电子元件加速寿命试验方法详细介绍
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编译者注：原文发表在美国国防部（DoD）可靠性分析中心（RAC）的出版物"Selected Topics in Assurance Related Technologies (START)"第6卷第4期上。作者是美国伊利诺伊理工学院研究所的高级工程师Ned H. Criscimagna。
1 概述
许多产品都能在极端严酷的环境应力下无故障地运转上千小时，为了确认设计缺陷或者验证预计的寿命，传统的试验方法已经不再胜任。人们开始研究先进的试验方法与技术。
1.1 加速试验的目的与特点
进行加速试验的目的可概括如下：
— 为了适应日益激烈的竞争环境；
— 在尽可能短的时间内将产品投入市场；
— 满足用户预期的需要。
加速试验是一种在给定的试验时间内获得比在正常条件下（可能获得的信息）更多的信息的方法。它是通过采用比设备在正常使用中所经受的环境更为严酷的试验环境来实现这一点的。由于使用更高的应力，在进行加速试验时必须注意不能引入在正常使用中不会发生的故障模式。在加速试验中要单独或者综合使用加速因子，主要包括：
— 更高频率的功率循环；
— 更高的振动水平；
— 高湿度；
— 更严酷的温度循环；
— 更高的温度。
1.2 加速试验分类
加速试验主要分为两类，每一类都有明确的目的：
— 加速寿命试验--估计寿命；
— 加速应力试验--确定（或证实）和纠正薄弱环节。
这两类加速试验之间的区别尽管细微，但却很重要，它们的区别主要表现在下述几个方面：作为试验的基础的基本假设、构建试验时所用的模型、所用的试验设备和场所、试验的实施方法、分析和解释试验数据的方法。表1对这两类主要的加速试验进行了比较。
表1 两类主要的加速试验
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试验
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目的与方法
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注解
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加速寿命试验（ALT）
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使用与可靠性（或者寿命）有关的模型，通过比正常使用时所预期的更高的应力条件下的试验来度量可靠性（或寿命），以确定寿命多长。
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要求：
了解预期的失效机理； 了解关于加速该失效机理的大量信息，作为加速应力的函数
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加速应力试验（AST）
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施加加速环境应力使潜在的缺陷或者设计的薄弱环节发展为实际的失效，确认可能导致使用中失效的设计、分配或者制造过程问题。
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要求充分理解（至少要足够了解）基本的失效机理。对产品寿命的影响问题作出估计。
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1.3 加速试验的产品层次（级别）
要明确进行加速试验的产品层次（级别）是设备级还是零部件级，这一点很重要。某些加速方法只适用于零件级的试验，而有的方法只能用于较高级别的总成（设备），只有少数方法同时适用于零件级和总成（设备）级。对零件级非常合适的基本假设和建模方法在对较高级别的设备进行试验时可能完全不成立，反之亦然。表2列出了在两个主要的级别（设备级和零部件级）上进行试验的信息。
表2 进行加速试验的产品级别
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级别
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限制（局限）
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注解
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设 备 级
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通常非常有限，很少进行。要建立起设备在高应力下与正常使用条件下的失效率之间的关系的模型是极端困难的。而且，也很难确定不改变设备的失效机理的应力条件。
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可以有效地用于设备的加速试验的一个例子是增加工作周期，例如，某系统在正常情况下仅在一个班次中运行，航空电子设备在一次飞行前和飞行中只工作几个小时，在这种情况下，在试验中可以增加工作周期，受试系统一天可以连续工作三个班次，可使航空电子设备循环工作，在模拟飞行之间只留出足够使设备的温度稳定在非工作状态的时间。这样，尽管每个工作小时的失效率没有改变，但是每天发生的失效数增加了。这类加速试验通常在可靠性鉴定试验中采用。这实际上是加速试验的一种形式（尽管通常不这样认为）。
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零 部 件 级
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部（零）件的失效模式比设备要少。因此，要确定能有效地加速失效率而又不大改变失效机理的应力就容易得多。
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通常用一个给定的应力可以对一个或多个支配性失效机理进行加速试验，例如，电容器的介质击穿是电压的函数，腐蚀是湿度的函数。在这种情况下要找出失效率与使用应力之间的函数关系的加速模型相当容易。因此，加速寿命试验广泛应用于部件，并且极力推荐大多数类型的零件使用这一方法。
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2 加速试验模型
加速试验模型将部件的失效率或者寿命与给定的应力联系起来，这样，就可以用在加速试验中得到的度量来推断正常使用条件下的性能。这里隐含的假设是应力不会改变失效分布的形式。
表3总结了三种最常见的加速试验模型，实际中使用的模型不止这三种。在选用模型时，最关键的准则是所选用的模型能精确地把加速条件下的可靠性或寿命模拟成正常使用条件下的可靠性或寿命。在选择最适用的模型和在具体应用中为所选用的模型选择适当的验证范围时必须十分小心。把上述选择的依据用文件记录下来是很重要的。
表3 常见的加速试验模型
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模型名称
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公式说明
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逆幂率定律 Inverse Power Law
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式中N为加速因子
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阿列纽斯加速模型 Arrhenius Acceleration Model
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式中，L-寿命的度量，如零件总体的中位寿命； A-对于受试零件，由实验决定的常数； e-自然对数的底； E-活化能（电子伏特-能量的一种度量），它是每一失效机理特有的量值； k-玻尔兹曼常数= ; T-温度（开氏度）。
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迈因纳法则 （疲劳损伤） Miner's Rule (Fatigue Damage)
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式中，CD-临界损伤和； CSi-给定的平均应力Si作用的循环次数； Ni-在应力Si下失效的循环数，可以根据该种材料的S-N曲线确定； k-所施加的载荷数 假定每个零件都有有限的有用疲劳寿命，每个应力循环都要用去该寿命的一小部分。当来自每一载荷的累积损伤的总和等于1时就发生失效。迈因纳法则不能扩展到无穷大，只有在材料的屈服强度以下才成立，超过屈服极限点就不再成立了。
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三、先进的加速试验方案/思想
过去，大多数加速试验都是使用单一应力和在定应力谱进行的。包括周期固定的周期性应力（如温度在规定的上下限之间循环，温度的上限和下限以及温度的变化率是恒定的）。但是，在加速试验中，应力谱不必是恒定的，也可以使用多种应力的组合。常见的非恒定应力谱和组合应力包括：
— 步进应力谱试验；
— 渐进应力谱试验；
— 高加速寿命试验（HALT）（设备级）；
— 高加速应力筛选（HASS）（设备级）；
— 高加速温度和湿度应力试验（HAST）（零件级）。
高加速试验系统性地使用大大超过产品使用中预期水平的环境激励，因此需要详细理解试验结果。高加速试验用于确认相关故障，并用来确保产品对高于所要求的强度有足够的裕度以便能经受正常的使用环境。高加速试验的目的是大大减少暴露缺陷所需要的时间。该方法可用于研制试验，也可用于筛选。
HALT（高加速寿命试验）是一个研制工具，而HASS（高加速应力筛选）是一个筛选工具。它们常常互相联合使用。这是两种相对较新的方法，与传统的加速试验方法不同。HAL与THASS的具体
目标是改进产品设计，将制造偏差和环境效应对产品性能和可靠性的影响减至最小。通常定量的寿命或可靠性预计与高加速试验没有联系。
步进应力谱试验。使用步进应力谱，试验样本首先按事先规定的时间以某个给定的应力水平试验一段，然后在高一点的应力水平下再试验一段时间。不断增加应力水平继续上面的过程，直到某个试验样本失效，或者试验进行到最大应力水平时终止。这种方法能更快速地使产品失效以便分析。但是，用这种方法很难正确建立加速模型，因此很难定量地预计产品在正常使用条件下的寿命。
每一步中应该增加的应力量值与许多变量有关。但是，允许在设计中进行这样的试验的一个普遍的法则是：假设产品没有缺陷，如果最终能以适当的裕量超出预期的使用环境中的应力，就能保证总体中的每一个体都能经受住使用环境和筛选环境。（从而提高产品的寿命或可靠性）
渐进应力谱试验。渐进应力谱或者"梯度试验"是另一种常见的方法，试验中应力水平随时间持续增加。其优点和缺点与步进试验相同，但有另外一个困难，就是很难精确地控制应力增加的速率。
HALT（高加速寿命试验）。HALT一词是Gregg K. Hobbs 于1988年提出的。HALT有时指应力增益寿命试验（STRIFE），是一种研制试验，是步进应力试验的一种强化形式。它一般用来确认设计的薄弱环节和制造过程中存在的问题，以及用来增加设计强度的富裕量，而不用来进行产品寿命或可靠性的定量预计。
HASS（高加速应力筛选）试验。HASS是加速环境应力筛选的一种形式。它代表了产品所经历的最严酷的环境，但通常持续很有限的一段时间。HASS是为达到"技术的根本极限"而设计的。此时应力的微小增加就会导致失效数的大量增加。这种根本极限的一个例子是塑料的软化点。
HAST（高加速温度和湿度应力试验）。随着近来电子技术的高速发展，几年前刚刚出现的的加速试验可能不再适应当今的技术了，尤其是那些专门针对微电子产品的加速试验。例如，由于塑料集成电路包的发展，现在用传统的、普遍被接受的85℃/85%RH的温度/湿度试验需要花上千小时才能检测出新式集成电路的失效。在大多数情况下，试验样本在整个试验中不发生任何失效。不发生失效的试验是说明不了什么问题的。而产品在使用中必定会偶尔失效。因此，需要进一步改进加速试验。HSAT就是为代替老的温度/湿度试验而开发的方法。
四、在加速试验中应当注意的问题
加速试验模型是对产品在正常应力水平下以及一个或多个加速应力水平下的关键因素进行试验而导出的。在使用加速环境时一定要极其注意，以便识别和正确确认在正常使用中将发生的失效和一般不会发生的失效。因为加速环境一般都使用远高于现场使用时所预期的应力水平，加速应力会导致在实际使用中不可能出现的错误的失效机理。例如，将受试产品的温度升高到超过材料性能改变的温度点或者休眠激活门限温度时，就会导致在正常使用中不会发生的失效的发生。在这种情况下，解决这种失效只会增加产品的费用，可靠性却不会有丝毫的提高。理解真正的失效机理来消除失效的根本原因才是极为重要的。
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