電子元器件可靠性試驗方法研究

魏莎莎，李真

（1.中國電科芯片技術研究院，重慶 400060； 2.中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

可靠性是產品、結構、通信網絡、軍事裝備和許多其他項目的關鍵質量特征之一[1]。電信網絡故障和可能影響數百萬用戶的電力中斷就是此類復雜系統的例子，其故障會對具有不同需求的許多用戶產生直接影響。新材料、傳感器的引入，以及新產品功能的復雜性，以及用戶對更“可靠”產品的更高期望，促使工程師在產品（或服務）發布之前進行廣泛的試驗[2]。事實上，試驗占產品總成本的很大一部分，特別是軍事裝備，電子元器件的可靠性是確保組件、系統可靠性的前提，要求比工業級產品更為嚴苛，因此，電子元器件可靠性試驗方法的研究至關重要[3]。

準確的可靠性度量是使用正常工作條件下的試驗數據獲得的。然而，在正常工作條件下需要很長的時間，特別是對于預期壽命較長的器件和產品。它還需要大量的試驗單元，因此在正常條件下進行可靠性試驗通常是昂貴和不切實際的。此外，該結果僅適用于與試驗條件相似的運行環境，可能不適用于在明顯不同條件下運行的機組的可靠性預測。因此，更多人尋求使用數據和試驗條件來“預測”可靠性指標的替代方法，而不是使用正常的操作條件，這些方法稱為加速試驗方法，主要目的是在較短的時間內誘發器件、組件和系統的故障或退化，并利用加速條件下的故障數據和退化觀察來估計正常運行條件下的可靠性[4]。

在產品生命周期的第一階段（設計階段）對系統、器件和組件進行仔細的可靠性試驗，對于在后續階段實現期望的可靠性至關重要。在這個早期階段，通過試驗、分析、修復和試驗（Test、Analyze、Fix、Test，TAFT）過程來消除復雜系統中間原型固有的設計缺陷，這個過程通常被稱為“可靠性增長”。具體地說，可靠性增長是由于故障模式的發現、分析和有效的糾正而對開發項目的真實但未知的初始可靠性的改進[5]。糾正措施通常采用對系統的硬件、軟件或人為錯誤方面發現的問題進行修復、調整或修改的形式。同樣，現場試驗結果用于改進產品設計，從而提高產品的可靠性。

綜上所述，研究可靠性試驗方法對提高電子元器件的可靠性具有重要意義，在實際的工程上有各種各樣的可靠性試驗方法和目標。第二節對常用的可靠性試驗方法進行了介紹，包括高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Testing，HALT）[6]、可靠性增長實驗（Reliability Growth Testing，RGT）[7]、高加速應力篩選（Highly Accelerated Stress Screening，HASS）[8]、可靠性驗證試驗（Reliability Demonstration Testing，RDT）[10]、可靠性驗收試驗[9]、加速壽命試驗（Accelerated Life Testing，ALT）[11]和加速老化試驗（Accelerated Degradation Testing，ADT）[12]。最后對全文進行了展望和總結。

1 可靠性試驗方法

1.1 高加速壽命試驗

HALT的目標是確定器件、組件和系統的操作限制。這些是不同失效機制發生的極限，而不是在正常操作條件下發生的失效機制。此外，也應用極端應力條件來確定被測單元的所有潛在失效（和失效模式）。HALT主要用于產品的設計階段，在典型的HALT試驗中，產品（或組件）受到溫度和振動（單獨和組合）以及快速熱轉變（循環）和與產品實際使用相關的其他特定應力的影響。例如，在電子學中，HALT用于定位電路板故障的原因。這些試驗通常包括在溫度、振動和濕度下試驗產品，但濕度對產品失效機理的影響需要較長的時間。因此，HALT只在兩個主要應力下進行：溫度和振動。

1.2 可靠性增長試驗

RGT的目標是在設計階段持續改進。該試驗在正常運行條件下進行，對試驗結果進行分析，以驗證是否達到特定的可靠性目標。一般來說，產品的第一個原型可能包含設計缺陷，其中大部分可以通過嚴格的試驗程序發現。最初的設計也不太可能滿足目標可靠性指標。然而，初始設計將經歷迭代變更（設計變更），這將導致產品可靠性的改進，這是相當常見的。一旦設計投入生產，產品就會在現場進行試驗和監控，以發現潛在的設計變更，從而進一步提高其可靠性。

1.3 高加速應力篩選

HASS的主要目的是對正常生產產品進行篩選試驗，以驗證實際生產產品在試驗過程中所使用的環境變量的循環作用下繼續正常運行。它還用于檢測生產過程中“質量”的轉移(和變化)。它使用的應力與HALT試驗中使用的應力相同，只是應力降低了，因為HASS主要用于檢測工藝轉移，而不是設計邊際問題。

1.4 可靠性驗證試驗

進行RDT是為了證明產品是否滿足一個或多個可靠性度量。這些措施包括在規定的周期或試驗持續時間之前未失敗的總體的分位數。它還可能包括試驗后的故障率不應超過預定值。通常，RDT是在產品的正常運行條件下進行的。進行RDT有幾種方法，例如“成功運行”試驗。該試驗涉及使用具有預定尺寸的樣品，如果在試驗結束時不超過特定數量的故障發生，則該產品被認為是可接受的。否則，根據試驗不合格的次數，重新抽取樣品，重新進行試驗，或認為產品不合格。

1.5 可靠性驗收試驗

可靠性驗收試驗的目標與RDT類似，在RDT中，產品服從于一個精心設計的試驗計劃，并相應地做出關于產品驗收的決定。圖1給出了某大型汽車公司可靠性試驗計劃的實例。在圖1中，試驗產品在480 min的周期內承受所示的溫度分布。當這些裝置在200次循環中沒有故障時，就被認為是可以接受的。被認可的車輛的平均壽命預計相當于10萬英里的行駛里程（基于工程師的經驗）。這種驗收試驗是基于經驗的。然而，基于一定的準則和約束條件，可以為驗收試驗設計最優試驗計劃。

圖1 驗收試驗的溫度曲線

1.6 加速壽命試驗和加速老化試驗

在許多情況下，ALT可能是評估產品是否滿足預期的長期可靠性要求的唯一可行方法。ALT試驗可以使用三種不同的方法進行。第一種方法是在正常操作條件下加速設備的“使用”，例如在典型的一天中只使用一小部分時間的產品；第二種是通過使樣本承受比正常操作條件更嚴重的應力來加速故障；第三種是通過使表現出某種退化的單元（如金屬的腐蝕和機械部件的磨損等）承受加速應力來進行。

最后一種方法稱為ADT，利用從實驗中獲得的可靠性數據構建可靠性模型，然后通過統計和/或基于物理的推理程序預測產品在正常工作條件下的可靠性。推理過程的準確性對可靠性估計以及隨后關于系統配置、保證和預防性維護計劃的決策有深遠的影響。具體而言，可靠性估計取決于兩個因素：ALT模型和ALT試驗計劃的試驗設計。一個好的模型可以為試驗數據提供適當的擬合；這個好的模型可以在正常情況下實現準確的估計。同樣，試驗計劃的優化設計，它決定了應力載荷（恒定應力、斜坡應力、循環應力）、試驗樣品的分配、應力水平的數量、最佳試驗持續時間和其他試驗變量，可以提高可靠性估計的準確性。事實上，如果沒有一個最佳的試驗計劃，很可能一系列昂貴且耗時的試驗會導致不準確的可靠性估計。

2 展望

在進行可靠性試驗時，有必要縮短加速退化試驗和可靠性論證試驗所需的時間。下面簡要討論兩個有前途的方向：

1）虛擬-物理混合試驗方法。建立虛擬數字平臺，模擬電子元器件在加速或正常應力水平下的退化水平[13]，并結合物理試驗來校準數字平臺中使用的模型。由于很大一部分是通過模擬完成的，因此可以在不影響結果相關性的情況下減少所需的時間。

2）結合早期磨損預測來加速試驗。將早期試驗結果的退化曲線預測應用于電子元器件的可靠性試驗中。在最近的案例研究中[14]，已經證明，在有早期預測的情況下，224種候選電池中識別高循環壽命充電協議所需的時間減少到預期時間的3.2 %，并隨后驗證了該方法的準確性和效率。因此，電子元器件的退化試驗值得探討，并可將其當成可靠性試驗的先驗信息，幫助后面可靠性試驗的進行，并提高效率。

3 結束語

電子元器件的可靠性對整體系統的運行具有至關重要的作用，而在實際試驗的時候，要想辦法降低試驗的成本，并且還要對其進行多種應力組合的情況下才能找到電子元器件的缺陷，因此了解電子元器件的可靠性試驗方法有助于我們在實際中合理選擇的試驗方法，準確的發現產品的故障，從而保證元器件的質量和可靠性。