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电话：87236376传真：87237185邮编：510610地址：广州市天河区东莞庄路110号信息产业部电子第五研究所元器件可靠性研究分析中心授课：冯敬东老化、环境及可靠性试验21.1概述产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力，就叫做电子产品的可靠性。可靠性试验是为产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。可靠性试验目的：(a)发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷。(b)为改善产品完好性、减少维修费用及保障费用提供信息。(c)确认是否符合可靠性定量要求。(c)评价产品的使用寿命。一、可靠性试验及目的31.1概述10℃规则：当讨论产品在不同环境下的使用寿命时,一般采用“θ℃规则”的表达方式。具体应用时可以表达为“10℃规则”，即当周围环境温度上升10℃时，产品寿命就会减少一半；当周围环境温度上升20℃时，产品寿命就会减少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响产品寿命（失效）的。二、基本知识和术语41.1概述二、基本知识和术语浴盆曲线：通常将电子元件和设备失效率数值连接成曲线后就会得出所示的“浴盆曲线”。此图表明半导体元器件与电子器件失效曲线是随着操作时间变化而变化。产品不同阶段失效原因可以用右边表格说明失效时期早期失效期随机失效期退化失效期常见失效机理和原因●不够完善的生产●存在缺陷的材料●不合适的环境●不够完善的设计●外部振动●使用人员误用●环境条件的变化波动●不良抗压性能●氧化●疲劳老化●性能退化●腐蚀5第一章可靠性概论可靠性工作的技术内容1.可靠性技术是研究如何评价、分析和提高产品可靠性的一门综合性的学科。2.可靠性工作的技术内容包括：可靠性系统分析、可靠性设计、可靠性生产、可靠性维护、可靠性失效分析、可靠性数据收集处理和交换技术、可靠性试验、6第二章可靠性试验的分类可靠性试验分类•可靠性试验对于不同的应用有不同的分类方法•试验目的分类、试验场地分类、试验方法分类是常用的3种分类方法•一般工程和系统人员大部分采用第一种按试验目的分类•元器件采用第三种按试验方法分类7第二章可靠性试验的分类（1）可靠性试验按试验目的可分为工程试验与统计试验两大类可靠性试验工程试验统计试验环境应力筛选可靠性增长可靠性鉴定可靠性验收试验目的分类8第二章可靠性试验的分类（1）•工程试验的内容：包括筛选试验和可靠性增长试验。•工程试验的目的：暴露产品设计、工艺、元器件、原材料的可靠性缺陷，对产品的故障原因进行分析并采取有效的针对性纠正措施加以排除。•工程试验由承制方进行，以研制样机为受试产品工程试验9第二章可靠性试验的分类（1）筛选试验•筛选试验的内容：常规条件筛选试验、老化筛选试验和环境应力筛选试验（包括机械应力、电应力、热应力、严寒等）。美军方试验方法•筛选试验的目的：通过检验剔除不合格的或有可能早期失效的产品，消除在早期失效期发生的产品缺陷及不良问题，提高产品的可靠性。•筛选试验的方法：规定条件下的目视检查、功能测量、参数检测、密封性检查等。10第二章可靠性试验的分类（1）可靠性增长试验•可靠性增长试验的定义：通过试验逐步改正产品设计和制造中的缺陷，不断提高产品可靠性的过程。•可靠性增长试验的特点：a.针对产品的薄弱环节进行b.改进后产品原来的薄弱环节不重现或出现率低于允许的水平c.验证条件与原故障发生的条件一致或更严酷•可靠性增长试验的过程：（再）设计故障发生11第二章可靠性试验的分类（1）•统计试验的内容：可靠性鉴定试验和可靠性验收试验，还有一种目的不在验收与否的试验可靠性测定试验，是研制方对自身产品当前达到的可靠性水平的信息获取。•统计试验的目的：验证产品是否达到规定的可靠性标准，统计试验12第二章可靠性试验的分类（1）鉴定试验可靠性鉴定试验的目的是为了验证产品的可靠性，确定产品可靠性与设计要求可靠性的一致性，而不是在于暴露产品的可靠性缺陷，同时鉴定试验在很大程度上可作为产品定型试验。可靠性鉴定试验方案和试验内容主要是由承制方制定。13第二章可靠性试验的分类（1）验收试验验收试验的目的：是确定产品是否符合规定的可靠性要求验收试验对产品的要求：用已交付产品或可交付的产品。验收试验的前期工作：在系统或设备的可靠性验收试验开始以前，必须对元器件、零部件及设备完成环境试验（包括冲击、振动、离心、温度、湿度、沙劣、盐雾、核梅射、电磁干扰等等），和单项试验（抗静电试验、电磁辐射、安全性试验），容许的边缘环境条件考核产品。14第二章可靠性试验的分类（2）可靠性试验按试验场地分可以是试验室试验也可以是使用现场试验•实验室试验：在试验室内模拟实际使用条件或在规定的工作及环境条件下进行的试验。•使用现场试验：原则上现场试验最能忠实地反映产品的实际可靠性水平。只需做好统计，不用另外找样品做试验。试验场地分类15从广义上来说，凡属与可靠性有关的试验都属于可靠性试验。例如，筛选试验、质量认证试验、产品的交收验收试验、产品的质量检验等等。本节可靠性试验分类，指专门用来评价产品可靠性特征量或用来确定产品失效模式而作的各类试验。试验主要有寿命试验、评价鉴定试验、环境适应性试验等。第二章可靠性试验的分类（3）试验方法分类16第二章可靠性试验的分类（3）寿命试验（耐久性试验)：寿命试验为了评价分析产品在规定使用和维护条件下的使用寿命而进行的一种试验。用于调查分析何时出现电子元器件和机械零件的摩耗和使用寿命的问题，使用寿命的故障分布函数呈什么样的形状；以及分析失效率上升的原因。专门用来评价产品可靠性特征量或用来确定产品失效模式而进行的一种试验。试验内容包括：•贮存寿命试验•工作寿命试验•加速寿命试验寿命试验17第二章可靠性试验的分类（3）序进应力加速寿命试验长期工作贮存评价鉴定试验环境适应性试验设备MTBF试验元器件失效率试验常规加速人工模拟现场使用试验天然暴露试验非截尾截尾定时定数恒定应力步进应力试验分类图18在失效率试验和验收试验中常采用截尾试验和非试尾试验•试验一直进行到全部试验样品都失效才截止的试验，称为非截尾试验;•试验进行到规定的时间就截止的试验，称为定时截尾试验，试验进行到规定失效数就截止的试验，称为定数截尾试验。•根据试验过程中失效样品是否可以替换的情况，还可分为有替换试验和无替换试验截尾和非截尾试验第二章可靠性试验的分类（3）19比对试验：1。选择同种产品中可靠性最好的2。选择同种产品中技术指标最好的3。选择同种产品中某项技术指标最好的4。选择几个生产批次中最好的对产品优劣的评价必需综合考虑，在比对试验中为了尽快地出结果，可以考虑加速试验方法。第二章可靠性试验的分类（3）生产中常用的试验20型式试验（验证试验、定型试验）型式试验在产品研制和开发阶段同步或后期进行，试验目的是考核研制的产品在满足技术指标情况下对各种环境条件的适应性。为生产的产品取得相应质量许可作准备。第二章可靠性试验的分类生产中常用的试验阶段材料和内容常用的环境条件开发阶段元件、器件高温、低温集成电路高温、静电连接器高温、低温、温度冲击、湿热PCB板湿热、湿热加电、气体腐蚀生产阶段焊接材料温度冲击、机械振动树脂材料高温、温度冲击器件、集成电路静电防护成品环境适应性高温、低温、温度冲击、湿热老化高温加电耐久性高温＋时间21其他试验（在实际工作中常发生）在用户的使用中往往会提出比某一项原定技术指标更高要求的使用条件，因此必须进行超额使用的试验。例如230℃、10秒的耐焊接热元器件，能否在260℃、6秒的条件下使用生产中常用的试验第二章可靠性试验的分类22第三章可靠性试验可靠性试验的要素1.试验条件：可靠性试验的条件既要考虑到受试产品的固有特性，还要考虑到影响受试产品故障出现的其他因素。在选定产品可靠性试验的条件时，应考虑下述内容:(a)要求或进行可靠性试验的基本理由；(b)预期产品使用条件的变化；(c)使用条件中的不同应力因素引起产品故障的可能性；(d)不同试验条件下需要的试验费用；(e)可供可靠性试验用的试验设备；(f)可供试验用的时间；(g)预计的不同试验条件下的产品可靠性特征值。232.故障判据对于产品的每一个需要监测的参数应规定它的容差限。由于测量错误或外部测试设备出故障而产的故障现象不能认为是受试产品的故障。如果出现两个或更多的独立故障原因，则每一个故障原因都认为是受试产品的一个故障。对产品施加了超出其规定忍受能力范围的应力而造成的故障称为误用故障，属非关联故障。关联故障和非关联故障与产品可靠性鉴定或验收试验的关系。第三章可靠性试验可靠性试验的要素243.1可靠性试验的基本原则可靠性测定试验、验证试验、增长试验的环境条件应尽可能反映产品在现场使用与任务环境的特征投人可靠性试验的受试产品应该已经过筛选、老炼，排除了产品早期故障，应该己经通过环境适应性试验。因此，环境适应性试验和应力筛选应排在可靠性试验之前。在进行可靠性试验之前应该取得试验设备、仪器、仪表工作符合规定要求的报告。第三章可靠性试验可靠性试验的基本原则25第三章可靠性试验3.2可靠性试验的综合安排•试验计划的安排应该尽可能把可靠性试验、性能试验、环境试验和耐久性试验结合起来，构成一个比较全面的可靠性的综合试验计划•产品的性能测试一般在产品的样机生产出来之后就立即进行。产品的性能特性参数有规定的容许限。如果性能特性参数落入容许限，产品的性能是合格的•在试验前、试验中、试验后，都应进行产品性能测试，并记录试验前、中、后的技术参数。•先进行产品的筛选、老炼，排除产品的早期故障，使产品的故障率趋于稳定，这样在可靠性试验中可反映出产品的固有可靠性，而不是暴露产品的早期故障。可靠性试验的综合安排26筛选的定义：采用非破坏性应力检查所有产品消除隐患.筛选的作用：在生产期间排除良好设计的产品在制造过程中引入缺陷的工艺手段。筛选的适用范围：包括产品研制阶段（工程设计人员）、批生产阶段和出厂前筛选的特点：环境应力筛选是一种工艺，而不是一种试验。筛选是100％对产品进行筛选的目的：是迫使存在于产品中的会变成早期故障的缺陷提前变成故障参照标准：国军标GJB1032“电子产品环境应力筛选方法”第四章筛选试验环境应力筛选定义及其说明27筛选试验可以在元件、器件、连接器等产品或整机系统中进行，根据要求不同可以有不同的应力筛选试验，环境应力筛选的主要试验为：电应力筛选：加电工作试验、加电加负荷试验温度应力筛选：高温、低温、高温工作或低温工作环境应力筛选：温度变化机械应力筛选：冲击或振动其他筛选：参数筛选、一致性筛选筛选试验也可分为普通筛选（一次筛选）、精密筛选（二次筛选）第四章筛选试验环境应力筛选定义及其说明28不存在一个通用的，对所有产品都具有最佳效果的筛选方法，筛选是一个动态的闭环过程，生产早期确定的筛选方法同样需要进行改变。一个良好的环境应力筛选具备以下特性:（a)能够很快析出潜在缺陷，包括能析出适当数量的固有(设计)缺陷；(b)不会引起不适当的设计故障，诱发附加的故障，消耗受筛产品寿命。(c)不应对制造过程控制增加不适当限制。筛选试验也分为:普通筛选（一次筛选）、精密筛选（二次筛选）第四章筛选试验环境应力筛选的特性29第四章筛选试验温度变化筛选与温度变化相比，不管温度幅度多大，恒定高温筛选效果远低于温度变化。温度变化诸参数中，对筛选效果最有影响的是温度变化范围R、温度变化速率V以及循环次数N。提高温度变化范围和变化速率能加强产品的热胀冷缩程度和缩短这一过程的时间30第四章筛选试验进行扫频正弦振动时，其频率在给定频段内慢速变化，因而能在每个谐振频率上持续一段时间，使激发缺陷的能力有所加强，但陷藏较深的缺陷仍不易暴露。进行随机振动时，所有谐振频率在整个振动时间内同时受激励，激发能力大大加强。可见在振动筛选中，随机振动是最有效的，其次为扫频正弦振动。各种振动方式激发故障的曲线图。机械振动筛选31(a)环境应力筛选不应改变产品失效机理；(b)由于筛选的目的是剔除早期故障，因此不必准确模拟产品真实的环境条件；(c)筛选可以提高批产品的可靠性水平，但它不能提高产品的固有可靠性，只有改进设计、工艺