基于温度循环的ALT技术在电子产品中的应用

2.2 试验剖面
在试验正式开始之前， 首先对受试产品目测， 然 后分别在室温、 低温和高温下浸透 1 h 后， 对产品进 行功能测试， 并记录测试参数。 根据规格书的要求， 试验设定温度范围为-30～ 80 ℃， 温度变化率为 7 ℃/min， 恒温时间为 5 min。 同时根据产品的设计及实际使用情况， 施加 8 g 的恒 定 6 自由度随机振动。由于产品的热惯性， 受试产 品表面的温度和温箱的环境温度会有区别， 表2列 出了温箱的环境剖面和受试产品表面温度的剖面对 比。图 7 和图 8 是温箱的典型温度循环和受试产品 的典型温度循环。
图 4 加入振动后现场使用年数与温循数曲线 Fig.4 Field application years versus temperature cycles after adding vibration
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（3）
式中： y 是现场使用年数； C 为 ALT 热循环次数； fAF 为 加速因子； A 是常数。
假设产品寿命服从指数分布， 试验采用定时截 尾试验方案。因此， 可由下面的公式计算产品的平 均寿命 ， 考虑单侧置信下限[5]。


（5）
式中： n 为定时截尾试验自由度， n=2k+2 ； k 为失效个 数； T 为试验总时间。 = 1-置信水平；
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装
1 加速温度循环试验
大量的研究表明： 对于某些失效模式， 温度循环 比基于 Arrhenius 方程的恒温浸透有更高的效率。文 献[2]中的试验表明， 某器件在 60 ℃下浸透 71 h 的老 化程度与 5 ℃/min 的温变速率从-10 ℃到+60 ℃的 3 个温度循环具有相同的效果。因此， 文中利用温度 循环作为加速试验的一个主要激发应力。 一个典型的温度循环可以由高温极限 Tmax， 低温 极限 Tmin， 温度差Δ T， 保温时间和温变速率来表示。 图 1 是温度循环剖面的示意图。产品寿命显著地受 到温变差和温变率的影响。温变差和温变率越大， 应力水平越高， ALT 的加速性也就越高。
近年来， 加速寿命试验 （ALT） 已经在各个工业 领域， 特别是航空航天领域得到广泛的研究和应 用。通常， 基于恒定应力和步进应力的加速寿命试 验由于其成熟的统计分析方法以及比较高的统计精
收稿日期： 2009-05-20
度得到最为广泛的认可， 已作为定量可靠性试验的 主要方法来预计产品的寿命与可靠性指标。加速寿 命试验的统计模型包括产品的寿命分布和寿命与应 力之间的加速模型。已知加速模型， 就可以通过加
在电子产品的研发阶段， 于实验室中用较短时 间加速产品在外场数年的使用情况， 应用 ALT 技术 来衡量产品可靠性水平， 找到产品薄弱环节并提出 可靠性改进措施是十分必要的。然而， 应用常规 ALT 技术往往需要较长的试验时间， 所选用的加速 模型也很难精确反映产品的真实情况。针对民用企 业产品大批量生产的实际情况， 为进一步缩短试验 时间， 控制试验成本， 提出一种基于温度循环的试验 方案， 并且合理利用历史数据建立加速模型、 估计加 速因子， 最后通过工程实例验证了本方法的合理性 与实用性。
第6卷 第6期 2009 年 12 月
装备环境工程
EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING
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基于温度循环的 ALT 技术在电子产品中的应用
李树桢 1， 李晓阳 1， 姜同敏 1， 刘炯军 2
（1. 北京航空航天大学， 北京 100191； 2. 摩托罗拉 （中国） 技术有限公司， 北京 100102）
Application of Temperature Cycle Based ALT Technology in Electronic Products
LI Shu-zhen1， LI Xiao-yang1， JIANG Tong-min1， LIU Jiong-jun2 （1. Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China； 2. Motorola （China） Technology Corporation Ltd， Beijing 100102， China）
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图 2 现场使用年数与温循数曲线 Fig.2 Field application years versus temperature cycles
Байду номын сангаас（4）
式中： R 是温变率； ΔT 是温变差值； G 是振动量值。
1.4 由 计算平均寿命θ
对于单振动应力来说， 加速产品现场使用 1 a 所 需试验时间与振动量值之间是近似对数关系， 如图 3 所示。其含义为： 以起始点为例， 如果考虑 10 g 的随 机振动， 那么试验 100 h 即可加速产品 1 a 的现场使用 情况。 如果在试验中同时考虑温度循环和随机振动， 那么总的加速时间应该是温度循环加速时间与振动
Abstract： In order to shorten testing time of ALT and enhance its application in engineering， this paper recommended a new approach to conduct ALT for electronic products based on temperature cycle. Accelerated factor and test profile were determined through analyzing product′ s failure modes and excitation stresses， and according to similar products′ experience data to establish the regression relation between field usage years and testing time in development phase. With this method， reliability can be verified in less time than conventional ALT， and reliability measurements such as average life can be evaluated using Chi-Square. At last， an engineering example of a power supply was presented to demonstrate the practicality of this approach. Key words： accelerated life test； temperature cycle； electronic product； reliability； average life
1.1 失效模式与加速激励
在开始加速寿命试验之前， 必须考虑到电子产 品的主要失效模式和失效机理， 根据失效模式来确
第6卷 第6期
李树桢等： 基于温度循环的 ALT 技术在电子产品中的应用
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响：

（1）
式中： fAF 为加速因子； EA 为激活能； K 为波尔兹曼常 数， K= 8.623×10-5 eV/K； T1 为正常应力条件下的绝 对温度； T2 为加速应力条件下的绝对温度。 1.2.2 Coffin-Manson 模型 Coffin-Manson 模型用来模拟金属材料由于热循 环导致的疲劳失效。也被成功用于模拟焊点受到连 续温度冲击后的裂纹扩展过程[4]。
摘要： 为了缩短 ALT 试验时间， 从而提高其工程适用性， 提出了一种针对电子产品， 基于温度循环的加 速寿命试验方法。该方法通过分析产品的失效模式确定激发应力， 根据相似产品的历史经验数据建立现场 使用年数与研制阶段试验时间之间的回归关系， 选择加速因子， 从而确定试验时间和试验剖面； 这种方法可 以在比常规 ALT 更短的时间内考查产品研制阶段可靠性水平， 利用χ2 分布评估产品的可靠性指标平均寿 命θ。最后， 以电源产品的工程实例验证了其工程实用性。 关键词： 加速寿命试验 （ALT） ； 温度循环； 电子产品； 可靠性； 平均寿命 中图分类号： TB114.3 文献标识码： A 文章编号： 1672-9242 （2009） 06-0073-05
1.2 加速模型
图 1 典型温度循环剖面 Fig.1 Typical temperature cycle profile
加速模型是产品特征寿命与应力之间的映射关 系。在工程中， 通常使用加速因子 （fAF）来表示寿命试 验的加速程度。加速因子是正常寿命周期下的寿命 与加速环境条件下的寿命之比。 1.2.1 Arrhenius 模型 Arrhenius 模型描述了温度应力对产品寿命的影
由表 1 可以看到， 对于大部分常见失效模式， 温 度循环和 6 自由度随机振动都可以作为主要的激发 应力。然而， 每种情况有其各自的特点， 具体使用哪 一种激励、 用多大量值的激励都必须要根据具体情 况单独分析、 量定。在确定试验激发应力之前， 应该 深入考察典型应力激发产品失效的机理、 受试产品 的设计原理和组成[3]。
表 1 失效模式以及应力激发效果 Table 1 Failure modes and stress excitation effects 主要失效模式 PCB 开路/短路 锡裂 虚焊 接触不良 机械故障 半导体电迁移 元器件破裂 管脚弯曲 参数漂移 典型环境应力 温度循环 6 DOF 随机振动 湿度 电压偏置 √ √ √ √ × √ √ √ √ √ √ √ √ √ × √ √ √ ― × × ― × × ― × ― √ ― ― ― ― ― √ × √
1.3 温度循环个数和振动量值的计算
根据 Coffin-Manson 模型并分析积累的大量产 品现场使用数据发现， 对于单温度应力来说， 产品的 现场使用年数与特定的温度循环的循环个数之间呈 现出近似的线性关系 （如图 2 所示） ， 直线的斜率由 加速因子确定， 加速因子 fAF 受单个温度循环温变率 R 和Δ T 温差的影响， 对文中研究的产品来说， 加速 因子是 300~400 之间的常数。

图 3 单位加速模拟时间与振动量值曲线
（2）
Fig.3 Unit accelerated simulation time versus G value
式中： N 为失效前的循环次数； A 和 B 为试验中待确 定的参数。
加速时间之和。加入振动后， 现场使用年数与温度 循环个数之间仍然是线性关系 （如图 4 所示） ， 如式 （3） 和 （4） ， 但是斜率增大。
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境
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2009 年 12 月
2 基于温度循环的加速试验工程实例
以一个直流电源模块 （PSU） 为例， 介绍基于温 度循环加速寿命试验的具体实施过程。电源供应模 块是系统中的重要能量提供单元， 其可靠性直接影 响到整个系统的可靠性。根据产品的设计规格和质 量要求， 使用加速寿命试验模拟产品 12 a 的现场使 用情况， 并且验证产品的设计和制造可靠性。通过 对电源模块的 FMEA 分析， 决定在试验中使用温度 循环和 6 自由度随机振动作为加速应力。
作者简介： 李树桢 （1986—） ， 男， 山东人， 硕士研究生， 主要研究方向为可靠性与环境试验技术、 自动测试系统。
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速应力水平下的失效信息统计外推得到产品正常应 力下的寿命与可靠性指标 。
[1]
定 ALT 中使用的应力类型。 对于文中研究的电子产品来说， 失效模式大体 可以分为表 1 中所列的几种。对于这些常见失效模 式， 选择不同形式的 ALT 激励来加速试验产品的老 化和失效。主要应力类型包括： 温度循环， 6 自由度 随机振动， 湿度和电压偏置。根据不同的环境条件 和失效模式， 选用不用的应力组合对于加速激发产 品老化和故障具有不同的效果。表 1 列出了某电子 产品主要的失效模式， 以及 4 种不同应力类型对特 定失效模式的激发效果。 （这里设定 “√” 表示激发 效果较好, “ ―” 代表激发效果一般， “ ×” 代表激发 效果不太好。 ）