环境应力筛选试验

产品的可靠性取决于产品的可靠性设计。但是，在产品的制造过程中，由于人为因素或原材料、元器件、工艺条件和设备条件的波动影响，最终制造出来的产品不可能全都达到预期的固有可靠性水平。即产品在制造过程中遗留下来的各种潜在的缺陷使得产品出现早期失效。可靠性筛选试验的目的是通过建立和实施环境应力筛选程序，发现和排除由于不良零部件、元器件，工艺缺陷和其他原因所造成的早期失效。

通过在可靠性筛选试验中施加各种有效的应力，剔除产品的早期失效，剩下的产品的平均寿命比筛选前所有产品的平均寿命要高。但这并不意味着可靠性筛选试验可以提高产品的固有可靠性。因为产品的各种可能的故障机理在产品生产出来后就已经定型了。然而，可靠性筛选试验确实可以提高产品的使用可靠性。在正常情况下，筛选可以使产品的失效率降低半个或一个数量级，有时甚至可以达到两个数量级。

1）环境应力筛选试验分类

按筛选的性质分，环境应力筛选试验可以分为：

（1）检查性筛选：显微检查筛选，红外线无损检查筛选或射线无损检查筛选。

（2）密封性筛选：浸液检漏筛选，氦质谱检漏筛选，放射性示踪检漏筛选，湿度试验筛选。

（3）环境应力筛选：冲击、振动、离心加速度筛选，温度冲击筛选。

按生产过程分，环境应力筛选试验可以分为：

（1）生产线工艺筛选。

（2）成品筛选。

（3）装调筛选（即用模拟整机使用状态的筛选装置进行动态筛选）。

按筛选的复杂程度分，环境应力筛选试验又可分为：

（1）分布截尾筛选，即对产品的参数性能进行分选。

（2）应力强度筛选，即对产品施加一定强度的应力后进行测量分选。

（3）线性鉴别筛选。类似于老化筛选，但是要运用数理统计技术进行判别。

（4）精密筛选，即在接近产品的使用条件下进行长期老化，并多次精确地测量参数变化量进行挑选和预测。

2）筛选方法

具体的筛选方法有许多，各种方法有其独有的特征和功用。常用的筛选方法及其效果为：

（1）高温储存。电子元器件的失效大多是由于体内和表面的各种物理、化学变化而引起的，与温度有着密切的联系。温度升高以后，化学反应速度大大加快，失效过程也随之加快。这使得有缺陷的元器件能及时暴露出来，并能及时被剔除。高温筛选现已广泛地应用于电子元器件的筛选上，它能有效地剔除表面有沾污、接合不良或氧化层有缺陷的元器件。它简单易行，费用不大，而且通过高温储存可以使元器件的参数性能稳定下来。

（2）功率老化。功率老化又称电老化或电老炼。筛选时在热电应力的共同作用下能较好地暴露元器件表面和体内的潜在缺陷，因而，它是可靠性筛选的主要项目。但是，功率老化需要专门的试验设备，费用较高，故筛选时间不宜过长。

（3）温度循环。产品在使用过程中往往会遇到许多不同的温度条件。在温度条件发生变化时，由于热胀冷缩的影响，内部热匹配性能不好的元器件将会产生失效。温度循环筛选利用了极端高温和极端低温间的热胀冷缩应力，能有效地剔除含有热性能缺陷的产品。温度变化范围应大于产品实际使用的环境温度变化范围，循环次数一般在5～10次。

（4）离心加速度试验。离心加速度试验又称恒定加速度试验。当试件高速旋转时，作用于试件上的离心力可以帮助剔除接合强度过弱、内引线匹配不良以及装配不良的产品。

（5）粗细检漏。粗细检漏又称气密性试验，通常在半导体器件和其他有气密性要求的产品上进行，用以剔除气密性不好的产品，以保证产品在长期使用中的可靠性。粗检漏通常用氟碳化合物气泡法，不加压时检漏灵敏度为10-3atm·cm3/s。加压时检漏灵敏度为10-5atm·cm3/s。细检漏可以用氦质谱仪法或放射性示踪元素法，氦质谱仪的检漏灵敏度为10-5atm·cm3/s。放射性示踪元素法的检漏灵敏度还可以提高几个数量级，但要解决完全防护问题。

（6）镜检。产品在封装以前用显微镜检查称为镜检，对于半导体元器件来说，这是一项重要的无损探伤手段。通过镜检可以发现除体内缺陷以外几乎所有的工艺过程中的潜在缺陷，包括管芯中异物、键合缺陷、组装缺陷、氧化光刻缺陷和金属氧化层缺陷等。

（7）监控振动和冲击试验。在对产品进行冲击振动试验的同时监督电性能称为监控振动试验或监控冲击试验。这项试验能模拟产品使用过程中的振动、冲击环境，有效地剔除瞬时短路、断路等机械不良的元器件以及整机中的虚焊等故障。在高可靠性继电器和接插件中是一项重要的筛选项目。

（8）精密筛选。精密筛选试验技术是在研制海缆系统增音机用高可靠晶体管中发展起来的一项新的筛选技术。通过精密筛选可以保证元器件在20年连续工作中参数漂移不超过规定的指标。精密筛选通常在略高于现场使用条件的应力条件下进行3000～5000h的电老化，周期较长，且需要专门的仪器设备，因而费用昂贵。

理想的筛选方案应能不错地筛选一个产品，即不应将本来是合格的产品误认为是有早期失效缺陷的产品，也不应将早期失效产品误认为是合格产品。评价筛选效果的参数是筛选效果系数β，为

式中：λN是筛选前产品失效率；λA是筛选后产品失效率。

β越大，说明筛选效果越好。

3）环境应力筛选试验注意事项

在进行环境应力筛选试验时应该注意以下几点：

（1）筛选试验是一项百分之百的检验程序。在筛选之前，产品的参数性能一般都是合格的，只有在对产品施加了某种（或多种）应力或采用了特殊的检查方法之后，才能发现并剔除有隐患的早期失效产品。

（2）环境应力筛选试验的设计应能使之激发出由于设计、制造的某些缺陷而产生的潜在故障。所施加的环境应力不必完全模拟产品规定的寿命周期剖面、任务剖面和环境剖面，但必须模拟在规定条件下的各种工作模式。

（3）筛选试验可以视具体情况使用各种环境应力，如热冲击、温度循环、机械冲击、随机振动和离心加速度等。但在一般情况下，若订购方没有特殊要求，则主要使用随机振动和温度循环两种应力。

（4）筛选试验不应充当验收试验。对提交的有可靠性指标的设备和元器件，在筛选试验中发生的故障不能作为接收和拒收产品的判决依据，但要作记录分析，必要时应采取适当的修复措施将产品恢复到发生故障前的状态。

（5）如果希望在订购合同中对环境应力筛选试验有所要求，则可按实际情况考虑以下内容：①试验程序。②环境应力类型。③应力剖面选择。④试验时间或循环次数。⑤振动试验中的安装要求及每个方位的振动时间。⑥环境应力筛选前后及进行过程中对性能测量的要求。⑦对交付数据的要求等等。

下面是一个电子设备的可靠性筛选试验的例子。电子设备的筛选一般采用温度变化加振动循环的方法。本产品的筛选方案如图14-2所示。

图14-2 某电子设备的环境应力筛选方案

温度：高温 +49～+74℃；

一般 +55℃；

低温 0～-55℃；

一般 -54℃。

温度变化率为0.5～22℃/min，变化率越大筛选效果越好。

振动：若仅一个方向，则10min。

若不止一个方向，则每个方向5min。

应力方式：可以是正弦定额或正弦扫描，但随机振动效果好。

循环次数：设备不同，循环次数也不同。表14- 1列出了各种复杂设备所需的循环次数。

表14-1 不同设备的筛选试验所需循环次数