掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
圖1恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)示意(2)步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)如圖 2所示,簡稱步加試驗(yàn)。步加試驗(yàn)是選定一組高于正常應(yīng)力水平 S0的加速應(yīng)力水平 S1<S2<…<Sk,試驗(yàn)開始時(shí),先將一定數(shù)量的樣品置于 S1應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過 t1時(shí)間,把應(yīng)力提高到 S2,把在 S1應(yīng)力下未失效的樣品在 S2應(yīng)力下繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn);如此重復(fù)下去,直到在Sk應(yīng)力下有一定數(shù)量的樣品發(fā)生失效為止。
圖2 步進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)示意圖(3)序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)如圖 3所示,簡稱序加試驗(yàn)。序加試驗(yàn)施加的應(yīng)力水平隨時(shí)間連續(xù)變化,最簡單的就是圖 1-8 所示的線性上升,此外還有許多復(fù)雜的應(yīng)力施加方式,如循環(huán)應(yīng)力、彈簧應(yīng)力、三角函數(shù)應(yīng)力等。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。
圖3 序進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)示意恒加試驗(yàn)、步加試驗(yàn)和序加試驗(yàn)各有特點(diǎn),其主要差別見表1。
表1 三種不同類型加速壽命試驗(yàn)方法比較
τ為加速應(yīng)力水平Si對(duì)正常應(yīng)力水平S0的加速系數(shù),簡稱加速系數(shù)。加速系數(shù)是加速壽命試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù),它是加速應(yīng)力下產(chǎn)品某種壽命特征值與正常應(yīng)力下壽命特征值的比值,也可稱為加速因子,是一個(gè)無量綱數(shù)。加速系數(shù)反映加速壽命試驗(yàn)中某加速應(yīng)力水平的加速效果,即加速應(yīng)力的函數(shù)。
式中,R (T)是在溫度為T時(shí)的反應(yīng)速度;E—物質(zhì)在溫度T時(shí)的激活能;k—玻耳茲曼常數(shù);A—試驗(yàn)待定的常數(shù);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(shù)的退化,當(dāng)其中特性參數(shù)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:
最后得出:
a、b為試驗(yàn)所決定的常數(shù)。產(chǎn)品壽命t的對(duì)數(shù)值與試驗(yàn)溫度T的倒數(shù)成正比。阿倫尼斯模型是以如下兩個(gè)假設(shè)為基礎(chǔ)的。假設(shè)一:樣品的某個(gè)參數(shù)θ的退化量D=f(θ)是時(shí)間的線性函數(shù)。因此有:
這是一個(gè)線性方程,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(dāng)溫度一定時(shí),它是一個(gè)常數(shù)。這個(gè)假設(shè)說明,對(duì)于元器件的某個(gè)參量,如果通過某些變換能使其隨時(shí)間變化的規(guī)律符合假設(shè)的要求,那么就可以應(yīng)用阿倫尼斯模型來描述其壽命過程。假設(shè)二:退化率R(T)的對(duì)數(shù)是絕對(duì)溫度倒數(shù)的線性函數(shù),否則,就不是真實(shí)的加速。
若要求在不同的應(yīng)力和不同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生相同的退化效果,即:
可得出:
式中,τ就是加速系數(shù),它反映了施加不同應(yīng)力時(shí),產(chǎn)品壽命相對(duì)變化的倍數(shù)。顯然,加速系數(shù)的數(shù)值與所施加的應(yīng)力和表征產(chǎn)品失效機(jī)理的激活能有關(guān)。激活能 E 與器件的失效模式及失效機(jī)理有關(guān)。有關(guān)半導(dǎo)體器件不同失效模式與機(jī)理的激活能數(shù)據(jù)如表2所列。
表2 失效模式、失效機(jī)理與激活能以激活能E作為參數(shù),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,激活能越大,曲線越傾斜,與溫度的關(guān)系越密切。圖5所示為為不同溫度應(yīng)力下激活能與加速系數(shù)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(yīng)力下激活能與加速系數(shù)的關(guān)系(2)艾林模型在阿倫尼斯模型中只考慮了溫度應(yīng)力對(duì)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(yīng)過程除與溫度有關(guān)之外,還與此時(shí)很多非溫度應(yīng)力因素密切相關(guān),如電壓、濕度、機(jī)械應(yīng)力等。所以,阿倫尼斯模型的應(yīng)用受到了一定的限制。隨著量子力學(xué)理論的發(fā)展,可以從反應(yīng)速率動(dòng)力學(xué)來推導(dǎo)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(yīng)力與壽命之間的關(guān)系。艾林模型的反應(yīng)速率可表示為:
式中,T—溫度應(yīng)力;S—非溫度應(yīng)力。半導(dǎo)體器件如果在高溫高濕環(huán)境下工作,則其內(nèi)引線金絲或鋁絲的 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)生開路、短路、漏電流增加等失效。其機(jī)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(yīng)。對(duì)這種電化學(xué)反應(yīng)與產(chǎn)品壽命的關(guān)系,可以通過艾林模型來描述,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(yīng)力的作用下,內(nèi)部發(fā)生電離、電遷移等效應(yīng),這些效應(yīng)長期積累后,破壞了元器件的功能而導(dǎo)致產(chǎn)品的失效。這種失效與電應(yīng)力的強(qiáng)度密切相關(guān)。電應(yīng)力越強(qiáng),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(yīng)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(yīng)力,V>0;K、φ為正常數(shù)。其中φ只與元器件的類型有關(guān)。將上式兩邊取對(duì)數(shù),就可將逆冪律模型線性化,即:
確定φ、K之后,就可以預(yù)測(cè)電應(yīng)力V與元器件壽命t之間的關(guān)系。即可用圖估法或數(shù)值計(jì)算的方法,外推元器件在不同電應(yīng)力下的壽命或失效率。在電應(yīng)力 V1下進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)時(shí),對(duì)應(yīng)累計(jì)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(yàn),對(duì)應(yīng)同樣累計(jì)失效率的正常失效時(shí)間為 t0,則可得加速系數(shù):
因此,對(duì)于某些元器件,如果已知常數(shù)φ和加速系數(shù)τ,只要進(jìn)行一次高電應(yīng)力 V1下的加速壽命試驗(yàn),確定相應(yīng)的加速失效時(shí)間 t1,就可以計(jì)算出在正常電應(yīng)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(jī)制加劇,如半導(dǎo)體器件的金屬化系統(tǒng)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(dǎo)致電解腐蝕。絕緣表面的導(dǎo)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(dǎo)電率與濕度密切相關(guān)。柏克(Peck)和席爾德(Zierdt)通過試驗(yàn)研究得出該失效機(jī)理的激活能為 0.54eV,并給出了器件壽命(tm)與相對(duì)濕度(%RH)間的近似關(guān)系式:
式中,c—試驗(yàn)待定的常數(shù)。5)溫度、濕度和電應(yīng)力與壽命的關(guān)系加速壽命試驗(yàn)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(yīng)力進(jìn)行加速的。如 THB(高溫、高濕和偏置)加速試驗(yàn),其主要目的是評(píng)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(duì)濕度函數(shù),可表示為:
g(V)是逆冪律模型因子。
掃描二維碼,關(guān)注更多精彩內(nèi)容