莊少紅

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

前言

復(fù)雜多樣的環(huán)境是眾多產(chǎn)品，尤其是電工電子產(chǎn)品在使用的過(guò)程中難以回避的問(wèn)題。環(huán)境的多樣性包括溫度、濕度、振動(dòng)、灰塵、鹽霧、霉菌等多個(gè)方面。環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)就是把各種復(fù)雜多樣的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力共同施加在產(chǎn)品樣品上，分析產(chǎn)品可靠性。實(shí)踐中，應(yīng)力效果主要取決于三種因素：一是施加的環(huán)境應(yīng)力；二是電應(yīng)力水平(包括產(chǎn)品的通斷電循環(huán)、規(guī)定的工作模式及工作周期、規(guī)定的輸入標(biāo)稱電壓及其最大允許偏差)；三是檢測(cè)能力，即檢測(cè)設(shè)施和儀器（能保證產(chǎn)生和保持試驗(yàn)所需的綜合環(huán)境條件，并按照有關(guān)規(guī)定定期核查、檢定以及計(jì)量）的能力，因?yàn)闄z測(cè)能力決定了能否將已被應(yīng)力加速變成故障的潛在缺陷表現(xiàn)出來(lái)并加以排除。環(huán)境應(yīng)力會(huì)誘發(fā)產(chǎn)品失效。

而由于氣候影響和產(chǎn)品，尤其是電子產(chǎn)品在使用中自身發(fā)熱等原因，溫度這一因素對(duì)產(chǎn)品的影響不可忽視，因而在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)中，高溫應(yīng)力、溫度循環(huán)應(yīng)力、溫度沖擊應(yīng)力這三種環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量一道非常重要的工序。本文試圖通過(guò)高溫應(yīng)力、溫度循環(huán)應(yīng)力、溫度沖擊應(yīng)力三種環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品失效的原因進(jìn)行分析和探討。

1 高溫應(yīng)力

1.1 高溫應(yīng)力基本參數(shù)

高溫應(yīng)力的基本參數(shù)主要有2個(gè)：①上限溫度（TU）；②時(shí)間（T）。此外，還有一個(gè)要考慮的參數(shù)：環(huán)境溫度（Te），因?yàn)檎嬲绊懞愣ǜ邷匦Ч淖兞渴巧舷逌囟龋═U）與室內(nèi)環(huán)境溫度（Te）之差，即溫度改變幅度（R）（R=TU- Te）。

1.2 高溫應(yīng)力特性分析

高溫試驗(yàn)會(huì)使產(chǎn)品產(chǎn)生高溫老化，熱積聚、遷移以及蔓延的效應(yīng)，是一種靜態(tài)工藝或工序，這種方法是通過(guò)提供額外的熱作用，讓產(chǎn)品在規(guī)定的高溫下連續(xù)不斷地工作，使熱蔓延，將產(chǎn)品潛在缺陷加速變成故障，并以故障的形式暴露出來(lái)。

1.3 高溫應(yīng)力誘發(fā)失效的機(jī)理及敏感元件

1.3.1 高溫使金屬材料表面加速氧化，其中溫度和時(shí)間將影響故障缺陷的大小，其敏感元件如電鍍件、合金等；

1.3.2 高溫使導(dǎo)磁體的磁性能發(fā)生變化，其敏感元件如電阻(造成電阻率增大)等；

1.3.3 高溫使抗拉強(qiáng)度劣化、絕緣材料絕緣性能損壞、抗電強(qiáng)度降低，導(dǎo)致熱擊穿，使線圈短路或開路，其敏感元件如塑料、樹脂等；

1.3.4 高溫使產(chǎn)品防酸、防堿性能下降，導(dǎo)致材料機(jī)械強(qiáng)度降低，受力容易產(chǎn)生損壞；

1.3.5 高溫使電遷移，即溫度變化會(huì)影響電流，其敏感元件如銅、鋁（特別是集成電路中的鋁引線）等；

1.3.6 高溫使得潤(rùn)滑劑流失或者潤(rùn)滑性降低，造成機(jī)械磨損加劇，其敏感元件如機(jī)械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)件（軸承和旋轉(zhuǎn)軸）等；

1.3.7 高溫使產(chǎn)品特性、參數(shù)發(fā)生明顯變化，其敏感元件如晶體管、電阻、電容及變壓器等；

1.3.8 高溫下不同膨脹系數(shù)的材料的膨脹情況不同，會(huì)造成元件松動(dòng)、尺寸改變、開焊、虛焊、假焊、氧化、軟化、融化、密封失效等缺陷，敏其感元件如塑料等；

1.3.9 高溫使材料變色、發(fā)黃（白色的材料）、發(fā)白（黑色的材料）、脆化、粉化，其敏感的元件如塑料等（實(shí)例見圖1～5所示，注：高溫150℃試驗(yàn)前、試驗(yàn)后的情況）。

圖1 試驗(yàn)前

圖3 800h 試驗(yàn)后（粉化）

圖4 試驗(yàn)前

圖5 1000h 試驗(yàn)后出現(xiàn)發(fā)白

2 溫度循環(huán)應(yīng)力

2.1 溫度循環(huán)應(yīng)力基本參數(shù)

溫度循環(huán)應(yīng)力的基本參數(shù)主要有6個(gè)：1）上限溫度TU；2）下限溫度TL；3）溫度變化速率V；4）上限溫度保溫時(shí)間tu；5）下限溫度保溫時(shí)間tL；6）循環(huán)次數(shù)N（見圖6）。

2.2 溫度循環(huán)應(yīng)力特性分析

在環(huán)境可靠性試驗(yàn)中，當(dāng)溫度循環(huán)變化時(shí)，高溫應(yīng)力、低溫應(yīng)力和熱疲勞三者交互作用在產(chǎn)品上，材料都會(huì)出現(xiàn)不同程度熱膨冷縮。其特征是，提高溫度變化范圍和溫度變化率，能加強(qiáng)這一過(guò)程，因而增強(qiáng)熱應(yīng)力，增加循環(huán)次數(shù)，將直接影響激發(fā)的應(yīng)力。

在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，試驗(yàn)箱內(nèi)的氣流（速度）均勻度是一個(gè)很重要的參數(shù)，該參數(shù)將影響產(chǎn)品的溫度變化速率。這就要求在多個(gè)試驗(yàn)產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)產(chǎn)品之間、試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)箱壁之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g隔，以便氣流能在試驗(yàn)產(chǎn)品之間、試驗(yàn)產(chǎn)品與箱壁之間自由循環(huán)。

在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，低溫高濕條件向高溫高濕條件轉(zhuǎn)變時(shí)，由于空氣溫度比產(chǎn)品溫度上升快，當(dāng)達(dá)到一定的溫差時(shí)，產(chǎn)品上就會(huì)產(chǎn)生凝露。溫差越大，凝露現(xiàn)象越明顯，凝露的水不能及時(shí)排出，就會(huì)增加產(chǎn)品受到腐蝕的機(jī)率和降低絕緣強(qiáng)度（見圖7）。對(duì)整機(jī)設(shè)備來(lái)說(shuō)，將會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低、頻率漂移等，嚴(yán)重的將影響產(chǎn)品質(zhì)量。表1是一試驗(yàn)實(shí)例。

2.3 溫度循環(huán)應(yīng)力誘發(fā)失效的機(jī)理及敏感元件

2.3.1 溫度循環(huán)使不同膨脹系數(shù)的不同材料的膨脹情況不同，造成剝離、開裂，其敏感元件如油漆涂覆層等；

2.3.2 溫度循環(huán)使螺絲連接或鉚接不牢的接頭松馳,其敏感元件如螺絲、鉚接部件等；

2.3.3 溫度循環(huán)使機(jī)械張力不足的壓配接頭松馳；

2.3.4 溫度循環(huán)使材質(zhì)差的釬焊接觸電阻加大或誘發(fā)開路,其敏感元件如電阻元件等；

2.3.5 溫度循環(huán)使觸點(diǎn)（焊點(diǎn)）腐蝕和污染，其敏感元件如合金材料等。

3 溫度沖擊（熱沖擊）應(yīng)力

3.1 溫度沖擊應(yīng)力基本參數(shù)

溫度沖擊應(yīng)力亦即熱沖擊，其基本參數(shù)主要有6個(gè)：1）溫度上限；2）溫度下限；3）在溫度上限的停留時(shí)間；4）在溫度下限的停留時(shí)間；5）溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間或溫變變化速率；6）溫度沖擊循環(huán)次數(shù)。

圖6 溫度循環(huán)曲線圖

圖7 溫度循環(huán)試驗(yàn)后出現(xiàn)的變化

表1 一組樣品在-25℃～+55℃之間的溫度循環(huán)試驗(yàn)前后的絕緣強(qiáng)度

上述這些參數(shù)將決定溫度沖擊試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品影響的嚴(yán)酷等級(jí)。一般而言，溫變率增大有利于潛在缺陷的暴露。在環(huán)境可靠性試驗(yàn)中，溫度沖擊應(yīng)力試驗(yàn)要求：溫變率大于15℃/min，轉(zhuǎn)換時(shí)間2～3min；20～30s；＜10s這是與前述的溫度循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)的區(qū)別所在。而目前在國(guó)外，高加速應(yīng)力篩選采用的溫變率已達(dá)到了60℃/min，國(guó)外的溫度沖擊箱，提籃傳送時(shí)間:＜10s(箱內(nèi)通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換提籃傳送)。

3.2 溫度沖擊應(yīng)力特性分析

溫度沖擊這一方法能夠提供較高的溫度變化速率，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，是篩選元器件特別是集成電路器件的有效方法，但試驗(yàn)中要注意其可能造成的附加的損壞；對(duì)于通電和監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，溫度沖擊方法使用不方便，甚至不可能實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)性能以及及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

3.3 溫度沖擊應(yīng)力誘發(fā)失效的機(jī)理及敏感元件

3.3.1 溫度沖擊使樣品發(fā)生熱膨脹變化，造成故障，其敏感元件如各種金屬化孔等；

3.3.2 溫度沖擊使絕緣材料開裂、分層和彎曲變形(見圖8)，造成絕緣性能降低，其敏感元件如塑料等；

3.3.3 溫度沖擊使接鏈開裂、嵌件松動(dòng)、零件間配合不正常，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，嚴(yán)重造成結(jié)構(gòu)性破壞，其敏感元件如機(jī)械傳動(dòng)件等；

3.3.4 溫度沖擊使管帽產(chǎn)生裂紋、襯底開裂，引線封接斷開，其敏感元件如電容器、晶體管等電子元件；

圖8 ： -40℃ 2h, 轉(zhuǎn)換時(shí)間2-3min +125℃ 2h 500 個(gè)循環(huán)后的結(jié)果

3.3.5 溫度沖擊使低彈性產(chǎn)品脆性斷裂、電遷移、熱匹配不良、浪涌電流、密封失效，其敏感元件如低彈性的非晶體等。

4 結(jié)論及意義

綜上所述，環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一，對(duì)評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量意義重大。對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)不僅要看其功能和性能，還要考慮各方面綜合條件，特別是要考慮在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下其功能和性能的可靠性以及維修成本高低等綜合因素。而提高產(chǎn)品可靠性，環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)有著重要作用，沒(méi)有環(huán)境試驗(yàn)就無(wú)法正確評(píng)估、鑒別、分析產(chǎn)品的品質(zhì)，確保產(chǎn)品質(zhì)量?；跓o(wú)法回避的氣候影響和產(chǎn)品，尤其是電子產(chǎn)品在使用中自身發(fā)熱等原因，高溫應(yīng)力、溫度循環(huán)應(yīng)力、溫度沖擊應(yīng)力試驗(yàn)是環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的重要組成部分。掌握高溫應(yīng)力、溫度循環(huán)應(yīng)力、溫度沖擊應(yīng)力的基本參數(shù)和特性原理以及誘發(fā)失效的機(jī)理與敏感元件，對(duì)于提升環(huán)境試驗(yàn)水平非常重要。

[1]何國(guó)偉, 戴慈莊.可靠性試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

[2]GB/T 2421-1999,電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第1 部分：總則[S].

[3]GB/T 2423.22-2002，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)N：溫度變化[S].

[4]陳遁，陶俊勇，張春華.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)與加速壽命試驗(yàn)綜述[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，(4).

[5]張偉.溫、濕、振三綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2004，(6).

[6]GJB 1032-90，電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法[S].