可靠性基础试验可靠性寿命试验可靠性加速寿命试验课件.ppt

1、第四章 元器件可靠性试验与评价技术4.1 元器件可靠性试验定义：定义： 目前把测定、验证、评价和分析等为提高元器件可靠性而进行的各种试验，统称为可靠性试验。应用于： 研制阶段：暴露设计、材料、工艺阶段存在的问题和有关数据，对设计者、生产者和使用者非常有用； 设计定型阶段：是否达到预定的可靠性指标； 生产阶段：评价元器件生产工艺和过程是否稳定可控；使用阶段： 了解不同工作、环境条件下的失效规律、失效模式、失效机理，以便进行纠正和预防，提高元器件的可靠性。 可靠性试验的分类可靠性试验的分类 可靠性试验方法的标准及检索方法可靠性试验方法的标准及检索方法相关标准相关标准 中国国家标准GB 中国国家军用

2、标准GJB 日本工业标准 日本电子机械工业协会标准 国际电工委员会标准IEC 英国标准BS 美国军用标准MIL 美国电子器件工程联合会标准JEDEC 俄罗斯国家标准检索方法：检索方法：图书情报/中文数据库/万方数据资源系统万方数据资源系统/中外标准/电子元器件与信息技术/高级检索高级检索4.2 可靠性基础试验可靠性基础试验 组成各种可靠性试验的最基本的试验单元叫做可靠性基础试验 类型(P71 表4-3): 电应力+热应力试验 气候环境应力试验 机械环境应力试验 与封装有关的试验 与引线有关的试验 与标志、标识有关的试验 特殊试验 辐射应力试验特殊试验特殊试验 声学扫描显微分析声学扫描显微分析(

3、SAM) 原理：超声波在介质中传输时，若遇不同密度或弹性系数的物质，会产生反射回波，其强度因材料密度不同而有所变化。在有空洞、裂缝、不良粘接和分层剥离的位置产生高的衬度，因而容易从背景中区分出来。 用途： 检测电子元器件、材料及PCB/PCBA内部的各种缺陷(如裂纹、分层、夹杂物、附着物及空洞等) 扫描电子显微镜分析：扫描电子显微镜分析： 用途： 金属化层和键合质量缺陷，电迁移、层间短路、硅片的层错和位错等 原理：SEM的结构原理4.3 可靠性寿命试验可靠性寿命试验 4.3.1 定义和分类定义和分类: 为评价元器件产品寿命特征值而进行的试验 结束方式：定时试验 定数试验 试验时间： 长期寿命试

4、验 贮存寿命：35年 工作寿命：240h 加速寿命试验 4.3.2 指数分布寿命试验方案的确定:经工艺筛选剔除早期失效后,元器件的失效分布已进入偶然失效期,其寿命分布接近指数分布,或威布尔分布；当威布尔分布的形状参数m接近于1时，威布尔分布可以用指数分布来近似。指数分布指数分布指数分布的定义指数分布的密度函数为 (3-4)式中为常数，是指数分布的失效率。指数分布的分布函数F(x)=1-e-x (3-5)若产品在一定时间区间内的失效数服从泊松分布，则该产品的寿命服从指数分布。 (0;0)( )(0)0 xxef xx泊松泊松(Poisson)(Poisson)分布分布泊松分布： (3-3)泊松分

5、布的数字特征为：E(X)=，D(X)=。在泊松分布中，令失效数k=0，有!kekXPkeXP0),.,2 , 1 , 0()1 (nkppCkXPknkkn 泊松随机过程的概率密度分布泊松随机过程的概率密度分布 1h 5 . 0)(t威布尔威布尔(Weibull(Weibull) )分布分布Weibull采用“链式”模型研究、描述了结构强度和寿命问题，假设一个结构是由 n 个小元件串联而成，将结构看成是由 n 个环构成的一条链子，其强度（或寿命）取决于最薄弱环的强度（或寿命）。单个链的强度（或寿命）为一随机变量，设各环强度（或寿命）相互独立，分布相同，则求链强度（或寿命）的概率分布就变成求极小

6、值分布问题，由此得出了威布尔分布函数。由于威布尔分布是根据最弱环节模型或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷等因素对材料疲劳寿命的影响，所以作为材料或零件的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强度模型比较合适。三参数威布尔分布的密度函数为 (3-13)威布尔分布的均值 (3-14)威布尔分布的方差 (3-15)如果1，威布尔分布的均值小于，且随着x的减小接近于。随着增长到无穷，威布尔分布的方差减小，且无限接近于0。1()()exp,( )0 xxxf xx1( )1E x 1121)(22xV 威布尔可靠性函数是： （3-16）0,exp)(xxxR1. 抽样方法和数量 特点：样品数量大，试验时间短，

7、试验结果精确，但测试工作量大，试验成本高。 统筹考虑。2. 试验应力类型和应力水平 原则： 关于类型：选择对元器件失效影响最显著或最敏感的应力类型，且这些应力所激发的失效机理应与实际使用状态的失效机理相同。 关于应力水平：应选择元器件的技术标准规定的额定值。3. 试验周期的确定 自动监测、连续测试 间歇监测与记录 相隔一定时间(测试周期)进行一次测试基本原则： 不要使元器件失效过于集中在一、两个测试周期内，最好有5个以上能测试到失效元器件的测试点，每个测试点上测试到的失效元器件数应大致相同。 根据失效进程的快慢、失效分布特点确定合适的测试周期，不一定是等距，可进行调整，例如指数分布时可取初期短

8、，后期长的方案。4. 试验截止时间截尾试验不得中途变动 低应力寿命试验：定时截尾(取平均寿命的1.6倍以上的时间) 高应力寿命试验：定数截尾(累积失效数或概率达到规定值， 一般应在30%,40%或50%以上)若元器件寿命分布服从指数分布，则有：rnntln05. 失效标准或失效判据 以元器件技术规范中所规定的技术标准作为失效标准6. 需测量的参数和测试方法 选择对失效机理的发展起指示作用的灵敏参数； 多参数情况下，确定先后顺序； 测量方法不能起促进、减缓或破坏作用，更不能引入新的失效机理； 注意测试恢复时间，大气条件下24h，或按相关技术标准的规定进行。7. 数据处理方法：图估法，数值解析统计

9、方法4.3.3 寿命试验中的一些技术问题: 试验方法：避免高低不分，好坏不分 测量方法：注意箱外测量带来的误差，尽可能采用在线、动态测量的方法 试验设备和装置，例如夹具等 保证测量数据的准确性 仪器的精度及校准 正确使用及操作、 合理采用测量引线和夹具 严格控制测量环境 4.4 加速寿命试验加速寿命试验 4.4.1 定义: 为解决寿命试验样品数量和试验时间之间的矛盾,在不改变失效机理的前提下,采用提高试验应力的方法加速失效,以便短时间内取得失效率、平均寿命等数据，再运用加速寿命模型推算出在正常状态下的可靠性特征值。加速应力： 机械应力 热应力 电应力 其他应力 (高湿、湿热、低气压、盐雾、放射

10、性辐射等) 4.4.2 分类: St恒应力加速步进应力加速序进应力加速实际应用前须解决的问题： 加速前后寿命之间的关系； 加速不能改变失效机理4.4.3 加速寿命试验的理论依据 1. 阿伦尼斯模型(以温度应力为加速变量的加速模型)10010011exp:lg/,lg,lgTTkEFtFtekEbAaTbadtAedaakTEa加速系数激活能对失效机理及寿命的影响激活能对失效机理及寿命的影响2. 逆幂律(爱伦)模型(以电应力为加速变量的加速模型) cccVVFFVFkVVFFckVckV0101002021202011,lglglglglglglg1 4.4.4 恒定应力加速寿命试验方案的设计与

11、实施:1.试验应力的选择 单一应力加速(对主要失效机理起促进作用的应力条件); 多应力加速2.测量参数的确定 选择对元器件的失效机理发展起到指示作用的参数3. 加速应力水平数k 单应力恒加速寿命试验中一般要求k不得少于4,在双应力恒加速寿命试验时,水平数应适当增加 4. 加速应力水平Si 重要原则重要原则:在诸应力水平下产品的失效机理应与正常应力水平下的失效机理相同. 三种取法: 等间隔取值 在以绝对温度T作为加速应力时,可按其倒数等间隔取值 在选电压、压力作为加速应力时，可按其对数等间隔取值。5. 各组应力水平下的试验样品数 高应力下元器件容易失效，少安排样品数； 低应力下元器件不易失效，多

12、安排样品； 一般每个应力水平下样品数均不宜少于5个6. 失效判据 应根据产品规范确定的失效标准判据，尽量记录每个失效样品的准确失效时间7. 测试周期 若无法测准确失效时间，则可采用定周期测试方法，需解决两个问题： 测试时间：据失效规律、机理、经验确定； 失效时间： 失效时间： 等间隔方式估计 对数均匀分布 jjjjjjhlhhltctctctc, 2 , 1,111jjjjjjhlhhltctctctc, 2 , 1,1lnlnlnln118. 试验停止时间 采用定数截尾或定时截尾，要求有50%，或至少30%元器件失效4.4.5 加速寿命试验的数据处理 数据分析：正常？真？假？属实？模型合适？

13、 数据处理：用统计分析方法，估算出可靠性有关的特征量和参数方法：图估法：简单、实用、欠精确 数值分析法：最小二乘法等1.图估法 工具:两类坐标纸概率坐标纸:威布尔、正态、对数正态(不同应力水平下的寿命分布及其可靠性寿命特征量，预测正常应力水平下的寿命分布和可靠性特征量)对数坐标纸：单对数、双对数(得到加速寿命曲线，由此估计出正常应力水平下的寿命分布位置)步骤: 应用概率纸分别确定各应力水平Si下的寿命分布 使用对数坐标纸得到加速寿命曲线,并估计出正常应力水平S0下的寿命在曲线上的位置; 由上步所得的寿命分布曲线的位置,在概率纸上绘出正常S0下的寿命分布,由此估计出其寿命特征 估算寿命特征和加速

14、系数加速寿命曲线求形状参数m0:在概率纸上描绘出t0(0.5),F0(0.5)在y轴标尺上找m0向左引水平线与y轴相交,过交点与m估计点作直线H,再过点t0(0.5),F0(0.5)作与H线平行的直线L0, L0线就是温度应力T0下,形状参数为m0的寿命分布曲线。失效数ieeenmnmnmnnnnm22112101概率纸上:4.4.6 加速寿命试验举例 高频大功率晶体管3DA76D的恒定应力加速寿命试验1.试验方案 试验应力与样本大小 表4-8 P108 失效判据2.试验失效记录数据和累积失效百分比 主要失效模式3. 估计各加速应力条件下的寿命分布及参数 可求得各应力条件下的中位寿命和对数标准

15、差(表4-14)4. 绘制加速寿命直线并预测使用应力下的中位寿命 将数据(Wi,ti(0.5)绘制在双对数纸上,并作出回归直线,此即本试验的加速寿命直线(图4-9); 据此直线,求出实际使用电应力W0=1.7W时的中位寿命t0(0.5)为7.8105h。5. 预测在使用应力下的寿命分布 计算对数标准差0:三种加速应力下的平均值 计算t0(0.84) 在对数正态概率纸上绘制两个点： (t0(0.5),0.5) (t0(0.84),0.84) 过这两点作一直线，此即实际使用应力下的寿命分布曲线 由此直线可求得：失效率为5%时的可靠性寿命为8.7103h；若使用20年，失效率达30%6. 计算加系数

16、 估计逆幂律 加速系数7. 试验结果分析 hEF漂移增大占67.1%，还有约12%为致命性失效，可能受离子沾污 累积失效达5%的寿命仅为8.7103h(1y) 负荷率取为0.3，则情况将有较大的改观 34087 . 176. 49 . 7lglg5 . 0lg5 . 0lg9 . 7033131WWWWtt 4.5 元器件可靠性试验的设计 明确试验目的 查阅相关标准、规范、方案 准备工作 试验 数据分析、处理，给出试验结论1.有具体标准规定的可靠性试验设计2.无具体标准规定的可靠性试验设计3.针对失效机理的可靠性试验方法-采用加大试验应力的方法 4.6 现代元器件可靠性评价技术4.6.1 概述

17、 对成品、半成品或模拟样片(各种测试结构图形)，通过各种可靠性试验技术、方法等，并运用数理统计工具和有关模拟仿真软件，评价其寿命、失效率或可靠性质量等级等可靠性参数的过程。 发展特点：1.在研制设计阶段，针对可能的失效模式，在线路设计、版图设计、工艺设计和封装结构设计中进行可靠性设计;2.加强在线可靠性质量控制 可靠性评价技术由“输出”端控制“输入”端的设计控制、生产过程控制，实现可靠性是“设计、制造进去的，而非靠筛选出来的”观念 4.6.2 晶片级可靠性评价技术 根据失效模式进行可靠性评价的难度增大: 集成度增大,尺寸微细化,带来机理分析和位置定位上的困难.目前采用新办法: 放在封装成品前进

18、行-晶片级可靠性(WLR)评价方法基本方法原则: 根据主要失效模式,设定芯片阶段的监测内容,根据监测得到的数据,评价集成电路的可靠性 优点:反馈快 缺点:无法处理引线封装带来的影响 4.6.3 微电子测试结构可靠性评价技术 针对不同元器件的主要失效模式,结合结构与工艺特点,设计出不同的可测试的微电子结构图形; 也可针对VLSI中所有可靠性薄弱环节的单元电路,设计微电子测试结构 用于研制阶段 生产阶段 4.6.4 结构工艺质量认证可靠性评价技术 对生产线进行认证或论证: 就主要失效模式和机理,对元器件的几何结构和材料结构进行可靠性论证； 工艺设备的可控能力、监测设备的配套程度和监测精度、人员技术水平和可靠性意识进行论证； 工艺质量参数和工艺质量的一致性； 可靠性管理进行论证 重要特点：认证合格器件清单(QPL)认证合格器件生产厂家清单(QML) 4.6.5 敏感参数可靠性评价技术 用敏感参数来评价元器件的可靠性 优点：省时、经济、非破坏性 不足：尚不成熟、仍有一定局限性本章小结： 可靠性试验定义、分类、相关标准 可靠性基础试验可靠性基础试验 可靠性寿命试验可靠性寿命试验 可靠性加速寿命试验可靠性加速寿命试验 可靠性试验的设计(目的、标准与方案、准备、目的、标准与方案、准备、试验、分析处理与结论试验、分析处理与结论) 现代元器件的可靠性评价