深度干货：电子元器件加速寿命试验

（1）办理试验样品数量和试验韶光之间的抵牾。

（2）通过数理统计及外推的方法，得到有效的可靠性特色数据，例如产品的失落效分布、可靠度、均匀寿命以及产品特性参数韶光的变革等。
在此根本上再来预测事情在特定的条件下的可靠性。

（3）考察产品的构造、材料和工艺过程，鉴定和改进产品的质量。

（4）利用加严的环境条件和应力条件，检讨元器件是否有非常分布，剔除有缺陷的早期失落效的产品，即对元器件进行可靠性筛选。

（5）通过在加严的环境条件和应力条件下的试验，确定产品能承受安全应力的极限水平。

（6）作为失落效鉴定试验的一种手段。

1.加速寿命试验的基本条件如下。

（1）失落效机理的同等性

失落效机理的同等性是指在不同应力水平下产品的失落效机理保持不变。
常日，失落效机理的同等性是通过试验设计担保的，即哀求加速寿命试验中的最高应力等级不能高于产品的毁坏极限。

（2）失落效过程的规律性

失落效过程的规律性是指产品和寿命之间存在一个确切的函数关系式，即加速模型。

（3）失落效分布的同一性

失落效分布的同一性是指在不同的应力水平下产品的寿命服从同一分布，这是寿命数据统计的基本条件。

2.加速寿命试验类型

按照试验时施加的应力办法，加速寿命试验可分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验。

（1）恒定应力加速寿命试验

恒定应力加速寿命试验如图1所示，简称恒加试验。
图中，t 表示试验韶光，S 表示试验应力，表示样品失落效。
试验过程中，选定一组高于正常应力水平 S0 的加速应力水平S1＜S2＜…＜Sk，将一定数量的样品分为 k 组，每组样品在彼此独立的应力水平下进行寿命试验，直到各组均有一定数量的样品发生失落效为止。

图1恒定应力加速试验示意

（2）步进应力加速寿命试验

步进应力加速寿命试验如图 2所示，简称步加试验。
步加试验是选定一组高于正常应力水平 S0的加速应力水平 S1＜S2＜…＜Sk，试验开始时，先将一定数量的样品置于 S1应力下进行试验。
经由 t1韶光，把应力提高到 S2，把在 S1应力下未失落效的样品在 S2应力下连续进行试验；如此重复下去，直到在Sk应力下有一定数量的样品发生失落效为止。

图2 步进应力加速试验示意图

（3）序进应力加速寿命试验

序进应力加速寿命试验如图 3所示，简称序加试验。
序加试验施加的应力水平随韶光连续变革，最大略的便是图 1-8 所示的线性上升，此外还有许多繁芜的应力施加办法，如循环应力、弹簧应力、三角函数应力等。
序加试验的特点是应力变革快，失落效也快，因此序加试验须要专用设备跟踪和记录产品失落效。

图3 序进应力加速试验示意

恒加试验、步加试验和序加试验各有特点，其紧张差别见表1。

表1 三种不同类型加速寿命试验方法比较

1.加速应力

根据加速寿命试验的假设：产品在正常应力水平和加速应力水平下的失落效机理不变。
加速寿命试验中选择的加速应力哀求能加速产品的失落效，但同时不能改变失落效机理，一旦改变了失落效模式，就失落去了加速寿命试验的根本。

应力的选择对试验的加速效率影响很大，一样平常应根据产品的失落效机理与失落效模式来选择加速应力。
加速寿命试验中常用的应力有温度、湿度、振动、压力、电应力、温度循环等，这些应力既可以单独利用，也可以多种组合利用。

2.加速系数

加速系数的定义：产品承受的加速应力为S，在第i级加速应力水平为Si，正常应力水平记为S0，在Si、S0下，可靠度值为R时，产品的寿命分别为tR，i，tR，0，则韶光比

为加速应力水平Si对正常应力水平S0的加速系数，简称加速系数。

加速系数是加速寿命试验的一个主要参数，它是加速应力下产品某种寿命特色值与正常应力下寿命特色值的比值，也可称为加速因子，是一个无量纲数。
加速系数反响加速寿命试验中某加速应力水平的加速效果，即加速应力的函数。

加速寿命的基本思想是利用高应力下的寿命特色去外推正常应力水平下的寿命特色。
实现这个基本思想的关键在于建立寿命特色与应力水平之间的关系，这种寿命特色与应力水平之间的关系便是常日所说的加速模型，又称加速方程。
寿命特色与应力之间的关系常是非线性的，但可以通过对寿命数据或应力水平进行数学变换，如对数变换、倒数变换等，有可能将其转换为线性的。

应力与寿命是密切干系的，应力的种类与水平是决定产品寿命的主要成分。
应力及其水平选择得是否恰当，将决定试验能否达到预期的目标。
因此，有必要研究它们之间的关系。

产品的寿命与应力之间的关系因此一定的物理模型为依据的。
常见的物理模型有失落效率模型、应力与强度模型、最弱链条模型和反应速率模型等。

1.失落效率模型

失落效率模型将失落效率曲线划分为早期失落效、随机失落效和磨丢失效 3 个阶段，并将每个阶段的产品失落效机理与其失落效率相联系起来。

2.应力与强度模型

应力与强度模型是研究实际环境应力与产品所能承受强度的关系。
应力与强度均为随机变量，因此，产品的失落效与否将取决于应力分布和强度分布。
随着韶光的推移，产品的强度分布将逐渐发生变革。
应力分布与强度分布一旦发生了干预，产品就会涌现失落效。

3.最弱链条模型

最弱链条模型是基于产品的失落效是发生在构成产品的诸成分中最薄弱的部位这一事实而提出来的。

4.反应速率模型

反应速率模型反响了反应速率与温度的关系。
在可靠性试验中常日运用的阿伦尼斯模型和艾林模型，都属于这一类。
它们同时也是加速寿命试验实现外推正常应力下寿命特色的依据。

1）阿伦尼斯模型

阿伦尼斯模型是在大量的化学反应数据根本上总结出来的，它表明了化学反应过程中反应速率与反应温度的关系。
阿伦尼斯模型表示为

式中，R （T）是在温度为T时的反应速率；

E—物质在温度T时的激活能；

k—玻耳兹曼常数;

A—试验待定的常数；

材料、产品的微量化学物理变革，将引起产品特性参数的退化，当个中特性参数退化到某一极限值时，产品就会失落效，而退化所经历的韶光便是产品的寿命。
实践证明，寿命与温度T之间的关系是符合阿伦尼斯模型的，这时，可将阿伦尼斯模型进行如下变换：

末了得

a、b为试验所决定的常数。
产品寿命t的对数值与试验温度T的倒数成正比。

阿伦尼斯模型因此如下两个假设为根本的。

假设一：

样品的某个参数的退化量D=f（）是韶光的线性函数。

因此有

这是一个线性方程，R（T）是方程的斜率，反响了参量 D 随韶光 t 的变革速率，即产品的退化率。
R（T）是一个与温度有关的量，当温度一定时，它是一个常数。

这个假设解释，对付元器件的某个参量，如果通过某些变换能使其随韶光变革的规律符合假设的哀求，那么就可以运用阿伦尼斯模型来描述其寿命过程。

假设二：

退化率R（T）的对数是绝对温度倒数的线性函数，否则，就不是真实的加速。

若哀求在不同的应力和不同的韶光内产生相同的退化效果，即

可得

式中，便是加速系数，它反响了施加不同应力时，产品寿命相对变革的倍数。
显然，加速系数的数值与所施加的应力和表征产品失落效机理的激活能有关。

激活能 E 与器件的失落效模式及失落效机理有关。
有关半导体器件不同失落效模式与机理的激活能数据如表2所列。

表2 失落效模式、失落效机理与激活能

以激活能E作为参数，可以绘制出不同Ea时温度与寿命的关系。
如图4所示。
从图中可见，激活能越大，曲线越倾斜，与温度的关系越密切。
图5所示为为不同温度应力下激活能与加速系数的关系。

图4 不同激活能时温度与寿命的关系

图5 不同温度应力下激活能与加速系数的关系

2）艾林模型

在阿伦尼斯模型中只考虑了温度应力对物质的化学与物理性子变革的影响，实际上，很多物理和化学反应过程除与温度有关之外，还与此时很多非温度应力成分密切干系，如电压、湿度、机器应力等。
以是，阿伦尼斯模型的运用受到了一定的限定。

随着量子力学理论的发展，可以从反应速率动力学来推导出艾林模型。
艾林模型综合了温度、湿度、电压、电流、电功率、振动等多种应力与寿命之间的关系。

艾林模型的反应速率可表示为

式中，T—温度应力；S—非温度应力。

半导体器件如果在高温高湿环境下事情，则其内引线金丝或铝丝的 Al-Au 或 Al-Al 的打仗点很随意马虎剥离；或在湿润的环境中，由于堕落而产生开路、短路、泄电流增加等失落效。
其机理是由于在打仗点处沾上了不洁物而形成电位分布，从而产生了电化学反应。
对这种电化学反应与产品寿命的关系，可以通过艾林模型来描述，其艾林模型为

3）逆幂律模型

有些元器件在电流、电压或功率等电应力的浸染下，内部发生电离、电迁移等效应，这些效应长期积累后，毁坏了元器件的功能而导致产品的失落效。
这种失落效与电应力的强度密切干系。
电应力越强，积累速率越快，元器件的寿命就越短。
这些元器件的寿命与施加的电流或电功率等非温度应力之间符合逆幂律关系。
即

式中，t为元器件的寿命特色量，如中位寿命、均匀寿命或特色寿命；

V为施加在元器件上的电应力，V＞0；

K、为正常数。
个中只与元器件的类型有关。

将上式两边取对数，就可将逆幂律模型线性化，即

确定、K之后，就可以预测电应力V与元器件寿命t之间的关系。
即可用图估法或数值打算的方法，外推元器件在不同电应力下的寿命或失落效率。

在电应力 V1下进行加速寿命试验时，对应累计失落效概率 F0的加速失落效韶光为 t1；在正常电压 V0下进行寿命试验，对应同样累计失落效率的正常失落效韶光为 t0，则可得加速系数

因此，对付某些元器件，如果已知常数和加速系数，只要进行一次高电应力 V1下的加速寿命试验，确定相应的加速失落效韶光 t1，就可以打算出在正常电应力 V0下的正常失落效韶光t0。

4）电解堕落寿命与湿度的关系

在潮气存在的情形下，会使元器件失落效的机制加剧，如半导体器件的金属化系统在有偏置情形下，湿气匆匆使金属化的金属离子超过两种金属之间的绝缘表面产生迁移，导致电解堕落。
绝缘表面的导电率决定了金属离子的迁移速率，从而决定了器件的寿命。
绝缘表面的导电率与湿度密切干系。

柏克（Peck）和席尔德（Zierdt）通过试验研究得出该失落效机理的激活能为 0.54eV，并给出了器件寿命（tm）与相对湿度（%RH）间的近似关系式：

式中，c—试验待定的常数。

5）温度、湿度和电应力与寿命的关系

加速寿命试验中，也有用湿度作为加速变量，也有同时采取温度、湿度和电应力进行加速的。
如 THB（高温、高湿和偏置）加速试验，其紧张目的是评价器件的耐湿润寿命，采取的公式如下：

式中，t是均匀寿命；

f （RH）是相对湿度函数，可表示为

g（V）是逆幂律模型因子。

加速寿命试验可以大大缩短正常应力寿命试验所需韶光，节省了人力和设备，这是它的优点。
但是，加速寿命试验也有它的局限性。

1.它是一种毁坏性试验，因而只能抽取小部分样品进行试验。
当然，从统计不雅观点来看，它是足以代表该产品的可靠性水平的，但是却存在一个置信度的问题。

2.对付那些比较繁芜的器件，如集成电路，实际上起主导浸染的失落效机理每每是繁芜的，乃至有些是事先无法预知的，如果用单一的加速变量来进行加速，其结果是不足全面的；同时，在失落效机理不太明朗的情形下，采取加速外推的方法，其结果一定带来大的偏差。
也便是说，对付具有多种失落效机理的产品，空想的加速寿命试验是难以实现的。

3.加速寿命试验只考虑了试验的加速性方面，而没有考虑元器件的运用问题。
实际上，用户把这类器件用在设备上，预期保存和利用韶光很长。
因此，对付元器件制造者和用户来说，在正常应力或利用应力下的长期寿命试验也是必须的和主要的，由于它能真实反响元器件在利用条件下的寿命特性。

4.加速寿命试验的基本假设是在高应力条件下的失落效机理与在正常应力条件下的失落效机理相同。
此外试验数据剖析须要选择或假定应力与寿命之间的函数关系。
实际上，高应力可能会引入在正常条件下不会发生的新的失落效模式，当有几种不同应力共同浸染时，各种失落效模式对应应力有不同的敏感性，甚至各失落效模式的发生概率会随应力的改变而改变。
也便是说，加速寿命试验的基本假设常日是很难担保的。
、应力-寿命关系模型有潜在的多样性、繁芜性。
试验条件也是千变万化的。
由加速寿命试验所估计的寿命与在现场不雅观察到的寿命可能差别很大，有可能差别达到一个数量级乃至更大。
因此，除非试验条件与现场利用条件很靠近且试验数据的剖析和建模恰当，否则从加速寿命试验数据外推所估计的可靠性只能看作是固有可靠性的一种近似，不应看作为现场可靠性指标。

加速寿命试验是在进行合理工程和统计假设的根本上，利用与物理失落效有关的统计模型对加速条件下得到的失落效数据进行转换，得到试件在正常应力水平下可靠性特色的试验方法。
采取加速寿命试验可以缩短试验韶光，降落试验本钱，进而使高可靠龟龄命的验证与评价成为可能。
加速试验是在不改变失落效机理的条件下，用增大环境/事情应力量值达到缩短试验韶光并得到试验实际效果的试验方法。
加速寿命试验技能紧张研究发展方向。

1）繁芜系统加速寿命试验技能

加速寿命试验在更广泛的工程运用中一定会碰着繁芜系统的运用问题。
该试验的研究目前紧张集中于单一失落效机理，而繁芜系统每每存在多个失落效机理，系统失落效则是多个潜在失落效机理相互竞争的结果。
因此，繁芜系统加速寿命试验技能的研究值得人们高度重视。

2）提高加速寿命试验的统计剖析精度技能

加速寿命试验是统计试验的分支，统计精度的提高仍旧是加速寿命试验剖析方法研究的一个紧张内容，以是剖析精度对付加速寿命试验技能至关主要。

3）加速寿命试验优化设计技能

加速寿命试验的优化设计是统计剖析的逆问题，研究在给定条件（寿命先验、应力范围、试验代价等）下，如何进行试验以得到各种可靠性指标的准确估计。

4）提高加速寿命试验效率技能

加速寿命试验的基本动因在于提高试验过程的韶光效率和经济效益，从而以最低的试验代价达到寿命评估的目的。
因此，加速寿命试验中既要提高统计剖析的精度，又要考虑优化试验设计。
加速试验要重视算法的简化和可操作性问题，使加速试验技能便于高可靠龟龄命工程的运用。

5）加速寿命试验装备和掌握技能

支撑加速寿命试验设备和掌握技能的研究，对付加速试验的广泛运用发挥主要的浸染。
加速寿命试验技能的发展有赖于寿命试验设备和掌握技能的发展。

6）加速寿命试验打算机仿真技能

仿真技能在可靠性试验中的运用已经成为一个主要的趋势，对付加速寿命试验具有主要的促进浸染。
在缺少失落效模型的情形下，仿真手段及其与试验的研究的结合将有可能成为有效的加速试验运用路子；将蒙特卡罗仿真引入加速寿命和加速退化试验的优化设计，可建立方便运用的优化设计方法。
随着加速寿命试验技能研究的深入，打算机仿真技能的引入将有利于推动加速寿命试验技能的发展。

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