一、加速壽命試驗的目的

 

加速壽命試驗的目的如下

 

（1）解決試驗樣品數量和試驗時(shí)間之間的矛盾。

（2）通過(guò)數理統計及外推的方法，獲得有效的可靠性特征數據，例如產(chǎn)品的失效分布、可靠度、平均壽命以及產(chǎn)品特性參數時(shí)間的變化等。在此基礎上再來(lái)預測工作在特定的條件下的可靠性。

（3）考核產(chǎn)品的結構、材料和工藝過(guò)程，鑒定和改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量。

（4）運用加嚴的環(huán)境條件和應力條件，檢查元器件是否有異常分布，剔除有缺陷的早期失效的產(chǎn)品，即對元器件進(jìn)行可靠性篩選。

（5）通過(guò)在加嚴的環(huán)境條件和應力條件下的試驗，確定產(chǎn)品能承受安全應力的極限水平。

（6）作為失效鑒定試驗的一種手段。

 

二、加速壽命試驗的三個(gè)基本前提和類(lèi)型

 

1.加速壽命試驗的基本前提如下。

 

（1）失效機理的一致性

 

失效機理的一致性是指在不同應力水平下產(chǎn)品的失效機理保持不變。通常，失效機理的一致性是通過(guò)試驗設計保證的，即要求加速壽命試驗中的最高應力等級不能高于產(chǎn)品的破壞極限。

 

（2）失效過(guò)程的規律性

 

失效過(guò)程的規律性是指產(chǎn)品和壽命之間存在一個(gè)確切的函數關(guān)系式，即加速模型。

 

（3）失效分布的同一性

 

失效分布的同一性是指在不同的應力水平下產(chǎn)品的壽命服從同一分布，這是壽命數據統計的基本前提。

 

2.加速壽命試驗類(lèi)型

 

按照試驗時(shí)施加的應力方式，加速壽命試驗可分為恒定應力加速壽命試驗、步進(jìn)應力加速壽命試驗和序進(jìn)應力加速壽命試驗。

 

（1）恒定應力加速壽命試驗

 

恒定應力加速壽命試驗如圖1所示，簡(jiǎn)稱(chēng)恒加試驗。圖中，t 表示試驗時(shí)間，S 表示試驗應力，×表示樣品失效。試驗過(guò)程中，選定一組高于正常應力水平 S0 的加速應力水平S1＜S2＜…＜Sk，將一定數量的樣品分為 k 組，每組樣品在彼此獨立的應力水平下進(jìn)行壽命試驗，直到各組均有一定數量的樣品發(fā)生失效為止。

 

圖1恒定應力加速試驗示意

 

（2）步進(jìn)應力加速壽命試驗

 

步進(jìn)應力加速壽命試驗如圖 2所示，簡(jiǎn)稱(chēng)步加試驗。步加試驗是選定一組高于正常應力水平 S0的加速應力水平 S1＜S2＜…＜Sk，試驗開(kāi)始時(shí)，先將一定數量的樣品置于 S1應力下進(jìn)行試驗。經(jīng)過(guò) t1時(shí)間，把應力提高到 S2，把在 S1應力下未失效的樣品在 S2應力下繼續進(jìn)行試驗；如此重復下去，直到在Sk應力下有一定數量的樣品發(fā)生失效為止。

 

圖2 步進(jìn)應力加速試驗示意圖

 

（3）序進(jìn)應力加速壽命試驗

 

序進(jìn)應力加速壽命試驗如圖 3所示，簡(jiǎn)稱(chēng)序加試驗。序加試驗施加的應力水平隨時(shí)間連續變化，最簡(jiǎn)單的就是圖 1-8 所示的線(xiàn)性上升，此外還有許多復雜的應力施加方式，如循環(huán)應力、彈簧應力、三角函數應力等。序加試驗的特點(diǎn)是應力變化快，失效也快，因此序加試驗需要專(zhuān)用設備跟蹤和記錄產(chǎn)品失效。

 

圖3 序進(jìn)應力加速試驗示意

 

恒加試驗、步加試驗和序加試驗各有特點(diǎn)，其主要差別見(jiàn)表1。

 

表1 三種不同類(lèi)型加速壽命試驗方法比較

 

三、加速應力和加速系數

 

1.加速應力

 

根據加速壽命試驗的假設：產(chǎn)品在正常應力水平和加速應力水平下的失效機理不變。加速壽命試驗中選擇的加速應力要求能加速產(chǎn)品的失效，但同時(shí)不能改變失效機理，一旦改變了失效模式，就失去了加速壽命試驗的基礎。

 

應力的選擇對試驗的加速效率影響很大，一般應根據產(chǎn)品的失效機理與失效模式來(lái)選擇加速應力。加速壽命試驗中常用的應力有溫度、濕度、振動(dòng)、壓力、電應力、溫度循環(huán)等，這些應力既可以單獨使用，也可以多種組合使用。

 

2.加速系數

 

加速系數的定義：產(chǎn)品承受的加速應力為S，在第i級加速應力水平為Si，正常應力水平記為S0，在Si、S0下，可靠度值為R時(shí)，產(chǎn)品的壽命分別為tR，i，tR，0，則時(shí)間比

 

 

τ為加速應力水平Si對正常應力水平S0的加速系數，簡(jiǎn)稱(chēng)加速系數。

 

加速系數是加速壽命試驗的一個(gè)重要參數，它是加速應力下產(chǎn)品某種壽命特征值與正常應力下壽命特征值的比值，也可稱(chēng)為加速因子，是一個(gè)無(wú)量綱數。加速系數反映加速壽命試驗中某加速應力水平的加速效果，即加速應力的函數。

 

四、加速模型

 

加速壽命的基本思想是利用高應力下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征。實(shí)現這個(gè)基本思想的關(guān)鍵在于建立壽命特征與應力水平之間的關(guān)系，這種壽命特征與應力水平之間的關(guān)系就是通常所說(shuō)的加速模型，又稱(chēng)加速方程。壽命特征與應力之間的關(guān)系常是非線(xiàn)性的，但可以通過(guò)對壽命數據或應力水平進(jìn)行數學(xué)變換，如對數變換、倒數變換等，有可能將其轉換為線(xiàn)性的。

 

應力與壽命是密切相關(guān)的，應力的種類(lèi)與水平是決定產(chǎn)品壽命的重要因素。應力及其水平選擇得是否恰當，將決定試驗能否達到預期的目標。因此，有必要研究它們之間的關(guān)系。

 

產(chǎn)品的壽命與應力之間的關(guān)系是以一定的物理模型為依據的。常見(jiàn)的物理模型有失效率模型、應力與強度模型、最弱鏈條模型和反應速度模型等。

 

1.失效率模型

 

失效率模型將失效率曲線(xiàn)劃分為早期失效、隨機失效和磨損失效 3 個(gè)階段，并將每個(gè)階段的產(chǎn)品失效機理與其失效率相聯(lián)系起來(lái)。

 

2.應力與強度模型

 

應力與強度模型是研究實(shí)際環(huán)境應力與產(chǎn)品所能承受強度的關(guān)系。應力與強度均為隨機變量，因此，產(chǎn)品的失效與否將取決于應力分布和強度分布。隨著(zhù)時(shí)間的推移，產(chǎn)品的強度分布將逐漸發(fā)生變化。應力分布與強度分布一旦發(fā)生了干預，產(chǎn)品就會(huì )出現失效。

 

3.最弱鏈條模型

 

最弱鏈條模型是基于產(chǎn)品的失效是發(fā)生在構成產(chǎn)品的諸因素中最薄弱的部位這一事實(shí)而提出來(lái)的。

 

4.反應速度模型

 

反應速度模型反映了反應速度與溫度的關(guān)系。在可靠性試驗中通常應用的阿倫尼斯模型和艾林模型，都屬于這一類(lèi)。它們同時(shí)也是加速壽命試驗實(shí)現外推正常應力下壽命特征的依據。

 

1）阿倫尼斯模型

 

阿倫尼斯模型是在大量的化學(xué)反應數據基礎上總結出來(lái)的，它表明了化學(xué)反應過(guò)程中反應速率與反應溫度的關(guān)系。阿倫尼斯模型表示為

 

 

式中，R （T）是在溫度為T(mén)時(shí)的反應速度

 

E—物質(zhì)在溫度T時(shí)的激活能；

k—玻耳茲曼常數;

A—試驗待定的常數；

 

材料、產(chǎn)品的微量化學(xué)物理變化，將引起產(chǎn)品特性參數的退化，當其中特性參數退化到某一極限值時(shí)，產(chǎn)品就會(huì )失效，而退化所經(jīng)歷的時(shí)間就是產(chǎn)品的壽命。實(shí)踐證明，壽命與溫度T之間的關(guān)系是符合阿倫尼斯模型的，這時(shí)，可將阿倫尼斯模型進(jìn)行如下變換：

 

 

最后得

 

 

a、b為試驗所決定的常數。產(chǎn)品壽命t的對數值與試驗溫度T的倒數成正比。

 

阿倫尼斯模型是以如下兩個(gè)假設為基礎的。

 

假設一：

 

樣品的某個(gè)參數θ的退化量D=f（θ）是時(shí)間的線(xiàn)性函數。

 

因此有

 

 

這是一個(gè)線(xiàn)性方程，R（T）是方程的斜率，反映了參量 D 隨時(shí)間 t 的變化速率，即產(chǎn)品的退化率。R（T）是一個(gè)與溫度有關(guān)的量，當溫度一定時(shí)，它是一個(gè)常數。

 

這個(gè)假設說(shuō)明，對于元器件的某個(gè)參量，如果通過(guò)某些變換能使其隨時(shí)間變化的規律符合假設的要求，那么就可以應用阿倫尼斯模型來(lái)描述其壽命過(guò)程。

 

假設二：

 

退化率R（T）的對數是絕對溫度倒數的線(xiàn)性函數，否則，就不是真實(shí)的加速。

 

 

若要求在不同的應力和不同的時(shí)間內產(chǎn)生相同的退化效果，即

 

 

可得

 

 

式中，τ就是加速系數，它反映了施加不同應力時(shí)，產(chǎn)品壽命相對變化的倍數。顯然，加速系數的數值與所施加的應力和表征產(chǎn)品失效機理的激活能有關(guān)。

 

激活能 E 與器件的失效模式及失效機理有關(guān)。有關(guān)半導體器件不同失效模式與機理的激活能數據如表2所列。

 

表2 失效模式、失效機理與激活能

 

以激活能E作為參數，可以繪制出不同Ea時(shí)溫度與壽命的關(guān)系。如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，激活能越大，曲線(xiàn)越傾斜，與溫度的關(guān)系越密切。圖5所示為為不同溫度應力下激活能與加速系數的關(guān)系。

 

圖4 不同激活能時(shí)溫度與壽命的關(guān)系

 

圖5 不同溫度應力下激活能與加速系數的關(guān)系

 

2）艾林模型

 

在阿倫尼斯模型中只考慮了溫度應力對物質(zhì)的化學(xué)與物理性質(zhì)變化的影響，實(shí)際上，很多物理和化學(xué)反應過(guò)程除與溫度有關(guān)之外，還與此時(shí)很多非溫度應力因素密切相關(guān)，如電壓、濕度、機械應力等。所以，阿倫尼斯模型的應用受到了一定的限制。

 

隨著(zhù)量子力學(xué)理論的發(fā)展，可以從反應速率動(dòng)力學(xué)來(lái)推導出艾林模型。艾林模型綜合了溫度、濕度、電壓、電流、電功率、振動(dòng)等多種應力與壽命之間的關(guān)系。

 

艾林模型的反應速率可表示為

 

 

式中，T—溫度應力；S—非溫度應力。

 

半導體器件如果在高溫高濕環(huán)境下工作，則其內引線(xiàn)金絲或鋁絲的 Al-Au 或 Al-Al 的接觸點(diǎn)很容易剝離；或在潮濕的環(huán)境中，由于腐蝕而產(chǎn)生開(kāi)路、短路、漏電流增加等失效。其機理是由于在接觸點(diǎn)處沾上了不潔物而形成電位分布，從而產(chǎn)生了電化學(xué)反應。對這種電化學(xué)反應與產(chǎn)品壽命的關(guān)系，可以通過(guò)艾林模型來(lái)描述，其艾林模型為

 

 

3）逆冪律模型

 

有些元器件在電流、電壓或功率等電應力的作用下，內部發(fā)生電離、電遷移等效應，這些效應長(cháng)期積累后，破壞了元器件的功能而導致產(chǎn)品的失效。這種失效與電應力的強度密切相關(guān)。電應力越強，積累速度越快，元器件的壽命就越短。這些元器件的壽命與施加的電流或電功率等非溫度應力之間符合逆冪律關(guān)系。即

 

 

式中，t為元器件的壽命特征量，如中位壽命、平均壽命或特征壽命；

 

V為施加在元器件上的電應力，V＞0；

 

K、φ為正常數。其中φ只與元器件的類(lèi)型有關(guān)。

 

將上式兩邊取對數，就可將逆冪律模型線(xiàn)性化，即

 

 

確定φ、K之后，就可以預測電應力V與元器件壽命t之間的關(guān)系。即可用圖估法或數值計算的方法，外推元器件在不同電應力下的壽命或失效率。

 

在電應力 V1下進(jìn)行加速壽命試驗時(shí)，對應累計失效概率 F0的加速失效時(shí)間為 t1；在正常電壓 V0下進(jìn)行壽命試驗，對應同樣累計失效率的正常失效時(shí)間為 t0，則可得加速系數

 

 

因此，對于某些元器件，如果已知常數φ和加速系數τ，只要進(jìn)行一次高電應力 V1下的加速壽命試驗，確定相應的加速失效時(shí)間 t1，就可以計算出在正常電應力 V0下的正常失效時(shí)間t0。

 

4）電解腐蝕壽命與濕度的關(guān)系

 

在潮氣存在的情況下，會(huì )使元器件失效的機制加劇，如半導體器件的金屬化系統在有偏置情況下，濕氣促使金屬化的金屬離子跨越兩種金屬之間的絕緣表面產(chǎn)生遷移，導致電解腐蝕。絕緣表面的導電率決定了金屬離子的遷移速率，從而決定了器件的壽命。絕緣表面的導電率與濕度密切相關(guān)。

 

柏克（Peck）和席爾德（Zierdt）通過(guò)試驗研究得出該失效機理的激活能為 0.54eV，并給出了器件壽命（tm）與相對濕度（%RH）間的近似關(guān)系式：

 

 

式中，c—試驗待定的常數。

 

5）溫度、濕度和電應力與壽命的關(guān)系

 

加速壽命試驗中，也有用濕度作為加速變量，也有同時(shí)采用溫度、濕度和電應力進(jìn)行加速的。如 THB（高溫、高濕和偏置）加速試驗，其主要目的是評價(jià)器件的耐潮濕壽命，采用的公式如下：

 

 

式中，t是平均壽命；

 

f （RH）是相對濕度函數，可表示為

 

 

g（V）是逆冪律模型因子。

 

五、加速壽命試驗局限性

 

加速壽命試驗可以大大縮短正常應力壽命試驗所需時(shí)間，節省了人力和設備，這是它的優(yōu)點(diǎn)。但是，加速壽命試驗也有它的局限性。

 

1.它是一種破壞性試驗，因而只能抽取小部分樣品進(jìn)行試驗。當然，從統計觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，它是足以代表該產(chǎn)品的可靠性水平的，但是卻存在一個(gè)置信度的問(wèn)題。

 

2.對于那些比較復雜的器件，如集成電路，實(shí)際上起主導作用的失效機理往往是復雜的，甚至有些是事先無(wú)法預知的，如果用單一的加速變量來(lái)進(jìn)行加速，其結果是不夠全面的；同時(shí)，在失效機理不太明朗的情況下，采用加速外推的方法，其結果必然帶來(lái)大的誤差。也就是說(shuō)，對于具有多種失效機理的產(chǎn)品，理想的加速壽命試驗是難以實(shí)現的。

 

3.加速壽命試驗只考慮了試驗的加速性方面，而沒(méi)有考慮元器件的應用問(wèn)題。實(shí)際上，用戶(hù)把這類(lèi)器件用在設備上，預期保存和運用時(shí)間很長(cháng)。因此，對于元器件制造者和用戶(hù)來(lái)說(shuō)，在正常應力或使用應力下的長(cháng)期壽命試驗也是必須的和重要的，因為它能真實(shí)反映元器件在使用條件下的壽命特性。

 

4.加速壽命試驗的基本假設是在高應力條件下的失效機理與在正常應力條件下的失效機理相同。此外試驗數據分析需要選擇或假定應力與壽命之間的函數關(guān)系。實(shí)際上，高應力可能會(huì )引入在正常條件下不會(huì )發(fā)生的新的失效模式，當有幾種不同應力共同作用時(shí)，各種失效模式對應應力有不同的敏感性，以致各失效模式的發(fā)生概率會(huì )隨應力的改變而改變。也就是說(shuō)，加速壽命試驗的基本假設通常是很難保證的。、應力-壽命關(guān)系模型有潛在的多樣性、復雜性。試驗條件也是千變萬(wàn)化的。由加速壽命試驗所估計的壽命與在現場(chǎng)觀(guān)察到的壽命可能差別很大，有可能差別達到一個(gè)數量級甚至更大。因此，除非試驗條件與現場(chǎng)使用條件很接近且試驗數據的分析和建模恰當，否則從加速壽命試驗數據外推所估計的可靠性只能看作是固有可靠性的一種近似，不應看作為現場(chǎng)可靠性指標。

 

六、發(fā)展趨勢

 

加速壽命試驗是在進(jìn)行合理工程和統計假設的基礎上，利用與物理失效有關(guān)的統計模型對加速條件下獲得的失效數據進(jìn)行轉換，得到試件在正常應力水平下可靠性特征的試驗方法。采用加速壽命試驗可以縮短試驗時(shí)間，降低試驗成本，進(jìn)而使高可靠長(cháng)壽命的驗證與評價(jià)成為可能。加速試驗是在不改變失效機理的前提下，用增大環(huán)境/工作應力量值達到縮短試驗時(shí)間并獲得試驗實(shí)際效果的試驗方法。加速壽命試驗技術(shù)主要研究發(fā)展方向。

 

1）復雜系統加速壽命試驗技術(shù)

 

加速壽命試驗在更廣泛的工程應用中必然會(huì )遇到復雜系統的應用問(wèn)題。該試驗的研究目前主要集中于單一失效機理，而復雜系統往往存在多個(gè)失效機理，系統失效則是多個(gè)潛在失效機理相互競爭的結果。因此，復雜系統加速壽命試驗技術(shù)的研究值得人們高度重視。

 

2）提高加速壽命試驗的統計分析精度技術(shù)

 

加速壽命試驗是統計試驗的分支，統計精度的提高仍然是加速壽命試驗分析方法研究的一個(gè)主要內容，所以分析精度對于加速壽命試驗技術(shù)至關(guān)重要。

 

3）加速壽命試驗優(yōu)化設計技術(shù)

 

加速壽命試驗的優(yōu)化設計是統計分析的逆問(wèn)題，研究在給定條件（壽命先驗、應力范圍、試驗代價(jià)等）下，如何進(jìn)行試驗以獲得各種可靠性指標的準確估計。

 

4）提高加速壽命試驗效率技術(shù)

 

加速壽命試驗的基本動(dòng)因在于提高試驗過(guò)程的時(shí)間效率和經(jīng)濟效益，從而以最低的試驗代價(jià)達到壽命評估的目的。因此，加速壽命試驗中既要提高統計分析的精度，又要考慮優(yōu)化試驗設計。加速試驗要重視算法的簡(jiǎn)化和可操作性問(wèn)題，使加速試驗技術(shù)便于高可靠長(cháng)壽命工程的應用。

 

5）加速壽命試驗裝備和控制技術(shù)

 

支撐加速壽命試驗設備和控制技術(shù)的研究，對于加速試驗的廣泛應用發(fā)揮重要的作用。加速壽命試驗技術(shù)的發(fā)展有賴(lài)于壽命試驗設備和控制技術(shù)的發(fā)展。

 

6）加速壽命試驗計算機仿真技術(shù)

 

仿真技術(shù)在可靠性試驗中的應用已經(jīng)成為一個(gè)重要的趨勢，對于加速壽命試驗具有重要的促進(jìn)作用。在缺乏失效模型的情況下，仿真手段及其與試驗的研究的結合將有可能成為有效的加速試驗應用途徑；將蒙特卡羅仿真引入加速壽命和加速退化試驗的優(yōu)化設計，可建立方便應用的優(yōu)化設計方法。隨著(zhù)加速壽命試驗技術(shù)研究的深入，計算機仿真技術(shù)的引入將有利于推動(dòng)加速壽命試驗技術(shù)的發(fā)展。

 

 

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