一、加速壽命試驗(yàn)概述

　　加速壽命試驗(yàn)，是指在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)在超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的可靠性信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到試件在額定應(yīng)力水平下可靠性特征的可復(fù)現(xiàn)的數(shù)值估計(jì)的一種試驗(yàn)方法。加速壽命試驗(yàn)采用加速應(yīng)力進(jìn)行試件的壽命試驗(yàn)，從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本，其研究使高可靠長壽命產(chǎn)品的可靠性評(píng)定成為可能。按照試驗(yàn)應(yīng)力的加載方式，加速壽命試驗(yàn)通常分為恒定應(yīng)力試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。

　　進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)必須確定一系列的參數(shù)，包括（但不限于）： 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、樣本數(shù)量、試驗(yàn)?zāi)康摹⒁蟮闹眯哦取⑿枨蟮木取①M(fèi)用、加速因子、外場環(huán)境、試驗(yàn)環(huán)境、加速因子計(jì)算、威布爾分布斜率或β參數(shù)（β 《 1表示早期故障，β 》 1 表示耗損故障） 。用加速壽命試驗(yàn)方法確定產(chǎn)品壽命，關(guān)鍵是確定加速因子，而有時(shí)這是最困難的。

　　二、加速壽命試驗(yàn)類型

　　1、恒定應(yīng)力試驗(yàn)（Constant-Stress Testing： CST）

　　其特點(diǎn)是對(duì)產(chǎn)品施加的“負(fù)荷”的水平保持不變，其水平高于產(chǎn)品在正常條件下所接受的“負(fù)荷”的水平。試驗(yàn)是將產(chǎn)品分成若干個(gè)組后同時(shí)進(jìn)行，每一組可相應(yīng)的有不同的“負(fù)荷”水平，直到各組產(chǎn)品都有一定數(shù)量的產(chǎn)品失效時(shí)為止。恒定應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力加載時(shí)間歷程見圖中的（a），優(yōu)點(diǎn)是模型成熟、試驗(yàn)簡單、易成功，缺點(diǎn)是試驗(yàn)所需試樣多，試驗(yàn)時(shí)間較長。這種試驗(yàn)應(yīng)用最廣。

　　2、步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)（Step-Up-Stress Testing： SUST）

　　此試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品所施加的“負(fù)荷”是在不同的時(shí)間段施加不同水平的“負(fù)荷”，其水平是階梯上升的。在每一時(shí)間段上的“負(fù)荷”水平，都高于正常條件下的“負(fù)荷”水平。因此，在每一時(shí)間段上都會(huì)有某些產(chǎn)品失效，未失效的產(chǎn)品則繼續(xù)承受下一個(gè)時(shí)間段上更高一級(jí)水平下的試驗(yàn)，如此繼續(xù)下去，直到在最高應(yīng)力水平下也檢測到足夠失效數(shù)（或者達(dá)到一定的試驗(yàn)時(shí)間）時(shí)為止。步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力加載時(shí)間歷程見圖 中的（b），優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)所需試樣較少，加速效率相對(duì)較高，缺點(diǎn)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析難度大。

　　3、序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)（Progressive Stress Testing： PST）

　　序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)方法與步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)基本相似，區(qū)別在于序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)加載的應(yīng)力水平隨時(shí)間連續(xù)上升。圖 中的（c）表示了序進(jìn)應(yīng)力加載最簡單的情形，即試驗(yàn)應(yīng)力隨時(shí)間呈直線上升的加載歷程。序加試驗(yàn)的特點(diǎn)是應(yīng)力變化快，失效也快，因此序加試驗(yàn)需要專用設(shè)備跟蹤和記錄產(chǎn)品失效。這種試驗(yàn)方法優(yōu)點(diǎn)是效率最高，缺點(diǎn)是需要專門的裝置產(chǎn)生符合要求的加速應(yīng)力，相關(guān)研究和應(yīng)用較少。

　　三、進(jìn)行試驗(yàn)的條件

　　若加速壽命與實(shí)用壽命的失效模式相同，即可運(yùn)用加速壽命試驗(yàn)。但實(shí)際上，有時(shí)失效模式相同，失效機(jī)構(gòu)（Mechanism）卻不同，或即使失效機(jī)構(gòu)亦相同，但失效判定條件或使用條件變動(dòng)的話，加速性就變化。在長期的研發(fā)改進(jìn)過程中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)或制造方法都可能發(fā)生變化，顧客的使用條件方可能發(fā)生變化;或是以規(guī)定的技術(shù)方法所生產(chǎn)的產(chǎn)品，也因存在無法控制的因素影響，造成失效機(jī)構(gòu)的改變，這些都可能造成無法利用加速壽命試驗(yàn)。

　　四、壽命試驗(yàn)常見的物理模型

　　1、失效率模型

　　失效率模型是將失效率曲線劃分為早期失效、隨機(jī)失效和磨損失效三個(gè)階段，并將每個(gè)階段的產(chǎn)品失效機(jī)理與其失效率相聯(lián)系起來，形成浴盆曲線。該模型的主要應(yīng)用表現(xiàn)為通過環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，剔除早期失效的產(chǎn)品，提高出廠產(chǎn)品的可靠性。

　　失效率模型圖示：

　　2、應(yīng)力與強(qiáng)度模型

　　該模型研究實(shí)際環(huán)境應(yīng)力與產(chǎn)品所能承受的強(qiáng)度的關(guān)系。

　　應(yīng)力與強(qiáng)度均為隨機(jī)變量，因此，產(chǎn)品的失效與否將決定于應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布。隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)品的強(qiáng)度分布將逐漸發(fā)生變化，如果應(yīng)力分布與強(qiáng)度分布一旦發(fā)生了干預(yù)，產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)失效。因此，研究應(yīng)力與強(qiáng)度模型對(duì)了解產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力是很重要的。

　　3、最弱鏈條模型

　　最弱鏈條模型是基于元器件的失效是發(fā)生在構(gòu)成元器件的諸因素中最薄弱的部位這一事實(shí)而提出來的。

　　該模型對(duì)于研究電子產(chǎn)品在高溫下發(fā)生的失效最為有效，因?yàn)檫@類失效正是由于元器件內(nèi)部潛在的微觀缺陷和污染，在經(jīng)過制造和使用后而逐漸顯露出來的。暴露最顯著、最迅速的地方，就是最薄弱的地方，也是最先失效的地方。

　　4、反應(yīng)速度模型

　　該模型認(rèn)為元器件的失效是由于微觀的分子與原子結(jié)構(gòu)發(fā)生了物理或化學(xué)的變化而引起的，從而導(dǎo)致在產(chǎn)品特性參數(shù)上的退化，當(dāng)這種退化超過了某一界限，就發(fā)生失效，主要模型有Arrhenius模型和Eyring模型等。

　　五、加速因子的計(jì)算

　　加速環(huán)境試驗(yàn)是一種激發(fā)試驗(yàn)，它通過強(qiáng)化的應(yīng)力環(huán)境來進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。加速環(huán)境試驗(yàn)的加速水平通常用加速因子來表示。加速因子的含義是指設(shè)備在正常工作應(yīng)力下的壽命與在加速環(huán)境下的壽命之比，通俗來講就是指一小時(shí)試驗(yàn)相當(dāng)于正常使用的時(shí)間。因此，加速因子的計(jì)算成為加速壽命試驗(yàn)的核心問題，也成為客戶最為關(guān)心的問題。加速因子的計(jì)算也是基于一定的物理模型的，因此下面分別說明常用應(yīng)力的加速因子的計(jì)算方法。

　　1、溫度加速因子

　　溫度的加速因子由Arrhenius 模型計(jì)算：

　　其中，Lnormal為正常應(yīng)力下的壽命，Lstress為高溫下的壽命，Tnormal為室溫絕對(duì)溫度，Tstress為高溫下的絕對(duì)溫度，Ea為失效反應(yīng)的活化能（eV），k為Boltzmann常數(shù)，8.62×10－5eV/K，實(shí)踐表明絕大多數(shù)電子元器件的失效符合Arrhenius 模型，表1給出了半導(dǎo)體元器件常見的失效反應(yīng)的活化能。

　　表1 半導(dǎo)體元器件常見失效類型的活化能
?

　　2、電壓加速因子

　　電壓的加速因子由Eyring模型計(jì)算：

　　其中，Vstress為加速試驗(yàn)電壓，Vnormal為正常工作電壓，β為電壓的加速率常數(shù)。

　　3、濕度加速因子

　　濕度的加速因子由Hallberg和Peck模型計(jì)算：

　　其中，RHstress為加速試驗(yàn)相對(duì)濕度，RHnormal為正常工作相對(duì)濕度，n為濕度的加速率常數(shù)，不同的失效類型對(duì)應(yīng)不同的值，一般介于2～3之間。

　　4、溫度變化加速因子

　　溫度變化的加速因子由Coffin－Mason公式計(jì)算：

　　其中，為加速試驗(yàn)下的溫度變化，為正常應(yīng)力下的溫度變化，為溫度變化的加速率常數(shù)，不同的失效類型對(duì)應(yīng)不同的值，一般介于4～8之間。

　　5、計(jì)算實(shí)例

　　例題：某種電子產(chǎn)品在室溫下使用，計(jì)劃在75*C、85%RH下做加速壽命測試，計(jì)算該加速試驗(yàn)的加速因子。

　　解析：

　　本試驗(yàn)涉及溫度和濕度兩種應(yīng)力，因此，分別計(jì)算各應(yīng)力的加速因子，然后相乘得到整個(gè)加速試驗(yàn)的加速因子。

　　其中，Ea為激活能（eV）， k為玻爾茲曼常數(shù)且k=8.6X10*eV/K， T為絕對(duì)溫度、RH為相對(duì)濕度（單位%），一般情況下n取為2。

　　根據(jù)產(chǎn)品的特性， 取Ea為0.6eV，室溫取為25C、75%RH，把上述數(shù)據(jù)帶入計(jì)算，求AF=37， 即在75C、85%RH下做1小時(shí)試驗(yàn)相當(dāng)于室溫下壽命約37小時(shí)。

　　還需要說明的一點(diǎn)是，加速因子的計(jì)算公式都是建立在特定的模型基礎(chǔ)。上的，而模型的建立往往會(huì)包含一些假設(shè)，并且會(huì)忽略或簡化次要的影響因素，因此計(jì)算的結(jié)果也僅僅具有指導(dǎo)和參考意義，不能死板地認(rèn)為只要試驗(yàn)足夠時(shí)間就一定能確保產(chǎn)品的壽命。

　　六、加速壽命試驗(yàn)方法

　　1、常用加速壽命試驗(yàn)方法

　　目前常用的加速壽命試驗(yàn)方法分為以下三種：

　　（1）恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)：該試驗(yàn)方法是將試樣分為幾組，每組在固定的應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，各應(yīng)力水平都高于正常工作條件下的應(yīng)力水平， 試驗(yàn)做到各組樣品均有一定數(shù)量的產(chǎn)品發(fā)生失效為止。

　　（2）步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)：該試驗(yàn)方法是預(yù)先確定一組應(yīng)力水平，各應(yīng)力水平之間有一定的差距，從低水平開始試驗(yàn)，一段時(shí)間后，增加至高-一級(jí)應(yīng)力水平，如此逐級(jí)遞增，直到試樣出現(xiàn)一定的失效數(shù)量或者到了應(yīng)力水平的極限停止試驗(yàn)。

　　（3）序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)：該試驗(yàn)方法是將試樣從低應(yīng)力開始試驗(yàn)，應(yīng)力水平水試驗(yàn)時(shí)間等速升高，直到一定數(shù)量的失效發(fā)生或者到了應(yīng)力水平的極限為止。

　　上述三種加速壽命試驗(yàn)方法，以恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)最為成熟。盡管這種試驗(yàn)所需時(shí)間不是最短，但比一般的壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間還是縮短了不少。因此它還是經(jīng)常被采用的試驗(yàn)方法。后面兩種試驗(yàn)方法對(duì)設(shè)備都有比較高的要求， 試驗(yàn)成本比較高，因此目前開展的比較少。

　　2、高加速壽命試驗(yàn)

　　高加速壽命試驗(yàn)（HALT） 是目前比較先進(jìn)成熟的壽 命試驗(yàn)方法，屬于步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，具體含義是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝設(shè)計(jì)過程中，在加速測試環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品施加所有可能達(dá)到的應(yīng)力以期找到設(shè)計(jì)和制造工藝中的薄弱環(huán)節(jié)，并針對(duì)每一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)提供改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造工藝的機(jī)會(huì)，從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期、提高可靠性和降低成本的目的。

　　HALT測試施加的應(yīng)力并不是完全模擬產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)的應(yīng)力，而是對(duì)少量樣品施加較大應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中存在的問題， 施加的應(yīng)力逐步提高并超過使用環(huán)境的應(yīng)力范圍，解訣測試中所發(fā)現(xiàn)的問題，直到產(chǎn)品強(qiáng)度達(dá)到技術(shù)要求。

　　HALT主要測試過程為：逐步施加應(yīng)力直到產(chǎn)品失效或出現(xiàn)故障;采取修正措施，修正產(chǎn)品的失效或故障;繼續(xù)逐步施加應(yīng)力直到產(chǎn)品再次失效或出現(xiàn)故障，并再次加以修正，重復(fù)以上應(yīng)力-失效-修正的步驟;找出產(chǎn)品的基本操作界限和基本破壞界限。可施加的應(yīng)力包括振動(dòng)、高低溫、溫度循環(huán)、電力開關(guān)循環(huán)、電壓邊際及頻率邊際測試等。

　　典型的HALT試程包括以下幾個(gè)過程：1） 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn);2） 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn);3） 快速熱循環(huán)試驗(yàn);4） 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn);5）綜合應(yīng)力試驗(yàn)

　　概括來講，HALT是一種發(fā)現(xiàn)缺陷的工序，它通過設(shè)置逐級(jí)遞增的環(huán)境應(yīng)力，來加速暴露試驗(yàn)樣品的缺陷和薄弱點(diǎn)，然后對(duì)暴露的缺陷和故障從設(shè)計(jì)、工藝和用料等諸方面進(jìn)行分析和改進(jìn)，從而達(dá)到提升產(chǎn)品可靠性的目的，其最大的特點(diǎn)是設(shè)置高于樣品設(shè)計(jì)運(yùn)行限的環(huán)境應(yīng)力，從而使暴露故障的時(shí)間大大短于正常可靠性應(yīng)力條件下的所需時(shí)間。