电子生产环境高加速寿命试验模型研究

郭梦伊 胡鉴清 杨杰

【关键词】环境 高加速寿命试验 模型

环境高加速寿命试验的开展需要构建对应的试验模型，基于模型针对实际情况进行具体分析，从而确保试验高质、高效开展，促使产品环境适应力提升。在构建环境高加速寿命试验模型时，需要明确标准，同时利用信息技术优化模型，尽可能保障模型的精确性与全面性。

1.高加速寿命试验概述

高加速寿命试验指在高、低温快速变换的震荡体系中开展试验，从而发现电子产品的设计问题。该试验的优势是通过环境变化对产品破坏极限加以测试，从而针对性地采取合理对策进行处理，优化产品可靠性。在现代電子产品设计中，高加速寿命试验的重要性愈发重要，如何保障试验结果的精准性、可靠性也成为广受关注的问题。高加速寿命试验一般需要进行多次测试，通过连续的测试、失效分析、缺陷改进、验证形成连贯性的闭环循环。除非一次性就能经受住加速试验，否则需要多次试验。高加速寿命试验的流程较为复杂，通过反复试验发现产品设计缺陷和不足，在实际操作时往往需要对低温、高温、热循环、振动、综合应力、工作应力等环境进行模拟，从而达到测试其失效破坏极限的作用。该试验之所以能够在现代电子行业中得到广泛应用，除了该试验能够有效发现并消除产品设计缺陷，提高设计可靠性，确保能获得早期高可靠性，提高产品外靠可靠性之外，还包含其他大量优势。高加速寿命试验能够有效减少鉴定试验时的故障，也能降低寿命周期成本，更能确切掌握产品在极限条件下的运行情况，这能为高加速应力筛选方案确定应力量级提供依据。而且和传统的环境试验相比，高加速寿命试验还具有见效快，促使产品可靠性提高，避免产品上市前不必要的时间浪费，降低产品成本等优势，这也是其能够在电子行业中得到广泛应用的关键所在。而与加速寿命试验相比，高加速寿命试验虽然不用于确定产品寿命，而且对设备要求较高，但是在找寻影响外场使用的缺陷方面有着明显优势，因此在产品设计中通常需要同时开展这两种试验。

高加速寿命试验的开展对各方面要求均较高，但凡其中有任何一点不符合标准、规范或要求，均会影响试验结果。为了保障高加速寿命试验有效开展，需要做好试验前的准备工作，形成由产品研发设计、制造工艺和质控等专业技术人员所组成的试验团队，搭建相应的失效分析平台，明确试验相关测试细节，主要包括实验仪器及样品检测仪器等相关仪器的功能和参数、产品在台面的安装方式、监测样品状态的热电偶、加速度传感器安装位置及方式、测试程式和试验严酷度等。另外高加速寿命试验设备必须包括满足一定要求的温度试验、振动试验两项基本能力，并且能同时进行温度和振动的组合试验，即相应的振动试验技术参数、温度试验参数、温度数据采集系统、振动数据采集系统均是必须严格规范的设备要求，另外还需要对其他辅助测试设备、液氮和压缩空气供应等进行明确要求。

2.环境高加速寿命试验模型

2.1 常见的物理模型

2.1.1 失效率模型。该模型用于反映产品失效情况，重点反映产品不同时期的失效率，从而以较为直观的形式表现产品使用可靠性及寿命等。对环境高加速寿命试验而言，失效率模型是最为重要的部分。该模型主要是将早期失效、随机失效及磨损失效三大时期进行衔接，以曲线的形式进行表达。其中早期失效期指产品投入使用初期的故障率相对较高，且具有迅速下降的特征的时期，导致该时期故障的原因主要是设计和制造缺陷，可通过可靠性设计、加强生产过程质量控制以减少失效;偶然失效期指产品投入使用一段时间后，产品故障率降到一个较低水平且基本处于平稳状态，该时期故障原因往往是一些难于确定、不可测的因素，可通过改善设计选材和工艺来减少失效;至于磨损失效期则是指产品使用相当长时间后，故障率随时间增加而明显上升的时期，此时期的故障原因主要为组成产品的元器件老化、疲劳、磨损、维护保养不当等。需要注意的是，失效率模型在试验中的应用主要体现在早期失效阶段，该阶段是反映产品可靠性的关键;而后两个阶段属于正常范围内的产品失效，在以强调产品可靠性试验中应用相对较少。失效率模型如图1 所示：

2.1.2 应力与强度模型。应力是高加速寿命试验中不可或缺的重要因素，是检测产品可承受强度的基础。当产品承受环境应力超过一定范围，导致其承受强度过大时，便会出现失效情况，如果这一情况发生在早期失效阶段，自然意味着产品环境适应力不够可靠。在产品生产出来后，其强度分布并非一成不变，而是会逐渐随时间而有所变化，这就意味着其在不同时期所能承受的最大环境应力也有所差异。当某一时间点应力分布无法和强度分布一一对应时，就会出现失效情况，故而必须研究相应的应力与强度模型。

2.1.3 最弱链条模型。该模型主要是针对元器件最薄弱部位进行研究，这是因为该部位最容易发生失效情况。对电子产品而言，高温环境是最适合应用最弱链条模型的情况，这是因为高温下电子元器件内部的各种微观缺陷和污染容易受影响而扩大，从而导致产品失效。

2.1.4 反应速度模型。该模型主要是基于微观角度而构建，即元器件在出现分子、原子层面的物理、化学变化后会导致结构变化，使得产品特性参数退化，而且在退化至一定程度后引起失效。

2.2 加速因子的计算

加速因子即产品在正常环境与加速环境下的寿命比，也是反应加速水平的因素。对高加速寿命试验而言，加速因子无疑是极为重要的基础因素，通常其值越大，实验条件就越苛刻，相应的产品环境适应力要求也就越高。以温度加速因子为例，产品正常工作环境温度即室温，在不同的加速因子下，加速温度有所变化，相应的加速试验也有所不同。

2.2.1. 温度加速因子。温度的加速因子由Arrhenius 模型计算：

该模型的计算就是基于正常寿命与高温寿命的比值。而要计算这一比值，则需要用到正常室温下和高温下的绝对温度，同时还要掌握实效反应的活化能以及玻尔兹曼常数。该模型的适用范围极广，基本上所有电子元器件的失效情况均适用，应用该模型能够在设计阶段及时发现电子产品缺陷并加以改善。不同电子元器件失效反应的活化能有所不同，具体见表1。

2.2.2. 电压加速因子。其通常使用Eyring 模型进行计算：

该模型实际上就是以自然常数e 为底的指数函数，自变量则是加速试验电压和正常工作电压之前的差值与电压加速率常数之积。

2.2.3. 湿度加速因子。湿其一般可通过Hallberg 和Peck模型计算：

该模型实际上就是以高加速试验和正常工作状态下的相对湿度之比为底的指数函数，对应的自变量为湿度的加速率常数。该自变量在不同失效类型下有所不同，不过范围一般为2 ～ 3。

2.2.4 温度变化加速因子。其一般可通过Coffin -Mason 公式加以计算：

该模型实际上就是以试验和正常状态下的温度变化之比为底，对应的自变量为温度变化的加速率常数，失效类型不同，相应的自变量也会有所差异，不过该自变量范围通常為4 ～ 8。

2.3 试验方案

本试验使用的是分析仪，由于电路板是影响甚至决定该设备使用寿命的关键，而且对应的寿命环境因素通常是温度与湿度，故而可以应用最弱链条失效模型。在试验中将温度与湿度分别设置为50-70℃、90%RH，对应的加速因子应为温度加速因子、温度变化加速因子和湿度加速因子的乘积。

3.结语

综上可知，环境高加速寿命试验的开展能够在设计阶段对电子产品的缺陷及不足加以发现，从而针对性地进行改善，提高产品环境适应力，确保产品消费者获得的产品质量足够高。为了支持环境高加速寿命试验的开展，有必要建立系统化的试验模型，根据实际需求选择并建立合适的基础模型，做好加速因子计算，并在此基础上明确试验方案。只有在试验模型的有效支持下，高加速寿命试验才能正常、高效开展，为电子行业的稳定发展提供支持与保障。