温度循环试验参数的比较与选择

黄 蓉，文昌俊，聂 磊，余军星

（湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉430068）

环境因素对产品可靠性影响很大，产品的失效大部分是由环境因素引起的［1］.在近20种环境因素中，温度的影响占了环境因素总比例的40%左右.因此，根据样品及试验箱自身特点选择合适的参数，使温度循环试验效果达到最佳是必不可少的.目前温度循环试验的标准有 MIL－STD－883G1010.8、JESD22－A104－B等，但每个标准中的参数存在差异，所以对温度循环试验的关键参数进行分析，选择适当的标准，对提高电子产品的可靠性和进行产品的质量监控具有重大意义.

1 温度循环试验标准

温度循环试验是将样品放在温度交变的试验箱中，使样品处于不断循环变化的高温与低温作用下，利用不同材料热膨胀系数的不同，使试样因热应力的作用而产生形变；不断拉伸与挤压的过程中，存有缺陷的地方在应力提升的作用下，随着温度循环的加载而不断扩展，最终发展成失效（图1）.因此，通过温度循环试验可以高效且充分地放大产品的潜在缺陷，以剔除易早期失效的产品.该试验主要用于电子组件的电气性能、机械性能等测试.

目前，在温度循环试验中运用得比较多的标准是 MIL－STD－883G1010.8、JESD22－A104－B 以 及GB／T2423－2002［4］.

MIL－STD－883G是美国军标《微电子器件试验方法标准》的最新版本，MIL－STD－883自1968年问世以来发展到今天的G版，经过了将近20次的改进，最初主要是针对军工设备的，其内容涉及到微电子器件的材料检测和控制，设计检验的控制，工艺检验和控制，筛选、鉴定和质量一致性等各个领域，对微电子器件可靠性的提高有着重要的作用.现今，MIL－STD－883已作为许多国家标准的蓝本而用于高可靠性的微电子器件试验中.例如，我国的国军标GJB548－88是以1983年的 MIL－STD－883C版为蓝本，GJB548－96是以1991年的D版为蓝本制定的.

图1 温度循环试验流程

JESD22是JEDEC标准中的环境应力试验部分，JEDEC是微电子产业的领导机构标准，它是为全球微电子产业制定的标准.从这一点来看，MILSTD－883应该比JEDEC更严格.JEDEC在制定的过程中一直采取公平、高效、经济的原则，努力确保产品的互用性，缩短了产品推向市场的时间，同时也降低其开发成本.它的主要功能包括术语、定义、产品特征的描述与操作、组建包装、测试方法、生产支持功能、产品质量与可靠性等等.

GB／T2423是我国电工电子产品环境试验标准，它是结合我国电子产品的特点，以另外两个标准为蓝本而制定的，主要针对民用品.

2 温度循环试验关键参数的选取

对电子产品而言，周期性温度变化引发的环境应力对样品的影响会根据试验效果的不同而不同，它会导致样品的机械性能（如热膨胀系数、热传导系数、杨氏模量）等存在很大的差异.

在温度循环试验中，影响其试验效果的主要参数是：温度变化范围、试验箱的升降温速率、试验样品在高温或低温中的暴露时间、转换时间、试验的循环 次 数［1－3］.在 MIL－STD－883G1010.8、JESD22－A104－B、GB／T2423－2002中给出了相关的参考标准，但是存在着一定的差异（表1）.下面根据温度循环试验的典型剖面图（图2）对其主要参数进行分析.

表1 各标准中温度循环试验关键参数的比较

图2 温度循环剖面图

2.1 温度范围

温度范围是指上限温度Tu与下限温度Tl的差值.原则上该值越大越好，因为温度越高就有越大的热应力和热疲劳的交互作用同时加在试样上，对剔除早起失效的效率也越高.但是对于某些材料，当温度达到某一数值时，能诱发一般在设计过程中看不到的失效机制，并且因热膨胀系数的不同，在不同的温度条件下进行试验时，容易使产品过早失效.

另外，试验的升温和降温过程容易在元件或设备上产生凝露或结霜现象，这会给样品额外的应力.所以，温度范围的选择要根据产品的具体情况而定，试验温度不能过高也不能太低，应该在不伤害正常产品的前提下选择最大的温度范围，一般在－55℃～＋125℃之间.

由于三个标准最初适用对象的不同，使所定的温度范围也不相同.MIL－STD－883G最初主要是针对军用设备的，所以在温度的规定上更为苛刻，而JESD22－A104－B是对全球的电子产品所做的规定，相对来说它比MIL－STD－883G要宽松，由表1给出的温度范围的数据就可以看出，MIL－STD－883G3的高温范围几乎为JESD22－A104－B的一倍.在进行温度的选择时，应考虑操作环境和系统的使用，所以满足商用品的GB／T2423－2002一般将温度范围规定为0℃～＋55℃、－40℃～＋85℃，MIL－STD－883G1010.8在用于民用电子产品时将温度定为－55℃～＋125℃.

温度的选择对试验的循环次数和模型的选择都存在着影响.

2.2 温度变化速率

试验箱的升温速率及降温速率与箱内的冷却方式有关，如果直接采用空气循环的冷却方式，那么升降温的速率就被限制在5～10℃／min；如果是液氮进行冷却，该值为25～40℃／min.国内的温度循环试验箱一般都是采用空气循环的方式进行冷却，如GDJW系列的试验箱都是采用多翼式送风机强力送风循环，而国外的温循箱通常采用液氮进行冷却，这样就可以达到一个较高的温变速率.试验箱冷却方式的不同使各标准在规定温变速率时也存在了差异.

一般，温度变化速率的增加有利于激发潜在缺陷暴露，温变速率越高，试验强度就越强，越容易激发样品的缺陷；但当温度变化速率达到某一特定值后，温度循环试验的强度基本上达到饱和状态，试验样品对温度的变化不是很敏感，样品的温度变化明显滞后于试验箱的温度变化.

2.3 暴露时间

高温（TB）或低温（TA）下暴露时间t1的长短取决于试验样品的热容量.“热容量”指系统在某一过程中，温度升高（或降低）1℃ 所吸收（或放出）的热量.如果在一定的过程中，当温度升高ΔT时，系统从外界吸收的热量为ΔQ，那么在该过程中该系统的热容量

以低温箱为例，低温箱的温度在TA下保持的时间t1应该包括放入样品后箱内温度（包括样品的温度）稳定到TA所需的时间t3和稳定后样品继续放的时间t4，t3不应该超过t1的1／10.又因为t3的长短主要由样品放热的速度（即热容量）决定，所以t1也取决于样品的热容量.

除此之外，t1与样品的热时间常数也有重要的关系.热时间常数取决于周围介质的性质和运动速度.对于大样品或设备而言，其内部和外部的热时间常数可能相差很大，故以考虑里面的或最易受损害的热时间常数为主.在温度变化试验导则中给出了如下规定：

若t1≥5τ，则d＜0.01D；若t1≥2.5τ，则d＜0.1D .

式中：t1为暴露时间；τ为试验样品的热时间常数；d为试验介质温度与试验样品温度之差；D为高低温之差，即TB－TA.

根据t1与τ的关系式可知，d越小，试验持续的时间就越长.试验的时间一般为3～5倍的热时间常数.

热时间常数

其中：m为样品的质量，g；C为比热容，J／（g·℃）；S为散热面积，cm2；λ为散热系数，W·（cm2·℃）－1.这样t1就与样品质量存在着间接关系了.

2.4 转换时间

转换时间t2也与样品的热时间常数有关，标准中给的t2通常针对常规大小的样品，如果遇到了大件样品或小试验样品，可将转换时间t2进行适当的延长或缩短.t2所包括的范围是从一箱中开始准备转移环境中停留到另一箱中放好这一整个过程的时间.

综合对t1和t2的分析，三个标准中对暴露时间和转折时间选取的不同可能是因为试验箱的容积以及样品的体积存在差异.试验箱内空间容积与试样样品体积的比值不同，会导致试验箱内热容量的不同，这就使暴露时间t1的选取有异；同时，样品的质量会导致τ的不同，进而影响到t2.

2.5 循环时间

图3给出的是 MIL－STD－883G1010.8中测试条件下的一个图例，可见一个循环周期由两个暴露时间t1和两个转换时间t2组成.

图3 MIL－STD－883G1010.8条件下的循环时间

2.6 循环次数

循环次数与试验中的温度变化速率、暴露时间等参数都是相互影响的.如果热容量较大，温度变化速率较高，并且样品在试验箱中暴露的时间足够长，这样在一个循环周期内试验的强度可足够大，那么经过较少次数的试验就能达到预期目的.当循环次数较多时，每一次的温度变化都会使试样内部出现交替的膨胀和收缩，让其一直在热应力和应变的作用下处于一种疲劳状态，所以次数太多会影响试样的使用寿命，并且会提高成本，因此一般选择适当的循环次数.

循环次数与温度范围之间也存在定量的关系.Coffin－Manson方程建立了热应力引起的低周疲劳（low－cycle fatigue）影响模型［4－7］，其方程为：

式中：Nf为温度循环的次数；△εp为塑性应变；Cε为常数.

塑性应变△εp与温度循环的范围△T成正比，故式（3）可以写成：

式中：△T为温度范围；CT为常数.

以加速因子的形式改写式（4）为：

式中：ACM为循环次数的加速因子；NfU为正常使用时至失效为止的循环次数；NfA为加速时至失效为止的循环次数；△TU为使用时温度范围；△TA为加速时温度范围.式（3）和式（4）就反应出了循环次数与温度范围之间的定量关系.

如果要用较少的循环次数来完成实验，可以通过拓宽温度范围来实现同样的效果；如果实验的温度范围不能设置太宽，这时可以通过增加循环次数来达到同样的效果.

3 结论

综合上述分析可知，三个标准在参数制定上存在差异的原因主要表现为如下几个方面：

适用对象的不同.MIL－STD－883G最初主要适用于军用设备，其温度范围就更为严格，而另外两个标准是针对民用品的，试验温度相对来说就弱一点.

试验箱冷却方式的不同导致了温度变化速率的不同.国内的空气循环冷却方式使GB／T2423－2002中规定的温度变化速率明显低于其他.

试验箱容积与样品体积的比值不同使t1、t2存在差异.试验箱内空间容积与受试件体积的比值会影响到热容量，所以对t1、t2的选取也与此有关.

对电子产品而言，温度循环试验是最有效的试验之一，它不仅可以对产品进行电气性能、机械性能等可靠性的检测，且在试验过程中能给试样施加一定的应力，使其内部潜在的缺陷更快地暴露出来.在进行温度循环试验时，应该根据试验样品的质量和体积、样品的用途、试验箱运行条件等因素选择合适的试验标准，在标准的基础上将参数进行调整，适当增加应力强度，缩短试验时间，进而提高试验强度，保证产品的高质量和高可靠性.

［1］ 施劲松，金兴明.一种加速环境应力筛选方法的应用［J］.航空电子技术，2001，32（1）：15－18.

［2］ 曹耀龙，黄 杰.电子组件温度循环试验研究［J］.半导体技术，2011，36（6）487－491.

［3］ 梁志君，白照高，郭涛.电子产品温度循环筛选效果探析［J］.船舶电子工 程，2005（3）：117－119.

［4］ 李 进，李传日.环境应力筛选中的温度循环加速因子模型分析［J］.装备环境工程，2009，6（6）：13－15.

［5］ 张国栋，苏 彬.高温低周应变疲劳的三参数幂函数能量方法研究［J］.航空学报，2007，28（2）：314－318.

［6］ 郑战光，蔡敢为，李兆军，等.基于损伤力学阐释 Manson－Coffin低周疲劳模型［J］.中国机械工程，2011，22（7）：812－814.

［7］ Ikuo Shohji，Hideo Mori，Yasumitsu Orii.Solder joint reliability evaluation of chip scale package using a modified Coffin – Manson equation［J］.Microelectronics Reliabilit 2004（44）：269–274