黃 蓉，文昌俊，聶 磊，余軍星

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品可靠性影響很大，產(chǎn)品的失效大部分是由環(huán)境因素引起的［1］.在近20種環(huán)境因素中，溫度的影響占了環(huán)境因素總比例的40%左右.因此，根據(jù)樣品及試驗(yàn)箱自身特點(diǎn)選擇合適的參數(shù)，使溫度循環(huán)試驗(yàn)效果達(dá)到最佳是必不可少的.目前溫度循環(huán)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)有 MIL－STD－883G1010.8、JESD22－A104－B等，但每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)存在差異，所以對(duì)溫度循環(huán)試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高電子產(chǎn)品的可靠性和進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控具有重大意義.

1 溫度循環(huán)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

溫度循環(huán)試驗(yàn)是將樣品放在溫度交變的試驗(yàn)箱中，使樣品處于不斷循環(huán)變化的高溫與低溫作用下，利用不同材料熱膨脹系數(shù)的不同，使試樣因熱應(yīng)力的作用而產(chǎn)生形變；不斷拉伸與擠壓的過程中，存有缺陷的地方在應(yīng)力提升的作用下，隨著溫度循環(huán)的加載而不斷擴(kuò)展，最終發(fā)展成失效（圖1）.因此，通過溫度循環(huán)試驗(yàn)可以高效且充分地放大產(chǎn)品的潛在缺陷，以剔除易早期失效的產(chǎn)品.該試驗(yàn)主要用于電子組件的電氣性能、機(jī)械性能等測(cè)試.

目前，在溫度循環(huán)試驗(yàn)中運(yùn)用得比較多的標(biāo)準(zhǔn)是 MIL－STD－883G1010.8、JESD22－A104－B 以 及GB／T2423－2002［4］.

MIL－STD－883G是美國(guó)軍標(biāo)《微電子器件試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的最新版本，MIL－STD－883自1968年問世以來發(fā)展到今天的G版，經(jīng)過了將近20次的改進(jìn)，最初主要是針對(duì)軍工設(shè)備的，其內(nèi)容涉及到微電子器件的材料檢測(cè)和控制，設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的控制，工藝檢驗(yàn)和控制，篩選、鑒定和質(zhì)量一致性等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)微電子器件可靠性的提高有著重要的作用.現(xiàn)今，MIL－STD－883已作為許多國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)本而用于高可靠性的微電子器件試驗(yàn)中.例如，我國(guó)的國(guó)軍標(biāo)GJB548－88是以1983年的 MIL－STD－883C版為藍(lán)本，GJB548－96是以1991年的D版為藍(lán)本制定的.

圖1 溫度循環(huán)試驗(yàn)流程

JESD22是JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中的環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)部分，JEDEC是微電子產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，它是為全球微電子產(chǎn)業(yè)制定的標(biāo)準(zhǔn).從這一點(diǎn)來看，MILSTD－883應(yīng)該比JEDEC更嚴(yán)格.JEDEC在制定的過程中一直采取公平、高效、經(jīng)濟(jì)的原則，努力確保產(chǎn)品的互用性，縮短了產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間，同時(shí)也降低其開發(fā)成本.它的主要功能包括術(shù)語、定義、產(chǎn)品特征的描述與操作、組建包裝、測(cè)試方法、生產(chǎn)支持功能、產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性等等.

GB／T2423是我國(guó)電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，它是結(jié)合我國(guó)電子產(chǎn)品的特點(diǎn)，以另外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本而制定的，主要針對(duì)民用品.

2 溫度循環(huán)試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)的選取

對(duì)電子產(chǎn)品而言，周期性溫度變化引發(fā)的環(huán)境應(yīng)力對(duì)樣品的影響會(huì)根據(jù)試驗(yàn)效果的不同而不同，它會(huì)導(dǎo)致樣品的機(jī)械性能（如熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、楊氏模量）等存在很大的差異.

在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，影響其試驗(yàn)效果的主要參數(shù)是：溫度變化范圍、試驗(yàn)箱的升降溫速率、試驗(yàn)樣品在高溫或低溫中的暴露時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、試驗(yàn)的循環(huán) 次 數(shù)［1－3］.在 MIL－STD－883G1010.8、JESD22－A104－B、GB／T2423－2002中給出了相關(guān)的參考標(biāo)準(zhǔn)，但是存在著一定的差異（表1）.下面根據(jù)溫度循環(huán)試驗(yàn)的典型剖面圖（圖2）對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行分析.

表1 各標(biāo)準(zhǔn)中溫度循環(huán)試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)的比較

圖2 溫度循環(huán)剖面圖

2.1 溫度范圍

溫度范圍是指上限溫度Tu與下限溫度Tl的差值.原則上該值越大越好，因?yàn)闇囟仍礁呔陀性酱蟮臒釕?yīng)力和熱疲勞的交互作用同時(shí)加在試樣上，對(duì)剔除早起失效的效率也越高.但是對(duì)于某些材料，當(dāng)溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，能誘發(fā)一般在設(shè)計(jì)過程中看不到的失效機(jī)制，并且因熱膨脹系數(shù)的不同，在不同的溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，容易使產(chǎn)品過早失效.

另外，試驗(yàn)的升溫和降溫過程容易在元件或設(shè)備上產(chǎn)生凝露或結(jié)霜現(xiàn)象，這會(huì)給樣品額外的應(yīng)力.所以，溫度范圍的選擇要根據(jù)產(chǎn)品的具體情況而定，試驗(yàn)溫度不能過高也不能太低，應(yīng)該在不傷害正常產(chǎn)品的前提下選擇最大的溫度范圍，一般在－55℃～＋125℃之間.

由于三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)最初適用對(duì)象的不同，使所定的溫度范圍也不相同.MIL－STD－883G最初主要是針對(duì)軍用設(shè)備的，所以在溫度的規(guī)定上更為苛刻，而JESD22－A104－B是對(duì)全球的電子產(chǎn)品所做的規(guī)定，相對(duì)來說它比MIL－STD－883G要寬松，由表1給出的溫度范圍的數(shù)據(jù)就可以看出，MIL－STD－883G3的高溫范圍幾乎為JESD22－A104－B的一倍.在進(jìn)行溫度的選擇時(shí)，應(yīng)考慮操作環(huán)境和系統(tǒng)的使用，所以滿足商用品的GB／T2423－2002一般將溫度范圍規(guī)定為0℃～＋55℃、－40℃～＋85℃，MIL－STD－883G1010.8在用于民用電子產(chǎn)品時(shí)將溫度定為－55℃～＋125℃.

溫度的選擇對(duì)試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)和模型的選擇都存在著影響.

2.2 溫度變化速率

試驗(yàn)箱的升溫速率及降溫速率與箱內(nèi)的冷卻方式有關(guān)，如果直接采用空氣循環(huán)的冷卻方式，那么升降溫的速率就被限制在5～10℃／min；如果是液氮進(jìn)行冷卻，該值為25～40℃／min.國(guó)內(nèi)的溫度循環(huán)試驗(yàn)箱一般都是采用空氣循環(huán)的方式進(jìn)行冷卻，如GDJW系列的試驗(yàn)箱都是采用多翼式送風(fēng)機(jī)強(qiáng)力送風(fēng)循環(huán)，而國(guó)外的溫循箱通常采用液氮進(jìn)行冷卻，這樣就可以達(dá)到一個(gè)較高的溫變速率.試驗(yàn)箱冷卻方式的不同使各標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定溫變速率時(shí)也存在了差異.

一般，溫度變化速率的增加有利于激發(fā)潛在缺陷暴露，溫變速率越高，試驗(yàn)強(qiáng)度就越強(qiáng)，越容易激發(fā)樣品的缺陷；但當(dāng)溫度變化速率達(dá)到某一特定值后，溫度循環(huán)試驗(yàn)的強(qiáng)度基本上達(dá)到飽和狀態(tài)，試驗(yàn)樣品對(duì)溫度的變化不是很敏感，樣品的溫度變化明顯滯后于試驗(yàn)箱的溫度變化.

2.3 暴露時(shí)間

高溫（TB）或低溫（TA）下暴露時(shí)間t1的長(zhǎng)短取決于試驗(yàn)樣品的熱容量.“熱容量”指系統(tǒng)在某一過程中，溫度升高（或降低）1℃ 所吸收（或放出）的熱量.如果在一定的過程中，當(dāng)溫度升高ΔT時(shí)，系統(tǒng)從外界吸收的熱量為ΔQ，那么在該過程中該系統(tǒng)的熱容量

以低溫箱為例，低溫箱的溫度在TA下保持的時(shí)間t1應(yīng)該包括放入樣品后箱內(nèi)溫度（包括樣品的溫度）穩(wěn)定到TA所需的時(shí)間t3和穩(wěn)定后樣品繼續(xù)放的時(shí)間t4，t3不應(yīng)該超過t1的1／10.又因?yàn)閠3的長(zhǎng)短主要由樣品放熱的速度（即熱容量）決定，所以t1也取決于樣品的熱容量.

除此之外，t1與樣品的熱時(shí)間常數(shù)也有重要的關(guān)系.熱時(shí)間常數(shù)取決于周圍介質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)速度.對(duì)于大樣品或設(shè)備而言，其內(nèi)部和外部的熱時(shí)間常數(shù)可能相差很大，故以考慮里面的或最易受損害的熱時(shí)間常數(shù)為主.在溫度變化試驗(yàn)導(dǎo)則中給出了如下規(guī)定：

若t1≥5τ，則d＜0.01D；若t1≥2.5τ，則d＜0.1D .

式中：t1為暴露時(shí)間；τ為試驗(yàn)樣品的熱時(shí)間常數(shù)；d為試驗(yàn)介質(zhì)溫度與試驗(yàn)樣品溫度之差；D為高低溫之差，即TB－TA.

根據(jù)t1與τ的關(guān)系式可知，d越小，試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間就越長(zhǎng).試驗(yàn)的時(shí)間一般為3～5倍的熱時(shí)間常數(shù).

熱時(shí)間常數(shù)

其中：m為樣品的質(zhì)量，g；C為比熱容，J／（g·℃）；S為散熱面積，cm2；λ為散熱系數(shù)，W·（cm2·℃）－1.這樣t1就與樣品質(zhì)量存在著間接關(guān)系了.

2.4 轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間t2也與樣品的熱時(shí)間常數(shù)有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)中給的t2通常針對(duì)常規(guī)大小的樣品，如果遇到了大件樣品或小試驗(yàn)樣品，可將轉(zhuǎn)換時(shí)間t2進(jìn)行適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)或縮短.t2所包括的范圍是從一箱中開始準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移環(huán)境中停留到另一箱中放好這一整個(gè)過程的時(shí)間.

綜合對(duì)t1和t2的分析，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)暴露時(shí)間和轉(zhuǎn)折時(shí)間選取的不同可能是因?yàn)樵囼?yàn)箱的容積以及樣品的體積存在差異.試驗(yàn)箱內(nèi)空間容積與試樣樣品體積的比值不同，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)箱內(nèi)熱容量的不同，這就使暴露時(shí)間t1的選取有異；同時(shí)，樣品的質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致τ的不同，進(jìn)而影響到t2.

2.5 循環(huán)時(shí)間

圖3給出的是 MIL－STD－883G1010.8中測(cè)試條件下的一個(gè)圖例，可見一個(gè)循環(huán)周期由兩個(gè)暴露時(shí)間t1和兩個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間t2組成.

圖3 MIL－STD－883G1010.8條件下的循環(huán)時(shí)間

2.6 循環(huán)次數(shù)

循環(huán)次數(shù)與試驗(yàn)中的溫度變化速率、暴露時(shí)間等參數(shù)都是相互影響的.如果熱容量較大，溫度變化速率較高，并且樣品在試驗(yàn)箱中暴露的時(shí)間足夠長(zhǎng)，這樣在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)試驗(yàn)的強(qiáng)度可足夠大，那么經(jīng)過較少次數(shù)的試驗(yàn)就能達(dá)到預(yù)期目的.當(dāng)循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，每一次的溫度變化都會(huì)使試樣內(nèi)部出現(xiàn)交替的膨脹和收縮，讓其一直在熱應(yīng)力和應(yīng)變的作用下處于一種疲勞狀態(tài)，所以次數(shù)太多會(huì)影響試樣的使用壽命，并且會(huì)提高成本，因此一般選擇適當(dāng)?shù)难h(huán)次數(shù).

循環(huán)次數(shù)與溫度范圍之間也存在定量的關(guān)系.Coffin－Manson方程建立了熱應(yīng)力引起的低周疲勞（low－cycle fatigue）影響模型［4－7］，其方程為：

式中：Nf為溫度循環(huán)的次數(shù)；△εp為塑性應(yīng)變；Cε為常數(shù).

塑性應(yīng)變△εp與溫度循環(huán)的范圍△T成正比，故式（3）可以寫成：

式中：△T為溫度范圍；CT為常數(shù).

以加速因子的形式改寫式（4）為：

式中：ACM為循環(huán)次數(shù)的加速因子；NfU為正常使用時(shí)至失效為止的循環(huán)次數(shù)；NfA為加速時(shí)至失效為止的循環(huán)次數(shù)；△TU為使用時(shí)溫度范圍；△TA為加速時(shí)溫度范圍.式（3）和式（4）就反應(yīng)出了循環(huán)次數(shù)與溫度范圍之間的定量關(guān)系.

如果要用較少的循環(huán)次數(shù)來完成實(shí)驗(yàn)，可以通過拓寬溫度范圍來實(shí)現(xiàn)同樣的效果；如果實(shí)驗(yàn)的溫度范圍不能設(shè)置太寬，這時(shí)可以通過增加循環(huán)次數(shù)來達(dá)到同樣的效果.

3 結(jié)論

綜合上述分析可知，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在參數(shù)制定上存在差異的原因主要表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：

適用對(duì)象的不同.MIL－STD－883G最初主要適用于軍用設(shè)備，其溫度范圍就更為嚴(yán)格，而另外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)民用品的，試驗(yàn)溫度相對(duì)來說就弱一點(diǎn).

試驗(yàn)箱冷卻方式的不同導(dǎo)致了溫度變化速率的不同.國(guó)內(nèi)的空氣循環(huán)冷卻方式使GB／T2423－2002中規(guī)定的溫度變化速率明顯低于其他.

試驗(yàn)箱容積與樣品體積的比值不同使t1、t2存在差異.試驗(yàn)箱內(nèi)空間容積與受試件體積的比值會(huì)影響到熱容量，所以對(duì)t1、t2的選取也與此有關(guān).

對(duì)電子產(chǎn)品而言，溫度循環(huán)試驗(yàn)是最有效的試驗(yàn)之一，它不僅可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行電氣性能、機(jī)械性能等可靠性的檢測(cè)，且在試驗(yàn)過程中能給試樣施加一定的應(yīng)力，使其內(nèi)部潛在的缺陷更快地暴露出來.在進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)試驗(yàn)樣品的質(zhì)量和體積、樣品的用途、試驗(yàn)箱運(yùn)行條件等因素選擇合適的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上將參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)增加應(yīng)力強(qiáng)度，縮短試驗(yàn)時(shí)間，進(jìn)而提高試驗(yàn)強(qiáng)度，保證產(chǎn)品的高質(zhì)量和高可靠性.

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