元器件可靠性試驗技術教程第三章元器件可靠性壽命試驗技術本節內容元器件壽命與應力的關系指數分布壽命試驗加速壽命試驗元器件壽命試驗中的一些技術問題壽命試驗壽命試驗是元器件可靠性試驗的一個重要內容。目的：了解產品的壽命特征、失效規律；計算出產品的失效率和平均壽命等可靠性特征量。

元器件的壽命與應力之間的關系，是以一定的物理模型為依據的。常見的物理模型：失效率模型應力與強度模型最弱鏈條模型反應速度模型3.1壽命與應力的關系失效率模型失效率模型是將失效率曲線劃分為早期失效、隨機失效和磨損失效三個階段，并將每個階段的產品失效機理與其失效率相聯系起來O1t典型的失效率曲線規定的失效率IIIIII使用壽命研究實際環境應力與產品所能承受的強度的關系。應力與強度模型

應力與強度均為隨機變量，因此，產品的失效與否將決定于應力分布和強度分布。隨著時間的推移，產品的強度分布將逐漸發生變化，如果應力分布與強度分布一旦發生了干預，產品就會出現失效。因此，研究應力與強度模型對了解產品的環境適應能力是很重要的。

最弱鏈條模型最弱鏈條模型是基于元器件的失效是發生在構成元器件的諸因素中最薄弱的部位這一事實而提出來的。這種模型，對于研究電子產品在高溫下發生的失效現象最為有效，因為這類失效正是由于元器件內部潛在的微觀缺陷和污染，在經過制造和使用后而逐漸顯露出來的。暴露最顯著、最迅速的地方，就是最薄弱的地方，也是最先失效的地方。

反應速度模型反映了反應速度與溫度的關系。反應速度模型元器件的失效是由于微觀的分子與原子結構發生了物理或化學的變化而引起的，從而導致在產品特性參數上的退化，當這種退化超過了某一界限，就發生失效。阿列尼烏斯模型和愛林模型壽命與溫度關系——阿列尼烏斯模型

阿列尼烏斯模型是化學家阿列尼烏斯于1880年在大量的化學反應數據基礎上總結出來的，它表明在化學反應過程中反應速率與反應溫度的關系——化學反應速率——常數——引起失效或退化過程的激活能——玻爾茲曼常數——熱力學溫度材料、元器件的微量化學物理變化，將引起產品特性參數的退化，當其特性參數退化到某一極限值時，產品就發生失效，而退化所經歷的時間就是產品的壽命實踐證明：電子元器件壽命與溫度之間的關系符合阿列尼烏斯模型電子元器件壽命與溫度之間的關系令t=t1-t0阿列尼烏斯模型的變換當器件在t0時刻處于正常狀態數M0，t1時刻處于失效狀態數為M1，如果溫度與時間無關，則積分上式得：激活能與溫度、壽命的關系激活能越大、曲線傾斜越大、與溫度的關系越密切！！加速系數加速系數的計算方法：設在基準應力條件下做試驗達到累積失效概率F0所需要的時間為t0（F0），施加某種應力條件下進行加速壽命試驗達到相同的累積失效概率所需的時間為t1（F0），則兩者的比值即為加速系數。激活能越大、加速系數越大、越容易被加速失效，加速試驗效果越明顯

激活能與加速系數的關系壽命與溫度及非溫度應力關系——愛林模型

阿列尼烏斯模型的局限：只考慮了溫度應力對物質的化學與物理性質變化的影響。隨著量子力學理論的發展，可以從反應速率動力學來推導出既考慮到溫度應力，又考慮到其他各種非溫度應力的愛林模型。愛林模型綜合了溫度、濕度、電壓、電流、電功率、振動等多種應力和壽命之間的關系。

實際上，很多的物理理象和化學反應過程，除了與溫度有關之外，還與此時很多非溫度應力因素如電壓、濕度、機械應力等密切相關。愛林模型——溫度應力——非溫度應力——只有溫度應力時的愛林反應速率；——玻耳茲曼常數——普朗克常數——實驗時所確定的常數——考慮到由于非溫度應力的存在而對能量分布調整的修正因子——考慮到由于非溫度應力的存在而對激活能調整的修正因子——待定常數。令因而退化量可表示為：考慮到非溫度應力存在時的愛林模型的加速系數退化量那么：相同溫度應力，不同非溫度應力的加速系數令S=f（g），則從某些材料制造的元器件的試驗結果表明，f（g）可以用一恒定溫度下的電壓對數來表示，即：那么愛林模型的加速系數就表示為：逆冪律加速系數公式半導體器件如果在高溫、高濕下工作，則其內引線金絲或鋁絲的Al-Au或Al-Al的接觸點容易剝離；或在潮濕的環境中，由于腐蝕而產生開路、短路、漏電流增加等失效，其機理是由于在接點處沾上了不潔物而形成電位分布，從而產生電化學反應。這種壽命關系通過愛林模型來描述。其愛林模型為：非溫度應力S的函數表示壽命與電壓關系的逆冪律模型有些元器件的壽命與電壓之間符合逆冪律的關系：絕緣材料、介質材料、電容器、電子管、微電機有些元器件的壽命與施加的電流或電功率等非溫度應力之間也符合逆冪律的關系即這些元器件的壽命t是電壓或電流等非溫度應力的負次冪函數：——某壽命特征量、如中位壽命、平均壽命或特征壽命等——正常數。其中只與元器件的類型有關K、t在潮氣存在的情況下，會使元器件失效的機制加劇，如半導體器件的金屬化系統在有偏置情形下，濕氣促使金屬化的金屬離子跨越兩種金屬之間的絕緣表面產生遷移，導致電解腐蝕。絕緣表面的導電率決定了金屬離子的遷移速率，從而決定了器件的壽命。而絕緣表面的導電率則與濕度密切相關。電解腐蝕壽命與濕度的關系

柏克(Peck)和席爾德(Zierdt)給出了器件壽命與相對濕度間的近似關系式：c——實驗待定的常數指數分布壽命試驗的意義：3.2指數分布壽命試驗任何設計合理，工藝成熟，質量控制嚴格的生產線上生產出來的產品都具有一定的可靠性，這類產品經過嚴格的工藝篩選剔除掉早期失效產品后，便進人偶然失效期。在這段時期內，產品的壽命分布接近指數分布，即失效率接近于常數。這是產品在實際使用中較長的一段時期。因此，討論指數分布壽命試驗具有普遍意義。指數分布的假設與某些元器件的使用和試驗結果比較接近。實踐也表明，即使不少元器件的壽命是服從威布爾分布的，但當形狀參數m接近l時，威布爾分布就變成指數分布了。在指數分布情形下，產品的可靠性特征量表達式很簡單，只要掌握了產品的失效率就可以知道產品的全部分布特性，因此，可以利用它作為產品實際分布的一種近似。1．對試驗樣品的要求：隨機抽取，大子樣（n>20）、小子樣2．試驗條件的確定儲存壽命試驗——環境應力工作壽命試驗——環境應力和電應力3．試驗截止時間的確定——中途截止試驗(或稱截尾試驗)4．測量周期的確定在不過多地增加檢查和測量工作量的情況下，能比較清楚地了解產品失效分布情況，并避免使失效過分集中在某些周期內。要盡可能使每個測量周期內測得的失效樣品數大致相同，這樣才能較正確地反映產品的失效規律。5．失效判據失效判據就是指判斷產品失效的技術指標。失效判據可以是產品完全喪失功能，如開路、短路等，也可以是規定了的某些參數的劣化程度。一個產品往往有好幾項技術指標，在壽命試驗時，只要有一項指標超出了規定要求就判為失效。指數分布壽命試驗設計例如，電容器的主要技術指標有：電容量變化率、損耗角正切值、絕緣電阻(或漏電流)值等。電阻器的主要技術指標有：電阻值變化率、電阻溫度系數、電流噪聲等。集成電路的主要技術指標有：反向電流、高電平、低電乎、負載能力等。機電繼電器的主要技術指標有：吸合電流、線包絕緣電阻等。加速壽命試驗加速壽命試驗的必要性：解決試驗樣品數量和試驗時間之間矛盾通過數理統計及外推的方法，獲得有效的可靠性特征數據預測工作在特定條件下的產品可靠性考核產品的材料和工藝過程，鑒定和改進產品的質量運用加嚴的環境條件和應力條件，檢查產品是否有異常分布，剔除有缺陷的早期失效的元器件，即對元器件進行可靠性篩選通過在加嚴的環境條件和應力條件下的試驗，確定產品能承受安全應力的極限水平作為失效率鑒定試驗的一種手段加速壽命試驗方法分類恒定應力加速壽命試驗步進應力加速壽命試驗序進應力加速壽命試驗樣品在試驗期間所承受的應力保持不變樣品在試驗期間所承受應力按一定時間間隔階梯式地增加，直至樣品產生足夠的退化為止樣品在試驗期間所受應力按時間等速增加，直至樣品產生足夠的退化為止原則：事先知道元器件的老化機理在什么應力范圍內保持不變，否則得到的加速結果是無效的。

常用預備試驗和補充試驗設備昂貴，很少使用(1)試驗應力的選擇選擇那種對主要的失效機理起促進作用的應力條件——單一應力若干個應力加在一起而誘發失效的情況——多應力(2)確定測量參數弄清哪些參數能敏感地反映元器件的特性變化，凡是對元器件的失效機理發展能起到指示作用的參數都應確定為測量參數。(3)確定每種應力的最高、最低水平及其間隔

理想的最低應力水平在試驗期內應能對產品參數產生足夠的退化作用；而最高應力水平則以不改變產品在正常使用條件下的失效機理為限度，它應該和最低應力水平一樣支配同樣的老化和失效機理。在這兩個極端應力水平之間要有足夠多的應力水平，以便擬合加速條件下的壽命分布直線，并有效地外推到實際使用條件。(4)確定各組應力水平下的試驗樣品數試驗所需樣品數應以保證能有效地估計產品參數的退化，并能區分不同應力水平下產品參數退化率在統計上的差別為原則。恒定應力加速壽命試驗設計及其實施(5)確定應力水平級差

加速壽命試驗最低應力水平的數值應當盡量接近正常(額定或實際使用)的應力水平。越接近正常應力水平，由試驗結果推算正常條件下的可靠性特征量就越準確。但是又不便過于接近正常條件的應力水平，否則試驗時間太長。最高應力水平應盡量高，但必須保證在此應力水平下產品的失效機理與產品在正常應力水平下的失效機理相同，否則就不是真正的加速。

應力水平的間隔不要太密，以免由于樣品質量的隨機性或應力條件控制誤差而造成相鄰兩組試驗結果部分重疊、交叉。(6)確定試驗時間①保證元器件參數能產生足夠的退化；②能區別產品的真實老化效應與隨機干擾所造成的影響。隨機干擾包括：試驗誤差，試驗應力變化引起的誤差，儀器或記錄不準(精度不夠)引起的誤差。(7)確定測試周期通常應采用定時測量，其時間間隔的長短決定于壽命分布c失效的元器件不要過分集中在某些測量周期內，否則對元器件的失效時間估計將有較大的誤差，影響統計分析精度。(8)確定失效判據

元器件的失效判據要明確。失效通常分致命性失效和參數漂移失效兩類。恒定應力加速壽命試驗設計及其實施（續）加速壽命試驗案例高頻大功率晶體管3DA76D的加速壽命試驗試驗方案（1）試驗應力與樣本大小由于3DA76D不帶散熱板時額定功耗約為2W，故取3組加速應力VCE工作電壓取14V(2)失效判據2.

試

驗

失

效

數

據第一組第二組第三組樣品失效模式及其分布估計各加速應力條件下的壽命分布及參數半導體的器件壽命分布符合對數正態分布各應力條件下的中位壽命和對數標準差4.繪制加速壽命直線

預測使用應力下的中位壽命將上表數據（Wi，ti（0.5））繪制在雙邊對數紙上，并配置其回歸直線，此直線為本試驗的加速壽命直線工程上使用的電應力W0為1.7W，通過該直線估計該應力條件下的中位壽命t0（0.5）（縱坐標）約為7.8*105h。預測在使用電應力下的壽命分布（1）從中位壽命和標準差分布表計算使用電應力W0條件下壽命分布的對數標準差（3）在對數正態概率紙上繪制兩個點：(t0(0.5),0.5),t0(0.84),0.84)，即（7.8*105，0.5）和（120.8077*105，0.84），過該兩點連一條直線，此線為使用電應力W0=1.7W條件下的壽命分布（2）計算t0（0.84）的值（4）由L0可預測累積失效概率達5%時的可靠性壽命t0(0.05)約為8.7*103h，若使用工作20年（1.752*105h），其累積失效將達19%左右。計算加速系數逆冪律的常數的估計求W3=4.76對使用應力W0=1.7W的加速系數試驗結果分析從試驗中暴露的失效模式看hEF漂移增大占67.1％。此外，還有12％左右是致命性失效。分析表明該批產品在制造過程中受到了離子沾污。從加速壽命試驗數據外推到使用狀態，器件的中位壽命約達7.8×105h。從使用狀態下的壽命分布直線，可預測得累積失效達5％的壽命僅為8.7×103h左右，即約一年。但海纜工程要求使用壽命長達20年。可見，該批器件的可靠性達不到類似海纜工程這樣高可靠工程的要求。海纜工程使用該器件時應注意合理地降額。從現有數據看，使用的負荷率達到0.85。這樣的負荷率對海纜工程顯然過高，不符合I級降額準則的要求。如果負荷率取0.3，則情況將有較大的改觀。此時的中位壽命可用上述的逆冪律加速系數來