电子元件的可靠性与可靠性试验

2020-05-25

老化测试.jpg

为什么有基本性能，还要评价可靠性？

为什么一批产品基本性能都经测试合格,用一段时间后先会坏掉一部分?
为什么同一型号规格产品,基本性能值更高的,有时反而出现更多的坏品?
......
那是因为基本性能并没有反映质量的全部,产品还有一个固有属性—可靠性!
可靠性表示产品连续稳定工作的能力。产品基本性能直观表征静态质量合格与否，还不能反映产品质量的全貌、稳定性。

电子元件的基本性能指标高，其可靠性不一定高。如果产品可靠性低，即使其初始技术性能再好也得不到发挥。
例如，陶瓷贴片电容器的介质击穿电压较高的产品，很可能在高温负载加速寿命试验中失效率较高。
可靠性可以综合反映产品的质量。电子元件的可靠性是电子设备可靠性的基础，要提高设备或系统的可靠性必须提高电子元件的可靠性。

可靠性是电子元件重要质量指标，须加以考核和检验。

可靠性的科学定义：
元件、产品或系统在规定条件、规定时间，完成规定功能的能力称为可靠性。


规定条件
工作条件：电压、电流、功率
环境条件：温度、湿度、气压


同一规格元器件，工作环境条件不同，其可靠性不同。工作负荷重、环境恶劣条件下，产品可靠性下降，损坏概率上升。
规定时间
产品可靠性随使用/存贮时间的延长而降低，无故障工作时间越长，表示产品可靠性越高。
谈及可靠性必须有时间长度（或使用次数），离开时间的可靠性无意义。
规定功能
“功能”就是产品的技术指标、技术要求。是正常工作的性能指标。

如何描述可靠性高低水平？
别人问你工厂制造的产品可靠性如何,该怎样回答？
是的,大家都可以说自家产品可靠性很高，但是多高呢？！

其实,产品的可靠性是可以量化描述，可靠性量化指标使用的是统计概率意义上的数据。
对电子元件描述可靠性高低主要特征量有：可靠度、失概率、寿命。

可靠度R（t）
电子元件在规定条件和规定时间内，完成规定功能的概率称为可靠度。

r(t)：工作到t时刻失效数；
N0 : 试验产品总数；
例：投入10000只75KΩ的电阻器，以天为计量单位，使用一年后（365天）时，发现3只电阻器坏了，则一年的可靠度 :
R(365)=(10000-3)/10000=0.9997
失效率λ(t)
产品在t时刻后的单位时间内发生失效的概率。
Nt：t时刻性能正常产品数；
△ t：监测的时间间隔；
△r(t)：监测的时间间隔△t内失效产品数。
失效率的单位通常有三种表示方法：
1/h   , %/1000h , Fit（非特）
1Fit=10-9/h，每1000个产品工作1百万小时之后，只有一个失效。电子元件失效率较低，常以Fit（非特）为单位。
例：投入1000000只贴片电容，使用1000小时后，发现3只电容器坏了，则失效率为:
λ(t)=3/(1000000*1000)=3*10-9/h=3Fit
寿 命
平均寿命MTTF
产品使用时失效时间的平均值，对电子元件因其寿命服从指数分布，所以MTTF=1/λ。


储存寿命
对某些电子元件，如液态电解电容器，即使在不工作的状态下，其功能和可靠性也会随时间的延长而下降，因此对这类产品储存寿命是一个重要的指标。

电子元件的失效服从指数分布，失效率为常数，可靠度与失效率的关系为:
R(t)=e-λ(t)
我国有可靠性指标电子元件按失效率大小分七级:


级别
符号
最大失效率
（1/h或1/10次）
亚五级
Y
3╳10-5
五   级
W
1╳10-5
六   级
L
1╳10-6
七   级
Q
1╳10-7
八   级
B
1╳10-8
九   级
J
1╳10-9
十   级
S
1╳10-10
注：当工作寿命按次数计算时，单位为1/10次, %/1000次, 1Fit
电子元件失效率试验所确定的失效率是基本失效率，是在产品技术标准条件下的失效率，不是产品实际使用条件下的失效率。

电子元件失效规律    
大量的使用和试验表明，电子产品失效与时间曲线的特征是两端高、中间低，呈浴盘状，如图，通常称为浴盘曲线。


早期失效
产品使用初期，失效率较高，并迅速下降。对电子元件这一阶段的失效主要是设计不当、材料缺陷、制造缺陷和安装不当引起的。在工作应力的作用很快会暴露出来。
偶然失效
产品使用一段时间后，失效率会降到一个较低的水平，基本处于平稳的状态，失效主要由偶然因素所造成。偶然失效期是产品主要工作的时期。
耗损失效
产品使用相当长的时间后，失效率迅速上升，这是产品老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等原因所引起的，是产品的寿命“终了”，称为耗损失效期。

对于实际电子产品，不一定都必须出现上述三个阶段。高质量等级产品的失效率曲线在其寿命期基本上是一条平稳的直线，而低劣产品可能存在大量的早期失效或很快进入耗损失效期。


如产品设计、生产工艺不合理，只出现早期失效期和耗损失效期，这是产品质量过于低劣。


提高系统（或产品或元器件）在整个寿命周期内可靠性的一门有关设计、分析、试验的工程技术。可靠性试验是可靠性工程的重要组成部分。

可靠性试验                    
为了评价分析电子产品可靠性而进行的试验称为可靠性试验。可靠性试验可以测算产品可靠性指标，分析产品的失效原因。
可靠性试验与例行测量测试的区别：
例行测量：用仪器直接测量，判定性能参数是否满足出厂指标。
可靠性试验：用统计方法作定量分析，得出可靠性指标，不能直接测读出来。
可靠性试验时，对受试样品施加一定的应力，并监测应力作用下的样品性能的变化，判断产品是否失效。
[应力]对产品的功能有影响和各种因素，包括电压、电流、机械力和环境等。

可靠性试验分类：
按试验地点和试验方式分：
    现场试验：工作现场测量
    模拟试验：模拟实际工作状态的试验
    实验室进行的试验多属模拟试验。
按试验项目分类:
通常惯用的分类法，是把它归纳为四大类:
A. 环境试验
B. 寿命试验
C. 特殊试验
D. 现场使用试验
环境试验
测试产品对环境条件的适应能力，环境条件主要包括以下：

气候条件：温度、湿度、气压、潮热、盐雾
机械条件：振动、冲击、离心
辐射条件：电场、磁场、电磁场、各种射线
生物条件：霉菌
电气条件：雷击、电晕放电
人为因素：运输、使用、维护
电子产品依据工作环境，选择显著影响可靠性项目条件（单一或组合）进行环境试验。
对电子元件常用的环境试验项目有：
气候试验：密封性试验、温度循环试验、热冲击试验、气压试验、潮热试验、盐雾试验。
机械试验：振动、冲击、离心、碰撞、跌落等
寿命试验
为测定电子元件在工作或贮存下寿命的长短所做的试验。
将一定数量的产品放在特定的试验条件下，记录样品的失效时间，并进行统计分析，评估可靠性数量特征。
对于大部分电子产品，寿命是最主要的一个可靠性特征量。因此，对电子元件，可靠性试验往往指的就是寿命试验。
长期寿命试验：1000小时以上的试验时间
长期贮存寿命试验：元件放在一定条件下（不放加电应力）贮存，以确定贮存寿命和失效率。试验时间3年左右，有的达10年。失效率低。
长期工作寿命：产品置于一定的工作条件下进行工作，确定正常使用状态下的寿命和失效率。累积失效率40%左右即可进行统计分析可靠性指标。
加速寿命试验
长期寿命耗时耗力，通讯卫星用元器件工作寿命要求>5年，海底电缆增益晶体管工作寿命要求>20年！为了缩短试验周期、减少样品数量和试验费用，常常采用加速寿命试验，在不改变失效机理前提下，提高应力，使元件加速失效，在较短的时间内取得失效率寿命数据，推算正常状态应力条件下的可靠性特征量。
加速应力可以是电气的、机械的、物理化学的，或它们的综合。
一般以高于正常用应力的固定恒定应力进行试验，本试验方法简单，普遍使用。

特殊试验
用特殊的设备或仪器进行试验或检查。
在可靠性筛选试验中使用较多，主要用于非破坏试验和失效样品分析。
红外热谱检测：检测电子元件存在的杂质缺陷。这些弱点产生局部过热，红外探测可分辩。
现场使用试验
对模拟试验正确与否加以证实和检验。
可靠性筛选试验                                     
采用外加应力将电子元件成品中潜在的早期失效产品剔除，从而分选出具有高可靠性产品的试验称为可靠性筛选试验。
外加应力可以是热应力、电应力、机械应力或者几种应力的组合。
普通筛选：剔除低劣品
精密筛选：在普通筛选的基础上进行二次筛选，剔除参数漂移大的产品，得到可靠性特别高的产品。

可靠性筛选试验方法
根据筛选性质和应力或工具不同，大致分为：
检查筛选：目视或显微镜检查筛选
              红外线、 X射线非破坏检查筛选
                超声波非破坏检查筛选
               测量特性值检查筛选
致密性筛选：湿度试验筛选
环境应力筛选：振动加速度、冲击加速度
温度循环、热冲击
寿命筛选 ：高温存储、功率老化

筛选项目和筛选应力确定的原则
1、必须针对元件的质量、使用环境、工作状态等确定筛选条件。
2、要有大量的可靠性摸底试验数据或现场使用数据资料，确定与失效机理相应的筛选项目、应力和时间。
3、筛选方法对无缺陷品应是一种非破坏试验。
4、筛选参数据电子元件种类而不同
筛选应力大小及筛选时间的确定
应力强度过大过小，时间过长或过短均带来不好的结果，筛选应力大小和作用时间的选取原则是：
①针对产品的主要失效机理确定；
②所用的应力不破坏良好的产品，快速暴露有缺陷的产品；
③根据用途、成本、批量大小和设备等条件统一考虑，力求最佳的经济效果；
④充分调查，收集数据，掌握产品的失效分布和失效机理，才能确定合理的筛选项目。
具体筛选应力上限和筛选时间，须根据大量的可靠性摸底试验数据确定。

筛选方法的评价
理想的筛选结果是次品数全部剔除，好品没被剔除。
评价方法
筛选淘汰率Q
Q=筛选剔除数/筛选总数*100%
国外高可靠性产品的技术标准中，一般都规定了筛选淘汰率的上限值，如美国军用标准中规定了各种元器件的筛选淘汰率：
纸介电容器5%
云母电容器8%
陶瓷电容器5%
碳膜和金属膜电阻器为3%
筛选效率
η=剔除产品失效数/总失效数=r/R
比值越大，早期失效产品被剔除得越多，筛选方法越好
筛选效果
β=（λ－λ＇）\ λ*100%
表征筛选前后,失效率下降的相对幅度
可靠性筛选花费的时间和费用都是很大的，但对于新型电子元件和要求可靠性极高的电子元件，可靠性筛选意义重大。特别是空间技术和军事工业上用的电子元件均经过严格科学的流程进行可靠性筛选。


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