通信产品早期失效期分析

43200806通信产品早期失效期分析李明成海信通信公司质量部部长摘要目前对于所有电子产品来说，如何有效的利用产品的市场信息进行分析显得非常重要；而如果我们如何能够把握住产品的早期失效期并合理利用有限的资源进行分析改进，就显得势在必行。本文将详细分析通信产品的早期失效期，并通过引入筛选的概念，从而找出合理激发并发现产品潜在故障的有效方法。1早期失效期当前在各企业产品质量指标分析中，最重要的一项衡量产品质量的指标就是“产品早期返修率”，这一指标是来源于电子产品可靠性研究中的产品故障分析即失效率分析。根据产品可靠性研究中得出的知识可以知道，大多数产品（尤其是电子产品）的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，也就是通常所说的浴盆曲线，如图1所示：尽管各类产品故障机理（引起产品故障的主要内在原因）不同，但产品的故障率随时间的变化大致可以明显的分为三个阶段，通常称之为：早期失效期、偶然失效期、损耗失效期。从产品的整体寿命阶段看，国家制定的产品三包政策的期限包括了失效率较高的早期失效阶段和失效率较低的偶然失效期的前半部分。1.1早期故障期（早期失效期）在产品投入初期，产品的故障率较高，且随时间迅速下降，这一阶段产品的故障主要是设计中的致命缺陷、部品早期失效、加工及装配的缺陷。因为早期失效期的故障率高，所以带来的企业质量成本中的外部质量损失也很高。在该阶段投入资源进行质量改进，产出投入比较高，会给企业带来巨大的效益。1.2偶然故障期这一阶段产品故障率处于一个相对较低且平稳的状态，一般近似认为产品故障率为常数，这一阶段的产品故障主要是系统原因和偶然原因引起的，如设计的不完善造成产品的固有可靠性低、个别元器件的偶然失效等，这些因素的可控性差，给企业带来的外部损失相对较小，产品的设计定型后如果进行改进，所投入的资源比较巨大，但给企业带来的效益并不十分明显。1.3耗损故障期产品使用相当长的时间后，由于达到或接近了产品的设计寿命，产品的故障率迅速上升，出现产品故障大量增加的现象直至最后报废，这是关键词浴盆曲线；环境应力筛选图1一般电子产品的失效率λ(t)的曲线规律BroadAngleforTechnology44信息通信技术产品正常寿命的一种表现。耗损故障出现的时间与产品的设计寿命密切相关。综上所述，由于产品在早期失效阶段的失效率较高，所以造成的质量成本中的外部质量损失较大。但是由于该类故障出现的时间短，所以如果我们能及时发现和整改，那么改进后效益会非常明显。现阶段，电子行业的企业基本上将早期失效期故障率的统计和分析作为质量管理和改进的重点。2通信产品“早期失效期“的分析根据产品的“故障率/比例－时间”特性的理论和分析，我们可以分析公司各阶段重点机型的故障率/比例随时间的变化情况。在这里我们建立这几个机型“故障率/比例－时间”变化的函数曲线，若这几条曲线也存在较明显的浴盆形状，那可以从曲线的拐点来确定产品的“早期故障期”。首先我们选择了5款目前在产且销量较大的机型进行数据统计，根据以上5个机型从上市开始所有的故障机记录，以10天为区间，作出故障比例分布表和故障比例随时间变化的曲线。为了更清楚的看出数据变化情况，我们针对数据的统计采用了故障比例（统计时段内的故障数/总故障数）。受篇幅所限，这里我们不对各机型的曲线进行描述，我们对5个机型数据信息汇总后，作出所有机型故障比例分布表和故障比例随时间变化的曲线如图示2。从图2可以看出，通信产品的“故障率/比例－时间”曲线具备一般产品故障率随时间变化的特性，即呈现出明显的浴盆形状（因产品销售一年后的故障信息不再统计，所以从上图中看到的曲线实际是浴盆形状的左边部分）。从图上可以明显看出，以上产品的故障率在上市后随时间而迅速呈下降趋势，在40-50天左右出现拐点，后期故障率趋于稳定，即从“早期失效阶段”进入“偶然失效阶段”。所以产品的“早期故障期”应该在40-50天之间。3早期失效期的筛选方案分析通过上述分析，我们得知了通信产品的早期失效期约为45天，45天之后进入到了产品的偶然故障期。那么如果我们能够更好的将产品的设计、部品、工艺的缺陷提前发现，同时采取预防措施，那么我们就能够将产品的早期失效期尽量缩短，从而降低产品的外部质量成本损失。在这里，为了能够尽早的发现问题并采取措施进行预防改进，我们引入筛选的概念。3.1环境应力筛选的概念环境应力筛选是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力，将其潜在的缺陷加速变成故障，并通过检验发现和排除的过程，是一种发现问题的工艺手段。环境应力筛选效果主要取决于施加的环境应力、电应力水平和检测仪表的能力。施加应力的大小决定了能否将潜在的缺陷变为故障。因此，环境应力筛选可以看作是质量控制检查和测试过程的延伸，是一个问题析出、识别、分析和纠正的闭环系统。那么我们采用的筛选方案的目的就是以能够筛选出早期故障为目标，即图3中有虚线部分的区域。即采用这种筛选方案尽量激发产品的潜在故障缺陷，使如上图所示尽量缩短产品的早期故障期。这里的潜在缺陷是指用常规检验手段无法检验出来，这些潜在缺陷如果在工厂中不剔除，最终将在使用期间的应力作用下以早期故障的形式图25款通信产品故障比例/失效时间变化汇总曲线图技术广角45200806暴露出来。综上所述，确定筛选项目的原则是：首先应该选择那些对剔除元器件失效有重大影响的项目；其次，所有筛选项目应使筛选过的元器件具有较高的稳定性和可靠性。同时，所有筛选项目不仅要具有较好的经济性，而且还要有理想的、较高的筛选效率。确定筛选试验的应力类型和等级时，应能最有效地激发早期失效，将不可靠的产品剔除而不损坏可靠的产品。任何时候筛选应力的类型和等级都不得使产品承受过应力而改变其固有的失效机理，引入新的不应有的失控模式。而筛选时间的确定，应通过大量的摸底试验，根据产品早期失效的分布形式确定正确的筛选时间。根据上述关于筛选的相关要求和筛选方案的思路，我们进行如下筛选方案的确定工作。3.2筛选方案的基本准则选择的筛选应力强度，应当能激发出最多的早期故障，但不损坏产品中原来完好的部分，又不影响使用寿命。3.3筛选应包含的内容1)各筛选级别数量2)受筛选产品的组装等级3)筛选用的设备及其状态说明4)检测仪表5)筛选方法：使用的应力类型及其应力参数；通/断电要求；检测要求；无故障要求6)性能检测（筛选前后和筛选期间）项目7)筛选过程及故障记录要求8)详细的筛选操作步骤3.4筛选组装等级的选择印制电路组件进行不通电温度循环是一个效费比非常好的筛选，用这种筛选可析出大多数元器件缺陷。1)组件级筛选的优缺点及可筛选出的主要缺陷为：①漏检的元器件缺陷②组装工艺缺陷、剥离、破裂③元器件和电路板焊接点分离④焊接缺陷（裂缝、开口）⑤元件参数漂移、超出容差2)单元级以上筛选优点及可筛选出的主要缺陷：①印制电路板组件连接（器）缺陷：接点松动、弯曲、裂口、污染和连接器碎裂等。②导线连接方面的缺陷：连接松动、插针弯曲、导线绝缘受损等。③输入/输出连接（器）缺陷④组装中使用了以前未经筛选组件引入的缺陷。图3一般电子产品的失效率λ(t)的曲线规律分解图BroadAngleforTechnology46信息通信技术3.5筛选方案的确定①筛选等级的确认根据某公司2006年市场主要故障性质的组成情况（如表1），进行筛选比较：组件级：从可以筛选出的主要缺陷来看，主要是针对连接器连接不良的筛选；而此种问题在我们的市场信息中出现的是比较少的。设备级：从可以筛选出的主要缺陷来看，主要是组装工艺问题、贴片问题、焊接问题、及硬件电路设计问题，从市场出现的问题来看，使用此类筛选方式是非常有必要的。结论：采用设备级等级进行筛选。②筛选数量：每种应力筛选方案选择样本10台。各种应力筛选效果比较如图4：3.6温度循环应力筛选方案的确定筛选原理：温度循环试验中电子元器件在短期内反复承受温度变化，其结果使电子元器件反复承受热胀冷缩变化，产生因为热胀冷缩而引起的交变应力，这个交变应力会造成材料开裂、接触不良、性能不良等有害影响。温度循环激发出的主要故障模式如下：1)使涂层、材料或线头上各种微观裂纹扩大2)使粘结不好的接头松弛3)使螺钉连接或铆接不当的接头松弛4)使机械张力不足的压配接头松弛5)使质差的钎焊接触电阻加大或造成开路6)粒子污染特性参数：筛选度；低温极值；高温极值；温度变化速率；温度极值上的停留时间；循环次数；检测性能或不检测性能。①温度极值的选定准则选择温度极值的关键是给硬件施加适当应力以析出缺陷而又不损坏好的产品。应考虑产品储存温度极值和电子元器件的最高工作温度。通过查找产品所用元器件技术规格书中规定的温度极值要求，我们选择温度范围为-20℃~60℃。②温度变化速率的确定准则温度变化速率的选择取决于受筛产品的特性和预期的缺陷性质。一般情况下温度变化速率不低于5℃/min，本次筛选方案选取温度变化速率为5℃/min。③极限温度的持续时间确定准则受筛产品在温度箱空气温度中停留时间包括元器件（零部件）温度达到稳定所需时间和在温度极值下浸泡所需要的时间。元器件温度达到稳定所需时间即当受筛产品中响应最慢的部分的温度与最终的温度之差在规定值ΔT之内时，就认为实现了稳定，一般ΔT=10℃。浸泡时间是为了保证钎料发生蠕变。通过分析我们发现温度持续时间3h可以达到要求。极限温度持续时间选择为3h。④温度循环次数选择准则GJB1032中规定不管筛选产品复杂程度和施加应力的大小，任何产品都规定同一个筛选时间，总时间为80～120h。这一时间能基本保证所有组装级产品筛选后都去掉其早期故障。对于单元和系统来说，这一时间相当于20～30个循环。若总时间选择80小时，则循环次数80/(3*2+80/10*1/60)=13.04。选择循环次数10次。⑤筛选度的确定图4各种环境应力筛选的效果比较图表1某公司情况技术广角47200806上述温度极值、温度变化速率、温度循环次数确定后，筛选度可通过以下公式计算得到：上式中R=80;V=5;N=10。筛选度为86.74%。总计试验时间为65小时。温度循环曲线如图5：⑥试验设备：采用温度变化速率可达到5℃/min的高低温试验箱。⑦设备状态确定准则从提高筛选效果出发，筛选中应尽量通电并进行性能检测，这是因为电应力本身能将受筛产品中某些缺陷加速发展成故障；另一方面，筛选出的故障中，有50%左右的故障是在环境应力下才能发现的间歇故障，必须在筛选环境应力作用下通过通电检测才能找出来。一般，降温阶段不进行通电，因为通电会使产品发热，会影响产品温度变化速率。在温度循环筛选中，应尽量增加性能检测次数，以及时发现故障和进行修复，节省筛选时间。结合实际情况，要求每2个循环进行一次通电检查。（在高温结束阶段检查）3.7恒定高温筛选方案筛选原理：有严重缺陷的电子元器件处于非平衡态，这是一种不稳定态，由非平衡态向平衡态的过渡过程既是诱发有严重缺陷产品失效的过程，也是促使产品从非稳定态向稳定态的过渡过程。这种过渡一般情况下是物理变化。高温应力的目的是为了缩短这种变化的时间。电子元器件在高温环境中，其冷却条件恶化，散热困难，使器件的电参数发生明显变化或绝缘性能下降。如：在高温条件下，存在于半导体器件芯片表面及管壳内的杂质加速反应，促使沾污严重的产品加速退化。此外，高温条件对芯片的体内缺陷、硅氧华层和铝膜中的缺陷，以及不良的装片、键和工艺等也有一定的检验效果。①基本参数：上限温度（TU）、恒温时间（T）②筛选机理：通过提供额外的热作用，迫使缺陷发展。③筛选方法：使产品在规定的高温下连续不断地工作，以迫使早期故障的出现。④温度上限的选定准则：选择温度极值的关键是给硬件施加适当的应力以析出缺陷而又不破坏好的产品。即应考虑存储温度又要考虑电子元器件的最高工作温度。参考温度循环中所列的元器件的存储温度和最高工作温度列表，现将本次筛选方案的上限温度参数设定为60℃⑤恒温时间的选定准则：受筛产品在温度箱中停留时间包括元器件（零部件）温度达到稳定所需要时间和在温度极值下浸泡所需要的时间。温度达到稳定的时间是当受筛产品中响应最慢的部分的温度与最终温度之差在