 传感器件加速寿命试验中 , 需要在加速条件下按规定的失效判据对投试的样品定期进行巡检和判定 , 为此 , 需要设计和制作专用

24、的测试装置。4 为了满足工程需求 , G B1772279“ 电子元器件失效率试验方法 ” 应进行修订 。 参考文献1Y ANG G B, Z AGHATI Z . Accelerated life tests at higher usage rates:A case study C .Pr oceedings of Annual Reliability and M aintainability Sy mposiu m, Singapore, 2006:3132317.2国家标准总局 . G B1772279“ 电子元器件失效率试验方法 S.北京 :技术标准出版社 , 1980.S BTS .

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