長期貯存壽命評(píng)估方法研究

孔占興

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

長期貯存壽命評(píng)估方法研究

孔占興

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

報(bào)告了長期貯存壽命常用的兩種評(píng)估方法（自然貯存試驗(yàn)評(píng)估和加速壽命試驗(yàn)評(píng)估）的研究現(xiàn)狀，從工程應(yīng)用角度實(shí)際使用出發(fā)，對(duì)自然貯存試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為類比法試驗(yàn)評(píng)估方法進(jìn)行了研究，避免了自然貯存試驗(yàn)周期過長的缺點(diǎn)并保留了其真實(shí)性。同時(shí)，對(duì)加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶⒘心釣跛狗匠痰耐茖?dǎo)分析和建模應(yīng)用進(jìn)行了研究。

貯存壽命；類比法；加速壽命試驗(yàn)

1 引言

現(xiàn)代軍用裝備在和平時(shí)期必須有一定的儲(chǔ)備，長期貯存后在使用時(shí)必須保持完好的戰(zhàn)技性能。因此要求組成武器裝備的各個(gè)部件或模塊均具有較高的環(huán)境適應(yīng)性和長期貯存性能。尤其是導(dǎo)彈和軍需電子系統(tǒng)等必須適應(yīng)長期貯存、隨時(shí)可用和能用的特點(diǎn)。軍用電子元器件在靜態(tài)長期貯存條件下，由于受到溫度、濕度以及化學(xué)等因素的影響，隨著貯存年限的增加，模塊內(nèi)部材料會(huì)老化、腐蝕甚至失效。因此，元器件的貯存壽命是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。此外，現(xiàn)有的某些裝備已達(dá)到服役壽命，如果計(jì)劃開展延壽工作，需要評(píng)估元器件貯存狀態(tài)的貯存壽命和殘余壽命。工程應(yīng)用對(duì)元器件貯存可靠性評(píng)價(jià)和研究提出了迫切需求，需要找出貯存薄弱環(huán)節(jié)，研究其相關(guān)失效模式、機(jī)理及長貯壽命預(yù)測，為長貯壽命的定量考核提供依據(jù)和參考[1]。

2 電子元器件常見貯存失效模式

常用的電子元器件按照類別及工藝結(jié)構(gòu)主要分為混合集成電路、單片集成電路、半導(dǎo)體分立器件、頻率元器件、電連接器、機(jī)電組件、電子模塊、電阻器、電容器、電感器及磁性器件等，不同類型元器件對(duì)應(yīng)的失效模式不同，失效原因也各不相同，詳見表1。

表1 電子元器件常見貯存失效模式及原因

3 常用的貯存壽命試驗(yàn)方法

目前，常用的貯存壽命可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法有兩種。一種是自然條件下的貯存試驗(yàn)，這是最直接最真實(shí)也是必不可少的方法。另一種就是加速應(yīng)力可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，它針對(duì)電子元器件在長期貯存狀態(tài)的主要失效模式及失效機(jī)理，采用極限應(yīng)力/高加速應(yīng)力試驗(yàn)、加速貯存壽命試驗(yàn)及補(bǔ)充評(píng)價(jià)試驗(yàn)等方法進(jìn)行貯存可靠性評(píng)價(jià)，充分暴露出貯存狀態(tài)長期貯存失效模式，確定長期貯存的最薄弱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和工藝。

兩種評(píng)價(jià)方法都存在一定的局限。長期自然狀態(tài)貯存試驗(yàn)周期長、經(jīng)費(fèi)高，往往不能滿足裝備系統(tǒng)研制周期短、應(yīng)用周期短等特點(diǎn)。但是自然貯存試驗(yàn)是不可替代的，它反映了器件在最真實(shí)環(huán)境下的質(zhì)量變化，是評(píng)價(jià)貯存可靠性的原始依據(jù)。

加速試驗(yàn)具有快速評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，采用加大應(yīng)力水平、加快電子元器件失效的加速壽命試驗(yàn)方法，在較短的時(shí)間周期內(nèi)，掌握它們在正常貯存條件下的性能變化規(guī)律、評(píng)價(jià)貯存可靠性是一種行之有效的方法。但是，目前國內(nèi)外也沒有貯存壽命考核的成熟方法及標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前有的一些貯存評(píng)價(jià)方法，都是建立在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，受數(shù)據(jù)的束縛很大，不能很好地揭示出深層次導(dǎo)致失效的原因，開展起來有很大難度。

4 類比法試驗(yàn)評(píng)估方案

為避免長期自然狀態(tài)貯存試驗(yàn)周期長、經(jīng)費(fèi)高，不能滿足裝備系統(tǒng)研制周期短、應(yīng)用周期短等特點(diǎn)的要求，需要從工程應(yīng)用實(shí)際使用的角度，借用經(jīng)歷過一定貯存時(shí)間的產(chǎn)品與待驗(yàn)證評(píng)估的產(chǎn)品進(jìn)行類比分析，從而得出合理的評(píng)估結(jié)論。

針對(duì)待驗(yàn)證產(chǎn)品的工藝結(jié)構(gòu)及原材料使用情況，依據(jù)各類電子元器件常見失效模式，從自然貯存條件下發(fā)生失效的機(jī)理（包括腐蝕對(duì)封殼和內(nèi)外引線的影響，鋁-鋁、金-鋁鍵合系統(tǒng)失效，貼裝工藝失效，有機(jī)材料失效等）進(jìn)行分析，深入剖析電子元器件的失效原因與器件本身所選用的材料、材料之間、器件表面或體內(nèi)、金屬化系統(tǒng)以及封裝結(jié)構(gòu)中存在的各種化學(xué)、物理反應(yīng)之間的關(guān)系，找出相應(yīng)的失效模式。選擇與其失效模式相同、工藝結(jié)構(gòu)相近的元器件作為類比對(duì)象。

類比對(duì)象的樣品應(yīng)具有一定的對(duì)比數(shù)量，且自然環(huán)境下的貯存時(shí)間與待驗(yàn)證產(chǎn)品貯存壽命的要求具有可比擬性。若類比對(duì)象的貯存時(shí)間已超過待驗(yàn)證產(chǎn)品貯存壽命的時(shí)間要求，則對(duì)其類比對(duì)象直接進(jìn)行電性能測試，若能滿足產(chǎn)品規(guī)范要求，表明待驗(yàn)證的產(chǎn)品貯存壽命可達(dá)到使用要求；若類比對(duì)象的貯存時(shí)間沒有達(dá)到待驗(yàn)證產(chǎn)品貯存壽命的時(shí)間要求，則需要提供不少于3組不同貯存時(shí)間間隔的對(duì)比樣品，分別對(duì)其進(jìn)行測試、數(shù)據(jù)分析（至少包括主要電性能指標(biāo)及對(duì)儲(chǔ)存時(shí)間敏感的指標(biāo)），并繪制出不同參數(shù)的曲線圖，若各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)變化率均呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性（變化率較小或無變化），根據(jù)已貯存的時(shí)間和變化率判斷待驗(yàn)證產(chǎn)品能否滿足貯存壽命的時(shí)間要求。

對(duì)于無法找到類比對(duì)象或通過類比對(duì)象無法得出明確結(jié)論的，可結(jié)合加速壽命試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。

5 加速壽命試驗(yàn)評(píng)估方案

加速壽命試驗(yàn)是一種不改變產(chǎn)品在實(shí)際貯存條件下的失效機(jī)理、又不增加新的失效機(jī)理的前提下，用加大貯存環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)力、加速產(chǎn)品失效，根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果預(yù)計(jì)正常貯存環(huán)境應(yīng)力下產(chǎn)品的貯存壽命，或在一個(gè)相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)獲得失效率數(shù)據(jù)的試驗(yàn)方法。對(duì)于半導(dǎo)體器件及使用微組裝工藝的元器件，其本身的工藝結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的推移，引起元器件失效的風(fēng)險(xiǎn)更大。例如，由于PN結(jié)附近有雜質(zhì)離子或其他沾污形成導(dǎo)電溝道，使器件反向漏電流變大、擊穿電壓下降；由于表面復(fù)合速度變大，使晶體管的電流放大系數(shù)降低；由于鍵合點(diǎn)形成導(dǎo)電性能不好、機(jī)械強(qiáng)度脆弱的化合物會(huì)造成器件開路；由于濕氣或其他有害氣體侵入管殼內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，使器件的內(nèi)引線或互聯(lián)鋁線斷開而失效等。器件從出廠經(jīng)過儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用到失效的壽命周期，無時(shí)無刻不在進(jìn)行著緩慢的化學(xué)物理變化。在各種外界環(huán)境下，器件還會(huì)承受各種熱、電、機(jī)械應(yīng)力，會(huì)使原來的化學(xué)物理反應(yīng)加速，而其中溫度應(yīng)力對(duì)失效最為敏感。實(shí)踐證明，當(dāng)溫度升高后，器件惡化的物理化學(xué)反應(yīng)加快，失效過程加速。

加速壽命試驗(yàn)常用的模型有阿列尼烏斯模型和愛倫模型。阿列尼烏斯模型是由化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)公式，在各種試驗(yàn)中不斷被證實(shí)，但在理論上還沒有被嚴(yán)格地證明。愛倫模型是根據(jù)量子力學(xué)原理推導(dǎo)出化學(xué)反應(yīng)速率與溫度及其他應(yīng)力之間的關(guān)系，但由于愛倫方程計(jì)算較復(fù)雜，同時(shí)，當(dāng)激活能比較高時(shí)，愛倫方程與阿列尼烏斯方程之間的差別也不大，在此情況下，阿列尼烏斯方程是愛倫方程的極好近似。因此，用阿列尼烏斯方程作為處理加速壽命試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，既簡單又方便，還能較好地解釋試驗(yàn)結(jié)果[3]。

阿列尼烏斯模型經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中dM/dt為化學(xué)反應(yīng)速率，E為某種失效機(jī)構(gòu)的激活能（電子元器件由正常狀態(tài)向失效狀態(tài)變化的過程中，其間存在著能量勢疊，這一勢疊的高度稱為激活能），k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，A為常數(shù)。如果設(shè)時(shí)間為t0時(shí)產(chǎn)品處于正常狀態(tài)，計(jì)為M0；時(shí)間為t1時(shí)產(chǎn)品處于失效狀態(tài)，計(jì)為M1，那么式（1）中dM/dt表示產(chǎn)品失效速率。對(duì)式（1）積分并取對(duì)數(shù)，可得：

若將自然條件下的貯存時(shí)間定為t1年，溫度T1=25℃，則式（2）變?yōu)椋?/p>

試驗(yàn)溫度定為器件的工作溫度T2，貯存時(shí)間定為t2，則公式（2）變?yōu)椋?/p>

將式（3）與式（4）作差可得：

根據(jù)實(shí)際需要，當(dāng)自然條件下的貯存時(shí)間確定為N后，由公式（5）可得：

由公式（6）可以看出，當(dāng)t1=N確定后，由于T1、T2為已知數(shù)，且k、lge為常數(shù)，為計(jì)算出加速壽命試驗(yàn)對(duì)應(yīng)溫度下的等效時(shí)間，僅需要確定激活能E后即可。

激活能E的確定：

由于阿列尼烏斯模型描述的是產(chǎn)品內(nèi)部的物理、化學(xué)反應(yīng)過程，因此可將加速退化模型寫成如下形式：

dΔM/dΔt表示敏感參數(shù)退化率，ΔM為退化量，Δt為測取時(shí)間，其他同式（1）。對(duì)式（7）兩邊取對(duì)數(shù)，得

元器件的貯存退化敏感參數(shù)[4]是指能有效地反映元器件在貯存狀態(tài)下性能退化的一項(xiàng)或多項(xiàng)性能指標(biāo)。通過分析元器件性能退化敏感參數(shù)的退化量，從而判斷元器件在貯存狀態(tài)下的退化失效情況，以對(duì)貯存壽命進(jìn)行預(yù)測。

退化敏感參數(shù)的選擇應(yīng)滿足如下兩個(gè)條件：

性能退化參數(shù)必須有準(zhǔn)確的定義而且能夠進(jìn)行檢測；對(duì)元器件進(jìn)行加速貯存退化試驗(yàn)時(shí)，隨試驗(yàn)時(shí)間的增長，其性能退化參數(shù)應(yīng)有明顯的趨勢性變化，能客觀地反映出元器件的貯存狀態(tài)[5]。

根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)資料及整機(jī)使用情況，選擇器件的敏感參數(shù)，采用對(duì)樣品施加溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的方法，從產(chǎn)品的最高工作溫度與貯存溫度之間，每階步長5 ℃，以樣品敏感參數(shù)出現(xiàn)功能失效為判據(jù)，試驗(yàn)后獲取敏感參數(shù)隨退化量的數(shù)據(jù)，利用公式（8），繪制出ln(dΔM/dΔt)與-1/T之間的關(guān)系圖。

對(duì)最高工作溫度與貯存溫度之間的ln(dΔM/dΔt)與-1/T數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得出斜率值，此值即為（-E/k），從而可以計(jì)算出激活能E。

激活能E確定后，采用恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)三溫度點(diǎn)法（最高工作溫度、貯存溫度及兩溫度點(diǎn)的平均值）按照式（6）進(jìn)行N年自然貯存壽命要求下的等效折算，之后開展試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

6 結(jié)論

類比法是自然貯存壽命試驗(yàn)方法的一種靈活應(yīng)用，從工程實(shí)際使用角度，更切合研制、生產(chǎn)周期時(shí)間短的要求，且能更準(zhǔn)確真實(shí)地反映器件長期貯存的適應(yīng)能力，對(duì)貯存壽命進(jìn)行評(píng)估。

阿列尼烏斯模型是目前應(yīng)用較多的一種加速壽命試驗(yàn)方法，此方法選用對(duì)失效最為敏感的溫度應(yīng)力作為器件的加速因子，需要對(duì)器件的工藝結(jié)構(gòu)、材料選用進(jìn)行詳細(xì)分析，確定出薄弱環(huán)節(jié)，選取敏感參數(shù)開展相關(guān)試驗(yàn)。阿列尼烏斯方程中激活能E的確定是壽命評(píng)估是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵，本文給出了激活能E的確定方法，但其準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1] 陳海建, 徐廷學(xué), 李波, 等. 導(dǎo)彈加速壽命試驗(yàn)方法研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2010, 7(5): 115-118.

[2] 楊丹，恩云飛，黃云. 電子元器件的貯存可靠性及評(píng)價(jià)技術(shù)[J]. 電子元件與材料, 2005, 24(07): 61-64.

[3] 陳兵, 李星. 加速壽命試驗(yàn)技術(shù)在國內(nèi)外的工程應(yīng)用研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2010, 37(6): 31-38.

[4] 潘永躍, 丁學(xué)武.電子產(chǎn)品的貯存可靠性研究[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 26(1): 27-29.

[5] 楊家鏗. 電子元器件長期貯存可靠性分析[C]. 第九屆全國可靠性物理學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，延安，2001. 65-72.

作者簡介：

丁榮崢（1967—），男，江蘇興化人，1991年畢業(yè)于長春光學(xué)機(jī)密機(jī)械學(xué)院材料系，高級(jí)工程師，現(xiàn)在中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所工作，主要從事集成電路等的封裝設(shè)計(jì)、封裝工藝開發(fā)、封裝可靠性研究、失效分析、咨詢和管理工作。

作者簡介：

吉 勇（1985—），江蘇泰興人，本科，現(xiàn)就職于中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，主要從事WLCSP集成電路封裝、TSV工藝及相關(guān)失效分析研究工作。

Study the Method of Long-term Storage Life

KONG Zhanxing
（Air to Air Missile Research Institute of China,Luoyang471009,China）

Research status of two common assessment methods of the long-term storage life (assessment of natural storage test and evaluation of accelerated life test) was reported. From the practical use of engineering, the assessment methods were being studied, and the natural storage test was transformated experimental evaluation of the method of analogy, avoiding the disadvantages of natural storage of long test period. The authenticity of natural storage test was preserved. The derivation analysis and modeling applications of was estudied. The arrhenius equation was accelerated life test model.

storage life; method of analogy; accelerated life test

TN306

A

1681-1070（2014）08-0045-04

孔占興（1981—），男，河南焦作人，碩士研究生，現(xiàn)在中國空空導(dǎo)彈研究院元器件中心工作，主要研究方向?yàn)殡娮釉骷?/p>

2014-03-20