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加速壽命試驗及其在電子產品上的應用

發布時間:2019-10-15 16:20   類型:應用案例   人瀏覽

1 引言
       加速壽命試驗是電子元器件可靠性試驗中的一項重要的試驗手段,對于可靠性水平較高的產品按照恒定失效率假設下的失效率與平均無故障時間的驗證試驗方案進行壽命評價需要很長的試驗周期和大量的試驗樣品,試驗成本相對較高。加速壽命試驗是一種可在短時間內獲得產品失效率數據的方法,它要求了解在正常應力下的主要失效機理與失效模式、環境應力水平與產品壽命特征的關系,一旦求得這種關系,即可確定有關應用環境的失效率估計值。加速壽命試驗可以有效獲得零件、部件或系統的失效率,可以減少測定低失效率產品壽命試驗時間,是一種十分有效的壽命試驗方法[1] [2]。


2 加速壽命試驗方法綜述
       加速壽命試驗按照施加應力的不同方式一般可以分為恒定應力加速壽命試驗、步進應力加速壽命試驗、序進應力加速壽命試驗三種類型[3] [4]。三種加速壽命試驗方法中恒定應力加速壽命試驗最為成熟,盡管這種試驗所需時間不是最短,但比一般的壽命試驗的試驗時間還是縮短了很多。因此它還是經常被采用的試驗方法。


2.1 恒定應力加速壽命試驗
       恒定應力加速壽命試驗將試樣分為幾組,每組在固定的應力水平下進行壽命試驗,各應力水平都高于正常工作條件下的應力水平,試驗做到各組樣品均有一定數量的產品發生失效為止。


2.2 步進應力加速壽命試驗
       步進應力加速壽命試驗預先確定一組應力水平,各應力水平之間有一定的差距,從低水平開始試驗,一段時間后,增加至高一級應力水平,如此逐級遞增,直到試樣出現一定的失效數量或者到了應力水平的極限停止試驗。


2.3 序進應力加速壽命試驗
       序進應力加速壽命試驗將試樣從低應力開始試驗,應力水平水試驗時間等速升高,直到一定數量的失效發生或者到了應力水平的極限為止。


3 加速壽命試驗理論依據
       加速壽命試驗的基本理論是利用高應力條件下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征。實現這個基本思想的關鍵在于建立壽命特征與應力水平之間的關系的加速試驗模型。在溫度恒定應力加速壽命試驗中,通常采用阿倫尼斯(Arrhenius)方程作為壽命與溫度關系的模型[5] [6]。阿倫尼斯(Arrhenius)方程是表示化學反應與溫度關系的一個經驗公式,其表達式為:

                           (公式1)

       式中:M為化學反應量;A0為比例系數;T為絕對溫度,玻耳茲曼常數(8.617×105 eV/K),E為失效機理激活能,單位為eV。
如果元器件失效是由某種反應量的原始積累量M1積累到一定程度M2引起,那么其壽命就是反應累計到M所需要的時間t,阿倫尼斯(Arrhenius)方程做積分可得到:

       當退化量M2達到某個值Mp時,則認為該器件失效,而影響到由產品構成設備的性能參數或工作。這時的時間差(t2-t1)就是產品從t1開始延續的壽命L。即
                                                 
                                                             

       令A=ln[(Mp-M1)/A0],B=?E/k,得lnL=A+(B/T)。式中,A,B是待定參數;L為某壽命特征。
       lnL=A+(B/T)是線性化的壽命與溫度的關系模型,它符合化學反應器件的壽命L與溫度T的關系。該模型表明,壽命特征的對數是溫度倒數的線性函數。
當在不同溫度T1,T2下,經過時間t1與t2后特性值或退化量相同,可利用公式推出加速系數公式:
                                                    
  

       上式是基于退化量相同導出的。目前國內外比較成熟的加速壽命試驗數據處理方法都是基于失效數據的。對于長壽命產品,在很長的時間內極少出現失效現象,因此傳統的基于失效數據的試驗數據處理方法在應用時會遇到很多困難。


4 加速壽命試驗在電子產品上的應用
       假設需要驗證音視頻產品(如電視機)在環境溫度25℃、相對濕度75%條件下MTBF為10萬小時。要求采用加速壽命的試驗方法進行驗證,置信度90%。樣品數量20臺,允許失效的樣品數為1臺。


4.1 制定加速壽命試驗方案
       采用公式5計算環境溫度25℃、相對濕度75%條件下MTBF為10萬小時需要的試驗時間t;

                       t=A×MTBF                             (公式5)


公式5中,A為時間因子,與試驗期間允許失效的樣品數量以及90%的置信度有關。
       采用公式6計算時間因子A;
                         
       公式6中,是自由度為2γ+2的2分布的α的分位數,1-α是要求的置信度,本方案中為90%,計算得α=0.1。


       γ是允許失效的樣品數量,本方案中為1。


       利用Excel計算2分布式,在Excel中對應的函數為CHIINV。具體計算過程如下:

=0.5×CHIINV(0.1,4)=0.5×7.779=3.89


       將時間因子A帶入公式5進行計算得到t=38.9萬小時。


4.2 計算加速因子
       采用施加高溫高濕環境應力的方法進行加速壽命試驗,溫度85℃,相對濕度85%,利用阿倫尼斯公式計算加速因子AF;

              
公式7中:
       為激活能(單位eV),本方案中考慮到樣品的失效模式主要是由于電遷移而斷線導致功能失效或故障,因此取為0.6eV。


       K為玻爾茲曼常數,取K=8.617×10-5eV/K。
       是加速狀態下相對濕度,本方案中為85%。
       是常態下相對濕度,本方案中為75%。
       是加速狀態下的溫度,本方案中為358.15K。
       是常態下的絕對溫度,本方案中為298.15K。
       將以上數據帶入公式3中,計算得到AF=72.8。


4.3 計算加速壽命條件下的試驗時間
       將環境溫度25℃、相對濕度75%條件下MTBF為10萬小時需要的試驗時間t=38.9萬小時換算成加速壽命試驗條件下(溫度85℃、相對濕度85%)的試驗時間T,計算如下:
T=t/AF=38.9萬小時/72.8=5344小時


       因此,最終試驗方案為:將20臺樣品在溫度85℃、相對濕度85%條件下進行267.2小時試驗,如果失效的樣品數小于等于1臺,就認為此樣品的MFBF達到在環境溫度25℃、相對濕度75%條件下MTBF為10萬小時的要求。


5 結束語
       加速壽命試驗能夠有效加快試驗進程,節約試驗成本,為預測系統或設備的可靠度提供重要的依據。隨著科技的進步,越來越多的電子產品企業關注生產的產品的可靠性指標,如果采用在正常使用條件下的應力去評估電子設備的壽命特征和可靠性指標,需要很長的試驗周期和比較多的樣品,試驗成本相對較高。因此,采取加速壽命試驗方法評價電子了設備的可靠性指標收到越來越受到高度重視。本文詳細介紹了音視頻產品在溫度和濕度應力條件下的加速壽命計算方法,為工程技術人員提供進行其它產品的加速壽命試驗提供科學的參考依據。

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