《电子设备可靠性工程》课件电子产品可靠性试验技术

电子产品可靠性试验技术

(一)一、概述国外：

40年代重视可靠性

50年代调查分析，统计试验

60年代失效分析，强调环境试验的重要性

70年代可靠性工程国内：

50年代建立环境适应性实验基地

60年代提出可靠性问题

70年代开展可靠性研究

80年代以后可靠性保证、管理、系统工程

78年电视机的MTBF300~500小时，年返修率95%

从可靠性的发展历史看可靠性是战争的产物；是产品的重要指标；是企业的命脉。可靠性工作的发展一、概述可靠性的两种思路及产生的原因

1.通过强化试验保证产品的可靠性

2.从失效机理控制入手保证产品的可靠性不要割裂的看这两种思路可靠性发展的历史机械电子产品的故障原因分类50％以上的故障是各种环境所致！

产品的环境条件产品在贮存、运输和工作过程中遇到的环境条件一、气候环境温湿度，低气压，盐雾，沙尘，雨淋等二、机械环境振动，冲击，碰撞，跌落，静力载荷等三、生物条件霉菌、昆虫等四、电磁条件电场、磁场、紫外线辐射等可靠性与环境是紧密联系在一起的！

任何产品都是处在一定的环境之中，在一定的环境下使用、运输和贮存，产品无法摆脱这些环境的影响。生产阶段运输和贮存阶段使用阶段☼准备阶段完成阶段事件(使用方案)生产验收装卸和公路运输装卸和铁路运输装卸和空运装卸和船运装卸和后勤支援运输有遮挡贮存无遮挡贮存工作准备阶段工作阶段任务完成阶段冲击(大颠簸、大坑洼)；振动（随机）冲击(启动急移)振动着陆冲击振动浪的振动和冲击(正旋)冲击(大颠簸、大坑洼)；振动（随机）无无搬运冲击（跌落/倾倒）高温、低温、雨/冰雹、砂/尘高温、低温、雨/冰雹、砂/尘低压热冲击(空投)高温、低温、雨/冰雹、砂/尘盐雾高温、低温、雨/冰雹、砂/尘盐雾、太阳辐射、低压高温、低温、盐雾、霉菌、化学侵蚀高温、低温、雨/冰雹、盐雾、霉菌、化学侵蚀、太阳辐射环境应力产生机理（诱发）环境应力产生机理（自然）产品的寿命剖面可靠性基础试验的分类按照施加应力的种类：温度应力试验机械应力试验电应力试验湿度应力试验

按照施加应力的方式：机械环境应力试验气候环境应力试验电性能参数试验一、概述环境试验

环境试验是将元器件等暴露在某种环境中，以此来评价元器件在实际工作环境中遇到的运输、储存、使用环境条件下的性能。一、概述一、概述环境试验目的1.考核产品在各种环境条件下的适应性和耐受性2.排除早期失效提高产品的质量3.为失效分析提供验证数据和有效的信息4.为寿命试验和加速寿命试验提供试验手段环境试验的目的和意义一、概述环境试验意义1.确定产品在各种环境条件下工作或贮存时的可靠性，为设计、生产、使用提供有用的信息。2.充分暴露产品的潜在缺陷，为产品的改进、减少维修费用及保障费用提供信息。3.确认是否符合产品交收的可靠性定量要求。4.发现—分析—纠正的循环过程，不断提高产品质量。环境试验的目的和意义一、概述应用范围（1）产品的设计定型验证试验（2）可靠性增长试验（3）用于生产检查的试验（例行试验）（4）用于产品的验收试验（5）可靠性寿命试验（6）研究性试验和失效分析验证（7）环境应力筛选试验（8）产品的极限应力试验环境试验的应用

研究实际环境应力与产品所能承受的强度的关系。环境试验分类

现场试验：使用现场进行试验人工模拟试验：人工模拟试验设备中进行

*从模拟环境因素分类：单项应力试验，综合应力试验

*模拟环境应力大小分类：模拟试验、加速模拟试验3.天然暴露试验：样品长期暴露在天然气候环境中定期进行测量及做表面检查，以了解样品在天然气候条件影响下的电参数、机械性能及外观变化情况，从而鉴定元器件在该环境条件下的可靠性，并与人工模拟试验结果比较，以确定人工模拟试验的周期。一、概述环境试验详细分类表一、概述一、概述环境试验类型环境试验共有约25~30种试验类型环境试验和可靠性试验试验类别人工模拟试验单因素试验综合试验组合试验气候条件高低温、湿度、气压、风雨、冰霜机械条件冲击、碰撞、振动、摇摆、噪声、恒加速度、跌落生物条件霉菌、有害生物、海洋生物辐射条件太阳辐射、电磁辐射、核辐射化学活性物硫化氢、二氧化硫、混合气体、盐雾、防爆试验机械活性物沙粒、沙尘一、概述环境试验

环境试验是检验产品对各种环境应力的适应性，常用于快速暴露产品缺陷的试验，是可靠性试验的主要技术手段。可靠性试验

可靠性试验是对产品进行评价、验证的各种试验如增长、筛选、验收、鉴定、统计等。环境试验和可靠性试验环境试验功能适应性试验极限试验结构完好性试验可靠性试验工程试验统计试验环境应力筛选可靠性增长可靠性鉴定可靠性验收暴露缺陷产品验证一、概述功能适应性试验

当产品在使用环境条件下极限应力水平已知时，给试样施加在使用中的一个或几个环境因素的极限应力，检验产品的机械、电气特性。要求产品的工作状态不变，性能参数不超差。环境试验和可靠性试验返回一、概述极限试验

不断增加某一个或某几个环境应力的水平，直至试样失效为止，但失效模式不变。比较在正常使用时相应的环境因素的应力水平，用于确定产品正常使用的安全余度和允许使用最大环境应力范围。环境试验和可靠性试验返回一、概述结构完好性试验在产品使用环境条件下极限应力水平已知时，给试验样品施加该应力，考核产品能否承受这样大的应力水平，而结构不发生损坏；或者考核产品在低于正常使用极限应力的应力水平下使用的潜在能力，验证产品结构是否已经达到最低的安全余度要求。这种试验要求试样在试验中或应力去掉后结构完好，电气、机械性能正常，不允许有结构失效或潜在的结构失效现象。环境试验和可靠性试验返回一、概述筛选试验的目的通过检验剔除不合格的或有可能早期失效的产品，消除在早期失效期发生的产品缺陷及不良问题，提高产品的使用可靠性。筛选试验的内容常规条件筛选试验、老化筛选试验或环境应力筛选试验（包括机械应力、电应力、热应力、严寒等）。筛选试验的方法规定条件下的目视检查、功能测量、参数检测、密封性检查等。筛选试验返回一、概述可靠性增长试验的定义通过试验逐步改正产品设计和制造中的缺陷，不断提高产品可靠性的过程。可靠性增长试验的特点

a.针对产品的薄弱环节进行

b.改进后产品原来的薄弱环节不重现或出现率低于允许的水平

c.验证条件与原故障发生的条件一致或更严酷可靠性增长试验的过程

可靠性增长试验返回（再）设计故障发生一、概述鉴定试验的目的是为了验证产品的可靠性，确定产品可靠性与设计要求可靠性的一致性，而不是在于暴露产品的可靠性缺陷，同时鉴定试验在很大程度上可作为产品定型试验。可靠性鉴定试验方案和试验内容主要是由承制方制定。鉴定试验返回一、概述验收试验的目的确定产品是否符合规定的可靠性要求。验收试验对产品的要求用已交付产品或可交付的产品。验收试验的前期工作在系统或设备的可靠性验收试验开始以前，必须对元器件、零部件及设备完成环境试验。验收试验返回一、概述环境试验和可靠性试验1.目的不同2.可靠性试验过程可以不加任何环境应力3.环境试验可以不考虑试验的样本量和抽样数量4.环境试验可以确定产品的极限应力5.通过提高环境应力对产品进行加速试验6.可靠性试验主要通过统计计算评价产品的可靠度。环境试验主要用于快速暴露各种环境条件下产品的缺陷。环境试验和可靠性试验一、概述环境试验的发展历程1.从模拟自然环境到创造环境条件2.通过试验发现问题到通过试验确定问题和不出问题3.单项试验向组合试验和综合试验发展4.试验监测技术的运用和评价方法的改变5.模拟试验方法（虚拟试验）6.提高试验的再现性，摸清试验与使用之间的关系环境试验的发展一、概述环境试验方法的变化1.模拟自然环境的变化2.加强的环境适应性试验3.针对失效机理进行的环境试验4.由单项试验向组合试验、综合试验发展5.环境试验与试验监测技术运用环境试验的发展一、概述环境试验时间的变化1.加大试验的环境应力，缩短试验时间2.减少测量和试验作业工序所需的时间3.高精度测试与时间的关系环境试验的发展一、概述环境应力

就是指外界各种环境对产品的破坏力，如产品在85℃下工作受到的应力，比在25℃下工作受到的应力大；在高应力下工作，产品失效的可能性就大大增加了。快速的温差变化，宽范围的温差、强烈的振动、冲击都是环境应力的表现形式。基本知识和术语一、概述10℃规则

当讨论产品在不同环境下的使用寿命时，一般采用“10℃”规则”的表达方式。即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）。电容器的估计寿命用下述公式表示：

其中，L0表示最高工作温度下的寿命，Tmax表示最高工作温度，Ta表示实际环境温度。由此可见，如果环境温度每升高10℃，电容器寿命将下降一倍。基本知识和术语一、概述环境试验的发展历程环境试验目的、意义应用范围环境试验和可靠性试验的不同环境试验的基本概念本章小结二、环境试验标准国标GB2421“电工电子产品基本环境试验规程总则”国标GB2422“电工电子产品环境试验术语”国标GB2423.1-.55为试验方法国标GB2424.1-.25为试验导则国标GB/T4796“环境参数分类及其严酷程度分级”国军标GJB-150.1-25“军用设备环境试验方法”国军标GJB367.2“军用通信设备通用技术条件环境试验方法”国际电工委员会标准IEC-68“可靠性环境试验”美国军用标准MIL-STD-810“环境试验手册”电子类环境试验标准二、环境试验标准国标提供的55种环境试验方法的其中4种GB2423.1试验A：低温试验方法GB2423.2试验B：高温试验方法GB2423.3试验Ca：恒定湿热试验方法GB2423.4试验Db：交变湿热试验方法国军标的部分环境试验标准GJB150.1军用设备环境试验方法总则GJB150.3军用设备环境试验方法高温试验GJB150.4军用设备环境试验方法低温试验GJB150.5军用设备环境试验方法温度冲击试验GJB150.6军用设备环境试验方法温度-高度试验GJB367.2军用通信设备通用技术条件环境试验方法电子类环境试验标准二、环境试验标准了解标准国标（GB2421~4、GJB360）与IEC是设备和元器件的通用标准；2.军标（GJB150、MIL810）是设备环境试验标准；3.国家标准（GB、JIS、BS）、协会标准（IPC）；4.企业标准是已经过裁剪的，针对企业产品的标准；5.标准中不能说哪个更好、更有效的保证可靠性；6.一般来说最严酷的环境试验标准是汽车工业和宇航企业的标准电子类环境试验标准二、环境试验标准电子类环境试验标准1957年9月，六家印制板企业建立了“印制电路协会”，英文为InstituteofPrintedCircuits,简称IPC。后来由于成员增加，涉及范围扩大，因而于1977年改名为TheInstituteforInterconnectingandPackagingElectronicCircuits，即“电子电路互连与封装协会”。1998年，再次改名为AssociationConnectingElectronicsIndustries(电子互联行业协会)，但简称一直不变。至2000年5月，IPC已有2643个会员，会员中有印制板制造和电子制造服务(EMS)商(约36%)二、环境试验标准国标总则确定的字母意义

1.组成本系列标准的试验方法用大写字母命名（部分）

A：低温

B：高温

C：恒定湿热

D：交变湿热

E：冲撞（例如冲击和碰撞）

2.系列标准试验中的扩充用小写字母细分试验

Ea：冲击Ec：倾跌

Eb：碰撞Ed：自由跌落国标中试验方法和导则的意义

1.导则可以看成某类试验的教科书，含有“是什么，为什么”

2.试验方法可以看作“如何做、怎样做”的意思电子类环境试验总则二、环境试验标准实验步骤（1）预处理——为消除或部分消除试验样品以前经历的各种效应，在条件试验前对试验样品所做的处理。（2）初始检测——目的是保留试验前的技术参数，用于试验后的比较。（3）试验——把试验样品暴露在试验环境中，以确定这些条件对试验样品的影响。（4）恢复——在条件试验之后，最后检测之前，为使试验样品的性能稳定所做的处理。（5）中间检测——中间过程的参数测试。（6）重复（3）～（5）（7）最终检测——试验结束的参数测试电子类环境试验总则二、环境试验标准环境试验的顺序所谓试验顺序，是指对同一产品进行二种或二种以上的单因素人工模拟试验时，应先进行什么试验，后进行什么试验。试验顺序通常对试验结果是有影响的，如果选择不当会造成试验结果不真实，甚至造成试验中断，所以必须合理的确定试验顺序。环境试验的顺序安排二、环境试验标准GB对进行这些试验的顺序安排

GB2421的第七条规定了气候试验顺序气候试验的顺序主要适用于各类元件，为了在有要求时加以使用，一般认为低温、高温、低气压和交变湿热试验之间有一定的联系，并称之为气候顺序。

高温；交变湿热（上限温度55℃的试验Db的第1个循环）；低温；低气压（有要求时）；交变湿热（上限温度55℃的试验Db的其余循环）；这些试验之间的时间间隔应不大于3h，但交变湿热试验第一循环与低温试验之间的时间间隔除外，这一时间间隔包括恢复时间在内应不大于2h。测量通常只在气候顺序的开始和结束时进行，另有规定者除外。环境试验的顺序安排二、环境试验标准GJB150.1的附录A“环境试验顺序表”A组——地面设备（包括海军海岸用设备）；

A1——一般基地（隐蔽的）全部地面设备，但不包括电子与通讯设备，或飞机和导弹的地面支援设备；

A2——一般基地（不隐蔽的）全部地面设备，但不包括电子与通讯设备，或飞机和导弹的地面支援设备；

A3——飞机和导弹的地面支援设备，包括飞机场室外设备，导弹发射架，维修用地面设备和检查设备等，但不包括电子设备；

A4——全部类型的通讯和电子设备及有电路的设备（隐蔽的）；

A5——全部类型的通讯和电子设备及有电路的设备（不隐蔽的）；B组——空用设备（系指安装在飞机和直升飞机上的设备及空中发射和地面发射导弹上的设备）C组——海用设备环境试验的顺序安排二、环境试验标准GJB150.1的附录A“环境试验顺序表”环境试验的顺序安排试验方法A组A1A2A3A4A5低气压（高度）11133高温22222低温44311温度冲击5【1】5【1】5【1】5【1】5【1】温度-高度太阳辐射3【1】3【1】4【1】4【1】4【1】淋雨8【1】8711【1】11湿热9981212霉菌101091313盐雾11【1】111014【1】14沙尘7【1】7117【1】7爆炸性大气128【1】8【1】浸渍66666加速度振动1313141010噪声冲击12121399【1】有限用途试验二、环境试验标准试验顺序对产品的影响1.湿热试验后低温试验湿度试验会让产品的缝隙存有水，低温结冰时会扩大缝隙。2.振动与湿度的关系振动导致两种材料的结合缝隙扩大，湿热试验水汽更容易进入。3.湿热试验后温度循环的影响湿热后残存的水汽在温度循环加电工作时，容易形成电解，导致离子迁移。环境试验顺序的影响二、环境试验标准环境试验的阶段应力阶段试验目的试验特点试验要求研发鉴定发现设计缺陷，尽快改进产品高应力、短时间无故障中试考察产品是否达到基本的可靠性水平中应力、中时间无设计故障批量生产生产工艺条件的稳定性低应力、短时间不允许故障大量发生验收试验确定产品可靠性是否与设计一致，计算产品的MTBF是否满足交收低应力、长时间按制定的要求二、环境试验标准环境试验的阶段内容阶段材料和内容常用的环境条件开发阶段元件、器件高温、低温集成电路高温、静电连接器高温、低温、温度冲击、湿热PCB板湿热、湿热加电、气体腐蚀生产阶段焊接材料温度冲击、机械振动树脂材料高温、温度冲击器件、集成电路静电防护成品阶段环境适应性高温、低温、温度冲击、湿热老化高温加电耐久性高温+时间二、环境试验标准例：1000uF/25V；105℃的电解电容器的比对试验1.试验条件：温度：100℃；步进温度：5℃；最高温度：115℃；时间：每点温度200小时；应力：直流电压18V；纹波电压5V。2.测试要求：测试时间：200小时；测试内容：容量、漏电流、损耗3.外观检查：密封性、外壳损伤、标记、漏液、外壳鼓起4.开封检查：材料、膜厚、引线、工艺生产中常用的试验二、环境试验标准主要的环境试验标准环境试验总则和导则的意义试验顺序和试验步骤对产品的影响环境试验的阶段应力和常用的试验本章小结三、环境应力对产品的影响温度应力对产品的影响温度应力失效环境应力条件敏感元件和材料分类(原因)失效模式老化抗拉强度老化绝缘强度老化温度+时间塑料、树脂化学变化热分解温度塑料、树脂高温氧化氧化层的结构温度连接点材料、连接器热扩散引线断裂温度+时间异金属连接部位击穿内在的短路，绝缘性差高温（200~400℃）银,金,铜,铁,镁,镍,铅,钯,铂,钽,钛,钨,铝半导体损坏热点、参数漂移温度、电压、电子能非均质材料电迁移引线断开断裂温度+电流（密度为106A/cm2）例如：钨,铜,铝（特别是集成电路中的铝引线）三、环境应力对产品的影响温度应力对产品的影响温度应力失效环境应力条件敏感元件和材料分类(原因)失效模式金属迁移短路温度+应力+时间银、铋、镉、铝、铅、锡、锌金属蔓延疲劳，损坏温度+应力+时间弹簧，结构元件软化、熔化汽化扭曲温度金属，塑料，热保险丝金属脆化损坏、断裂低温体心立方晶体（例如铜，钼，钨）和密排立方晶体（例如锌，钛，镁）及其合金塑料脆化损坏、爆裂低温+低湿度低弹性的非晶体（例如苯乙烯，丙烯酸甲酯）、密封圈焊剂流动噪声，连接不实低温特别是连接到印刷电路板上的元件（例如开关，连接器件）三、环境应力对产品的影响高温导致的横向剪切力●原因：塑料和硅芯片的热膨胀系数相差太大，约1个数量级。塑料：25ppm/℃（ppm=10-6），硅2.3ppm/℃

树脂环氧大约为21～68ppm/℃；硅酮21～25ppm/℃。●条件：温度变化环境，如：温循、温冲、焊接工艺的波峰焊、再流焊、气流焊。例如：以芯片面积为5X5（mm2）为例，对角线长度最长，所受的应力最大，中心到角的长为3.58mm，在-65℃~150℃的温度循环中，塑料要移动19μm，而芯片的顶角只移动1.9μm。温度应力对产品的影响◆危害：这种应力对芯片表面产生剪切力，造成对芯片表面粘附力弱的金属化向芯片中心滑移，其结果是：1）金属化铝条滑移引起短路（上下层或相邻的铝条）或铝条断折开路2）在各角的钝化层或多晶硅层甚至硅芯片或介质破裂三、环境应力对产品的影响低温纵向压力塑料填料石英砂颗粒对芯片表面的局部损伤●原因：塑料树脂的固化温度150℃，在0～70℃的正常工作情况下，塑料会对芯片有一个压应力，工作温度越低压应力越大。在塑料封装树脂中一般都加入了石英填料，状如金字形颗粒，其锋利的角尖接触到芯片表面，塑料的压应力传递到石英砂角尖压在芯片上造成了芯片上的局部应力损伤。●条件：石英填料颗粒直径大于2μm，在低温非工作条件下这种压应力更为显著。●危害：

1）造成金属化条局部破裂甚至开路或烧断

2）刺破纯化层或介质造成层间金属化短路

3）造成三极管参数变化温度应力对产品的影响三、环境应力对产品的影响塑料封装高温离层（爆米花）现象

表面贴装器件（SMD）在经过再流焊后容易发生失效，失效现象常表现为开路、半开路或时好时坏，失效原因是封装塑料发生热开裂（这种裂缝发生在内部，用显微镜进行外观检查时也不可能发现）。其失效机理是：因表贴器件芯片外面包封的塑料很薄、很少，外部的潮气容易浸入内部。表贴工艺（SMT）是将器件整体加热而不是只对管腿加热（例如：波峰焊、烙铁焊），并且加热时间长（一般215℃～240℃，时间1～2分钟）。当封装体内有潮气，表贴再流焊时，潮气受热膨胀（水分子体积可扩大40倍），造成封装塑料开裂。开裂的发生与塑料体内含湿量、芯片尺寸、塑料包封的厚度，管脚引线与塑料的粘合状况以及再流焊时受到的温度冲击等因素有关。温度应力对产品的影响三、环境应力对产品的影响高温大电流造成的电迁移

互连引线中通过大电流密度时，静电场力驱动电子由阴极向阳极运动。高速运动的电子与金属原子发生冲量交换，原子受到强烈的电子冲击力，这就是电迁移理论中的电子风力Fwd。实际上，金属原子还受静电场力Fei的作用，如图1所示。当互连引线中的电流密度较高时，向阳极运动的大量电子碰撞原子，使得所产生的电子风力Fwd大于静电场力Fei（图1）。因此，金属原子受到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的受迫的定向扩散，即发生了金属原子的电迁移（图2）高温对产品的影响阳极阴极电子流图1电迁移作用力的示意图FeiFwd图2金属原子电迁移示意图三、环境应力对产品的影响热加速特性

电迁移产生的局部缺陷使得引线的导电面积减小，电流密度增加，形成电流聚集。电流聚集引起了焦耳热效应，使引线局部温度升高，并产生温度梯度。由于原子的扩散与温度相关，因此，产生了热应力。热应力梯度与电迁移方向相同，加大电迁移驱动力，加速电迁移现象。高温对产品的影响高温大电流造成的电迁移三、环境应力对产品的影响湿度对产品的影响湿度应力失效所使用的环境条件敏感元件和材料一般分类媒介分类或原因失效模式水汽吸附吸收扩散膨胀绝缘性能变差潮解湿度使用低结晶度的极性树脂（例如聚酰胺、聚乙烯醇、酚醛树脂）封装、覆盖或者构造元件水解化学变化温度+湿度聚碳酸酯、聚酯、聚甲醛、对苯二甲酸丁二酯微细爆裂（细线爆裂，吸气）湿气渗透绝缘性能变差潮解湿度、温湿度循环冷热冲击+湿度温度循环+湿度用树脂覆盖或者封装元件迁移离子迁移短路绝缘性能变差湿度+直流电场铋、镉、铜、铅、锡、锌、银湿度+直流电场+卤素离子当与卤素共存时，发生迁移的金属：金、铟、钯、铂三、环境应力对产品的影响湿度对产品的影响湿度应力失效所使用的环境条件敏感元件和材料一般分类媒介分类或原因失效模式腐蚀电池腐蚀颜色变化、阻抗增加、开路湿度+与外金属接触所形成的电势连接0.2伏电势的连接器或需更加仔细选择电解腐蚀湿度+直流电场例如电阻、封装集成电路的树脂、PCB板裂隙腐蚀