电子元器件的可靠性

电子元器件的可靠性

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电子元器件的可靠性（第一章：可靠性试验）

■何谓可靠性技术？

可靠性技术究竟是什么。首先从这点开始做如下介绍。

可靠性技术也称为技术故障，是一项通过对产品故障发生的原因进行分析、评价并理解后，提高产品可靠性的技术。反过来说，也可以称之为制造故障技术。

※故障产品与不合格产品的区别

・不合格产品是指生产时就已经不合格的产品。

・故障产品是指生产时为合格品，但因时间较长而变成不合格产品。

使合格产品成为不合格产品的过程，称为可靠性技术。

发生故障的原因，大致可分为以下3类。

①产品本身存在的潜在因素(内因)

②因使用环境中的热度、湿度等外在因素(外因)

③自然老化

■何谓故障？

在前章节中，我们提到"可靠性技术也称为技术故障"，但实际上故障也分为很多种。以下是表示故障发生率与时间的相关性表格，称之为故障率曲线（浴盆曲线）。

产品随着时间变化，分为初期故障/偶发故障/磨耗故障3个阶段，其相应的故障产生原因也各不相同。

【初期故障】产品在使用早期发生的故障，随着时间的推移，故障率逐渐减少。其主因可能是由于潜在的缺陷，需要通过完善设计/甄选工程及零件筛选等措施预防故障发生。

【偶发故障】初期故障稳定后，会进入偶发故障阶段。主要是由于雷电、产品跌落等突发事件引起的，与时间推移无关，基本可以维持一定的故障率。我们的目标是通过预防生产工程上的偶发性缺陷以及控制使用环境的过度波动，使故障率接近于零。

【磨耗故障】偶发故障阶段后，随着时间的推移，故障率又会增加。此时的主要原因是由于产品磨耗、损耗引起的，也可视为产品使用寿命已尽。

如上所述，故障也分为几种，而其相应诱因也各不相同。为确保质量，如何正确判断其诱因，以及选择正确的验证方法（可靠性试验）尤为关键。

■何谓可靠性试验？

接下来对可靠性试验进行说明。可靠性试验是为预测从产品出厂到其使用寿命结束期间的质量情况。选定与市场环境相似度较高的环境应力后，设定环境应力程度与施加的时间，主要目的是尽可能在短时间内，正确评估产品可靠性。

其次，试验中有不同的试验项目。存在并非单一型应力，而是复合型环境应力的试验及以故障机理角度开发出来的试验方法等等。

下面列举若干与电子产品相关的主要的几种可靠性试验。

只有通过这些试验，被认定为可在市场环境下使用的元器件，才可作为合格产品投放市场。

电子元器件的可靠性（第二章：如何推算元器件的寿命？）

在第一章中，通过可靠性和对故障的基本思考，就实际执行的各项可靠性的试验方法进行了说明。本次，将以多层陶瓷电容器为例，针对预估电子元器件耐用年数的加速试验，进行说明。

电子元器件在被用于组装成各类电子设备而实际应用于市场时，需要面对外部各种应激反应。例如，电子设备掉落时引起的物理应变，冷热温差引起的热应变，通电时的电应变等。以这些外部应变为诱因，在产品使用时，有电子元器件发生故障的案例。因此，本公司从各电子元器件的设计阶段开始，研究外部应变与故障发生的机理，并反馈至电子元器件的可靠性设计中。同时，通过把握外部应变的强度与故障发生的时间•概率之间的关系，确立"外部应变与故障发生的加速模型"，以便在更短的试验时间内可对电子元器件的耐用年数进行评价。

作为加速模型的具体案例，针对多层陶瓷电容器的耐用年数的温度•电压加速性进行说明。一般情况下，多层陶瓷电容器由电绝缘体（电介质）构成，对于连续通电，具有高度可靠性。

例如，安装在汽车发动机附近的控制模块，在使用时，周围环境的温度会随之升高。

图1所示即为在这样的高温环境下通电时，电容器使用的陶瓷材料内部状态。

在陶瓷材料内部含量极少的原子等级的电荷缺陷会从+极（正极）向-极（负极）移动。

以钛酸钡为代表的电陶瓷，在进行烧制工艺时，结晶构造内部包含了极少量的原子级缺陷（称为氧空位），其可通过外部施加的电压缓慢移动，不久便会累积在-极附近，最终可能会破坏陶瓷绝缘性。

如此，多层陶瓷电容器的耐用年数（寿命）取决于陶瓷材料中氧空位的移动速度与量，在确立模型时应将产品使用时的环境温度与负荷电压作为参数。通常情况下，采用阿伦尼乌斯方程的加速模型可广泛适用，但作为简便的推算方法，也可采用以下经验公式。

通过这个关系式，在更严格的条件下（更高的温度，更高的电压）进行加速试验，可预估产品在实际使用环境下的耐用年数。

在此，让我们尝试对比多层陶瓷电容器的加速试验与实际产品的预设使用环境。此时，电容器的加速试验中耐久试验时间表示为LA，实际使用环境下的相当年数表示为LN，来用于上述公式。

如此，可预估在85℃、20V的应用环境下进行的1000h耐久试验，相当于65℃、5V应用环境下的1448155h （≒165年！）。用于计算的电压加速常数与温度加速常数虽然根据陶瓷材料的种类与结构有所不同，但是，通过使用加速模型，可以根据较短时间内的试验结果验证长时间实际使用环境下的耐用年数。

以上为多层陶瓷电容器的示例，有多种一般使用的电子元器件种类及设想的使用环境。因此，确立对各种电子元器件造成影响的应变相关加速模型是非常重要的。