一种电子元器件高加速寿命试验指标的探讨

电子质量（2011第10期）

一种电子元器件高加速寿命试验指标的探讨

一种电子元器件高加速寿命试验指标的探讨

ProposingaKindofHighlyAcceleratedLifeTestIndexforElectronicComponents

张鼎周（中国电子科技集团第二十八所,江苏南京210007）

ZhangDing-zhou(The28thResearchInstituteoftheCETC,JiangsuNanjing210007）

摘要：高加速寿命试验用于识别设计缺陷和制造问题，提高设计强度极限，但不能评估产品的可靠该文在分析了产品可靠性可以通过相对性评估的基础上，探讨了在高加速寿命试验的框架下的半性。

数失效时间(FT50)评价指标和试验方法，并讨论了它用于电子元器件可靠性评估的方式。关键词：可靠性；高加速寿命试验；半数失效时间中图分类号：TN306

文献标识码：B

文章编号：1003-0107(2011)10-0064-03

Abstract:HighlyAcceleratedLifeTestusedtoidentifydesignflawsandmanufacturingproblems,im-provingthedesignultimatestrength.Butitcannotassessthereliabilityoftheproduct.Basedontheanalysisofproductreliabilityitcanberelativeassessed.Proposingakindofhighlyacceleratedlifetestindexforelectroniccomponents,medianfailuretime(FT50)andtestmethods.Itwasdiscussedforitsas-sessmentofthereliabilityofelectroniccomponentsusedintheway.Keywords:reliability;HALT(Highlyacceleratedlifetest);medianfailuretimeCLCnumber:TN306

Documentcode:B

1003-0107(2011)10-0064-03ArticleID：

0引言

高加速寿命试验(Highlyacceleratedlifetest，HALT)是一种对受试品施加不同应力，从而快速暴露产品的缺陷，进而确定产品工作极限和破坏极限，以及发现并消除缺陷及潜在缺陷的试验程序。它利用阶梯应力方式施加在受试品上，施加在受试品上的应力有振动、高低温、湿度、电应力开关循环、极限电压及极限频率等。HALT试验的主要目的是增加产品的设计极限值，迅速找出产品设计及制造的缺陷，通过根因分析并消除缺陷，从而增加产品可靠度并缩短研发时间和减少研发费用。目前，高加速寿命试验已在电子元器件研发、制造中广泛应用。

需要说明的是，高加速寿命试验不同于加速寿命试验(AcceleratedLifeTest，ALT)，加速寿命试验是在进行合理工程及统计假设的基础上,利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的信息进行转换,得到产品在额定应力水平下的特征可复现的数值估计的一种试验方法[1]。简言之,加速寿命试验是在保持失效机理不变的条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。由于产品失效模式有很多种，都要找出相应的加速模型很困难，而且加速模型的确定涉及到复杂的失效物理，不同产品的加速模型不一样。所以，加速寿命试验还难以普遍应用。

高加速寿命试验虽然带"寿命"二字，但它并不用于

确定产品的寿命。高加速寿命试验最典型的应用是识别设计缺陷和制造问题，提高设计强度极限，它最突出的优点就是寻找缺陷速度较快。一个典型的高加速寿命试验仅需2～4天,而且寻找缺陷的成功率非常高。高加速寿命试验的缺点是不能评估产品的可靠性，无法揭示依赖于时间的失效模式。显然，通过完善高加速寿命试验内容，提出可以评估产品可靠性的试验指标是有意义的。本文在分析了产品可靠性可以通过相对性评估的基础上，提出了高加速寿命试验的半数失效时间(FT50)评价指标，它可以用于产品的可靠性评估。

1电子元器件可靠性的相对性评估

通过HALT试验技术可以看出试验不能对产品的可靠度给出一个概率性描述，即不能预测产品的现场失效率或平均无故障工作时间MTFB。但确实可大致了解产品的设计裕量，有可能为设计师根据具体的环境条件正确选择元器件提供线索。1.1相对性评估的意义

电子元器件是电子产品的基础，产品的可靠性取产品的可靠性不是取决决于元器件的可靠性。当然，

于可靠性最高的元器件，而可能是可靠性最低的元器件，即木桶理论中的短板。所以，在设计制造产品时要

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尽说明不同环境类型产品其质量特征是有规律的。管不同类型电子元器件因环境应力作用而失效的原因可能不同，但是，电子元器件总是要组成系统接受环境的考验，因此，使用标准化方法来测试衡量不同类型电子元器件的相对寿命也是合理的。1.3相对性评估的基本方法

首先，根据电子类产品的环境要求确定统一标准的环境因力测试条件，即HALT的标准化的试验剖面，再按照标准实验规范进行实验，得到受试品基于标准实验规范的相对寿命值。因此，该值是可以在同类或不同类产品中进行相互比较的，为产品(系统)的设计制造提供质量依据。

求构成产品的元器件有规定环境条件下的相近似的寿命。即知晓每种元器件的寿命参数条件下进行产品的可相对性评估则是考虑元器件总是要组成产品靠性设计。

(系统)接受环境应力的挑战。设立标准化的高环境应力的考核，也可以得到参试元器件该环境条件下的相对寿命值。若各类元器件都通过统一标准的高环境应力测试，那么，该测试结果亦是可以用于比较、判断，为研发、制造提供质量依据。1.2相对性评估的基本原理

HALT是在保持失效机理基本不变的条件下，利用提高机械应力和高温变率来实现高加速的。它是能够反映基于累计损伤机理的相对寿命关系。一般来说，提高机械应力能加速产品失效。疲劳损伤与机械应力具有如下的关系：

2基于高加速寿命试验的半数失效时间

高加速寿命试验的相对寿命测试应该放在受试品已通过HALT试验，产品的质量基线已经形成时方宜进行。2.1半数失效时间(FT50)的定义

半数失效时间(medianfailuretime)是指在高加速寿命试验的框架下，根据试验要求受试组的样品按照规定的标准化方法和试验剖面测定受试品从试验开始到50%受试品失效的时间。

选择半数失效时间作为指标，是因为受试元器件失在受试期间，元器件的损伤具有累积效机理为累积损伤。

效应，随时间产生的损伤累积到一定的范围，开始出现失效，但并非到达某点时所有受试品突然同时失效，而是在一定的累积损伤范围内，失效率随着累积损伤的增加，显示出相应的规律性变化，称为损伤－失效关系。如果以失效率为纵坐标，以累积损伤数为横坐标，可得到如图1所示的s形曲线。该曲线在50％失效率处的斜率最大，损伤与失效率的关系相对恒定，同时累积损伤可近似为时间×单位时间平均损伤数。因此，选用达到受试组50％失效所用的时间来表示受试品的相对寿命值。

失效率/%

D=nσβ

其中，D是累积的疲劳损伤；n是应力循环次数；σ是机械应力；β是材料常数。

有缺陷的元器件之所以容易失效是由于有缺陷元器件的应力比无缺陷元器件的要高。失效循环次数与应力呈指数函数关系。有实验证实：如应力相差一倍,失效循环次数相差1000倍,相当于寿命相差1000倍。这种由机械应力引起的疲劳损伤是累积的、不可逆的。

[2]

温度循环属热疲劳损伤性质。施加的应力越高,产品的疲劳和破坏越快,有缺陷的高应力部位累积疲劳损伤比低应力部位要快得多。高温变率与元器件失效的关系也是呈指数函数关系的[3]。

通过标准化的环境压力测试可以区分和度量不同元器件的相对寿命。这个环境压力测试可以利用HALT，但是，HALT目前没有测试产品相对寿命的方法。有趣的是，在HASS中常常利用已通过测试的受试品再次试验无故障循环次数(即：工作时间)来判断受试品的残余寿命。显然，建立以无故障工作时间为尺度的HALT标准化测试可以判别元器件的相对寿命。美国在1995～1996年曾对33家公司生产的47件电子产品进其结果如表1所示[4]。行HALT试验，

表1按产品统计的HALT的极限值表

产品用途军用野外民用

温度数据/℃

低温工作极限-69-57-48

低温破坏极限-78-74-73

高温工作极限+116+94+90

高温破坏极限+123+115+95

振动数据/G振动工作极限1216132

振动破坏极限1246639

累积失效数/个

图1失效－时间(损伤)曲线

在HALT框架下测定半数失效时间是因为该试验体系具有综合性高环境应力试验能力，试验时间大大缩

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短。同时可以和前期HALT试验及以后的HASS试验剖面筛选结合起来。必须说明，该指标只是反映受试品的相对寿命，仅仅具有相互比较的意义，它并不能等效于各类可靠性参数，更不能取代它们。2.2半数失效时间(FT50)的试验方法

半数失效时间(FT50)的试验方法类似于HALT的综合应力试验，在试验剖面设计时，试验条件大致可等同根据电子元器件的质量要求和用途，可或略高于HASS。

将其分成A、B、C三类。试验的极限条件建议值如表2所示。

表2半数失效时间试验的试验剖面极限条件建议值

产品用途

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和数量，并计算失效率，直至全部失效。

半数失效时间(FT50)值的计算：采用概率单位法进行，将失效率转换成概率单位(查表3)与时间(min)的对数做图，则损伤－失效曲线就转化成一直线，在直线上找出概率单位等于5.0的点(即50%失效率)。其对应横查反对数即得到FT50.坐标的时间的对数就是lgFT50值，

3结论

在HALT试验框架中提出半数失效时间(FT50)指标，能够评估受试品在高环境应力下的相对寿命。该评估是应用相对性评估方式进行的，为克服HALT不能用于产但半数失效时间(FT50)不能品寿命评价提供了解决方法。

等效于各类可靠性参数，更不能取代它们。只能提供同类或不同类产品可靠性的比较和预估。

低温-50℃-45℃-40℃

高温+105℃+85℃+80℃

振动60G30G15G

A级(军用)B级(野外)C级(民用)

当然，半数失效时间(FT50)的试验,必须设计统一标准的按类别而定的试验剖面，否则无从比较。它包括受试品将暴露的环境应力类型、各应力的量级、步长及停留时间，等等。并在每个周期温度和振动稳定的条件下对产品失效情况进行测试。具体的标准化试验剖面还有待进一步研究。

半数失效时间(FT50)的试验以随机方法取样，受试组的样品为4～6只，然后按规定的标准化试验方法进行试验和测试，记录元器件从试验开始到出现失效的时间

参考文献：

[1]陈循,陶俊勇,张春华.可靠性强化试验与加速寿命试验综述[J].国防科技大学学报,2002,24(4):29-33.[2]韩庆田,杨兴根,高晓燕,等.高加速寿命试验技术[J].强度与环境,2003,30(4):54-57.

[3]褚卫华,陈循,陶俊勇.高加速寿命试验(HALT)与高加速应力筛选(HASS)[J].强度与环境,2002,29(4):23-37.[4]宋文治.在加速可靠性试验中进行的HALT和HASS结果综述[J].质量与可靠性,2002,(5):30-35.

表3失效率-概率单位转换表

失效率0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90

0.00—3.724.164.484.755.005.255.525.846.28

0.012.673.774.194.504.775.035.285.555.886.34

0.022.953.824.234.534.805.055.315.585.926.41

0.033.123.874.264.564.825.085.335.615.956.48

0.043.253.924.294.594.855.105.365.645.996.55

0.053.363.964.334.614.875.135.395.676.046.64

0.063.454.014.364.644.905.155.415.716.086.75

0.073.524.054.394.674.925.185.445.746.136.88

0.083.594.084.424.694.955.205.475.776.187.05

0.093.664.124.454.724.975.235.505.816.237.33

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