李 鵬，李永正，黨 煒，張澤明

（中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094）

COTS器件序貫加速溫度循環(huán)評估試驗方法研究

李 鵬，李永正，黨 煒，張澤明

（中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094）

商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）器件以其高性能、低成本的特點，在航天領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。目前國內(nèi)還沒有公開的COTS器件可靠性保證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通常是按照軍用標(biāo)準(zhǔn)做升級篩選后使用，試驗時間長、成本高，并且還存在欠試驗和過試驗的風(fēng)險。本文針對元器件評估試驗中的溫度循環(huán)項目，結(jié)合加速試驗和序貫概率比試驗，形成COTS器件序貫加速溫度循環(huán)評估試驗方法。首先分析比較國外COTS器件溫度循環(huán)評估規(guī)范，其次介紹指數(shù)分布場合序貫試驗方案，再次提出序貫加速溫度循環(huán)評估方法，最后對某型DC/DC變換器開展了溫度循環(huán)評估試驗，對其可靠性指標(biāo)進(jìn)行了驗證，說明了本方法的可行性與優(yōu)越性。

COTS；加速試驗；序貫試驗；溫度循環(huán)；評估試驗

隨著我國載人航天工程的跨越式發(fā)展，對航天產(chǎn)品使用的電子元器件技術(shù)要求越來越高，對可靠性要求主要體現(xiàn)在長壽命和低成本兩個方面——壽命要求逐漸增加，大量采用商用貨架產(chǎn)品(zzzzzzzz, Commercial Off-The-Shelf)[1]。COTS器件具有功能性能先進(jìn)、采購渠道方便、供貨周期短、價格低廉等突出優(yōu)點，但也存在著質(zhì)量可溯性不強，無法獲取廠家生產(chǎn)和試驗信息，空間環(huán)境下低可靠等風(fēng)險[2][3]。NASA對791批次空間用COTS器件開展元器件評估，批次平均通過率僅為63 %；中科院空間應(yīng)用中心可靠性保障中心質(zhì)保296批COTS器件，總體批不合格率19 %。因此有必要研究COTS器件評估試驗方法，驗證其空間應(yīng)用的可行性，為低等級器件空間應(yīng)用提供試驗依據(jù)。TG-1中大容量存儲單元兼顧了高性能和低成本的需求，采用COTS等級NAND FLASH器件，在經(jīng)過可靠性保證后上天，任務(wù)周期內(nèi)無器件失效、無壞塊數(shù)產(chǎn)生、備份未啟動。

塑封器件在高低溫應(yīng)力交替作用下會不斷膨脹與收縮，由于塑封料與芯片、基板和引線架等材料的膨脹系數(shù)差異，接觸界面的結(jié)合點會產(chǎn)生剪切力。隨著應(yīng)力的累積，會導(dǎo)致塑封料與芯片、基板和引線架等接觸界面產(chǎn)生裂紋和分層缺陷，甚至造成器件的電參數(shù)漂移以致失效。因此，COTS器件溫度循環(huán)評估試驗主要是利用不同材料熱膨脹系數(shù)的差異，加速其因溫度快速變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力對試件所造成的劣化影響，驗證元器件可靠性指標(biāo)是否達(dá)到規(guī)定要求。

國內(nèi)外學(xué)者對溫度循環(huán)評估試驗開展了廣泛的研究，Shohji通過開展多水平溫度循環(huán)試驗，使用修正Coffin-Manson模型對芯片級封裝焊點熱疲勞壽命進(jìn)行了可靠性評估[4]；Cui對某塑封器件溫度循環(huán)試驗結(jié)果進(jìn)行失效分析，討論了Coffin-Manson模型的適用性[5]；Alberti研究了溫度循環(huán)應(yīng)力下鍍銅倒裝焊球柵陣列集成電路的失效機理，即循環(huán)熱應(yīng)力使芯片與鋁基板之間出現(xiàn)裂紋，造成彎曲度變化[6]；He針對給定溫度試驗剖面，提出了一套DC/DC變換器故障診斷方法，對失效壽命進(jìn)行有效預(yù)計[7]。大多數(shù)研究都從器件的失效機理、加速模型出發(fā)，評估其壽命與可靠性是否滿足要求，而低成本COTS器件可采用故障物理與統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法對其可靠性指標(biāo)進(jìn)行評估驗證，采用序貫試驗抽樣方案可充分利用各故障發(fā)生時提供的信息，“一邊做，一邊看”，克服了定時、定數(shù)截尾試驗抽樣方案一次決定的缺點，既節(jié)省了試驗樣本，又縮短了試驗時間。

本文提出了一種COTS器件序貫加速溫度循環(huán)評估試驗方法研究。首先對國內(nèi)外COTS器件溫度循環(huán)評估試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較分析，其次引入指數(shù)分布型序貫試驗方案，然后提出序貫加速溫度循環(huán)評估試驗方案，最后以某低等級DC/DC變換器為例闡述了本方法的有效性和便捷性。

1 COTS器件溫度循環(huán)評估標(biāo)準(zhǔn)

典型軍用級器件要求溫度范圍是-55～125 ℃，而COTS器件溫度范圍一般不超過-40～85 ℃，因此工作溫度范圍的擴大造成COTS器件在嚴(yán)酷復(fù)雜空間環(huán)境下存在很大隱患。另外，與高可靠軍用元器件不同，用戶一般不清楚COTS器件廠商的設(shè)計、材料、生產(chǎn)流程和質(zhì)量控制手段，也導(dǎo)致了COTS器件空間應(yīng)用場合的風(fēng)險。因此，COTS器件空間應(yīng)用需要經(jīng)過篩選、評估、破壞性物理分析/結(jié)構(gòu)分析等試驗與分析項目，剔除早期缺陷、考核可靠性、預(yù)防失效。針對低等級塑封器件在空間任務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用，NASA和ECSS分別制定了NASA/TP-2003-212244和ECSS-Q-ST-60-13C低等級器件評估、篩選標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。兩種規(guī)范屬于通用性總規(guī)范，NASA標(biāo)準(zhǔn)僅適用于低等級塑封器件，ECSS標(biāo)準(zhǔn)適用于所有塑封和密封的低等級器件[8]。國內(nèi)XX系統(tǒng)借鑒NASA和ECSS，也制訂了《XX空間應(yīng)用使用商用產(chǎn)品評估要求》，對COTS器件空間應(yīng)用建立了一套完整的可靠性保證體系，但屬于內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)沒有公開。

在低等級器件評估試驗中，溫度循環(huán)是必須進(jìn)行的一項試驗，NASA和ECSS的低等級器件評估規(guī)范中，對溫度循環(huán)的試驗條件參見表1，對于風(fēng)險等級為Level 1任務(wù)，評估試驗中直接進(jìn)行500次的溫度循環(huán)試驗。一次性進(jìn)行500次溫度循環(huán)試驗后，再次進(jìn)行電參數(shù)測試、C-SAM、DPA/CA等分析項目，該評估方法能滿足任務(wù)可靠性需求，但是存在試驗成本高、樣品需求多等缺陷。特別是500次溫度循環(huán)試驗后出現(xiàn)的失效，只能獲取截尾失效數(shù)據(jù)，無法利用各失效時刻數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，另外未針對各器件特點設(shè)計試驗剖面，只是籠統(tǒng)地采用-55～+125 ℃試驗條件。因此，針對以上溫度循環(huán)評估試驗的不足，需要有針對性制定評估標(biāo)準(zhǔn)方案，既確保COTS器件滿足任務(wù)需求，又有利于降低試驗總成本。

表1 COTS器件溫度循環(huán)評估試驗標(biāo)準(zhǔn)

2 指數(shù)分布序貫試驗方案

序貫試驗是從批產(chǎn)品中抽取一組受試產(chǎn)品，檢驗后按照判決準(zhǔn)則做出接收或拒收該批產(chǎn)品或繼續(xù)試驗的決定[9]。

從一批產(chǎn)品中隨機抽取n個樣品進(jìn)行試驗，t1＜t2<……

若試驗樣品無替換，則T為

若試驗樣品有替換，則T為

電子產(chǎn)品壽命一般服從指數(shù)分布，θ為MTBF，因此可靠度函數(shù)為

總試驗時間T時，發(fā)生r次失效的概率為：

檢驗下限（拒收的MTBF）和檢驗上限（接收的MTBF）分別為θ1和θ0，序貫試驗的關(guān)鍵在于P(θ1)和P(θ0)概率之比，A, B為判斷界限，α, β, d分別是生產(chǎn)方風(fēng)險、使用方風(fēng)險和鑒別比。序貫試驗判決準(zhǔn)則為

1)如果P(θ1)/P(θ0)≤B，接收批產(chǎn)品，停止試驗；

2)如果P(θ1)/P(θ0)≥A，拒收批產(chǎn)品，停止試驗；

3)如果B＜P(θ1)/P(θ0)＜A，繼續(xù)試驗，到下一個判決值時再做比較。

序貫試驗接收線和拒收線為：

其中：

為了避免長時間無法做出接收或拒收的情況，選取截尾故障數(shù)r0，確定截尾線，如圖1所示。

3 序貫加速溫度循環(huán)驗證

加速試驗作為可靠性驗證和評估的重要工具已經(jīng)得到廣泛的研究應(yīng)用。焊點熱疲勞失效機理可以由Norris-Landzberg模型描述，因此溫度循環(huán)加速模型為[10]：

其中Ea為激活能；K=8.623×10-5eV/K為Boltzmann 常數(shù)；Ff和Ft，ΔTf和ΔTt，Tf_max和Tt_max分別為正常應(yīng)力和加速條件下的日循環(huán)數(shù)、溫度變化范圍、最高溫度；α為與材料和尺寸有關(guān)的疲勞延性指數(shù)；m為循環(huán)頻率系數(shù)。

加速應(yīng)力下等效總試驗時間為[11]：

繼續(xù)時間條件則變?yōu)椋?/p>

圖1 序貫截尾抽驗方案判決圖

4 案例分析

INTERSIL公司某型DC/DC變換器為降壓型電源模塊，質(zhì)量等級為工業(yè)級，器件工作結(jié)溫-40～+125℃，電壓范圍4.5～20 V，輸出電壓范圍0.6～6 V。利用Chroma8000測試系統(tǒng)對其滿載輸出電壓、效率等電參數(shù)進(jìn)行測試。由于測試條件限制，需要將樣品從試驗箱中取出才能進(jìn)行測試。失效率要求不超過2×10-5，所以檢驗下限為50 000 h。

由于未開展可靠性強化試驗對溫度工作極限和破壞極限進(jìn)行摸底，因此參照標(biāo)準(zhǔn)將8個樣品投入-55～125 ℃條件下進(jìn)行無替換溫度循環(huán)試驗，極限溫度停留時間15 min，轉(zhuǎn)換時間1 min，因此加速試驗應(yīng)力下一次溫度循環(huán)時間為32 min。正常應(yīng)力下循環(huán)時間為97 min，溫變范圍為-40～85 ℃，假設(shè) m=0.33, α=1.9, Ea=0.8eV, 計算結(jié)果如表2所示。

表2 加速應(yīng)力和正常條件下溫度循環(huán)試驗條件

由于系統(tǒng)級、設(shè)備級的可靠性指標(biāo)會在相應(yīng)階段的鑒定試驗中予以驗證，因此針對元器件可選取α=β=0.3，d=2，根據(jù)GJB 899A-2009，采用短時高風(fēng)險試驗方案對器件進(jìn)行驗證，正常應(yīng)力下序貫試驗方案如表3所示[12]。

表3 正常應(yīng)力下序貫試驗統(tǒng)計方案

第一次判決時刻t=1.72θ1/AF/n=334 h，因此試驗進(jìn)行到334 h后將樣品取出進(jìn)行X光檢查和高溫、低溫、室溫測試，測試數(shù)據(jù)表明器件封裝完好，性能指標(biāo)正常無明顯變化。表4所示為溫度循環(huán)試驗前后滿載輸出電壓和效率的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)電壓保持恒定，效率有波動，但變化不大。因此無失效發(fā)生，作出接收批產(chǎn)品的判決，認(rèn)為在規(guī)定的使用條件下該COTS DC/DC變換器可滿足2×10-5的可靠性要求。若采用NASA和ECSS標(biāo)準(zhǔn)，本試驗至少需要22個試驗樣品，循環(huán)數(shù)500次后若無失效可作出接收判決，但是無法定量地回答器件可靠性指標(biāo)。比較而言，本方法可有效解決COTS器件溫度循環(huán)評估驗證問題，且節(jié)省樣品、縮短試驗時間。

表4 試驗前后滿載輸出電壓、效率數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1）序貫加速溫度循環(huán)評估試驗可有效保證COTS器件可靠性，克服了定時、定數(shù)截尾試驗抽樣方案一次決定的缺點，既節(jié)省了試驗樣本，又縮短了試驗時間。

2）COTS器件溫度循環(huán)評估試驗條件應(yīng)根據(jù)器件實際應(yīng)用條件來制定，包括可靠性指標(biāo)、環(huán)境應(yīng)力、工作應(yīng)力等。

3）COTS器件由于成本相對低廉，在試驗評估過程中可投入相對多的樣本以節(jié)省試驗時間，但應(yīng)注意樣品成本、試驗成本、測量成本等的優(yōu)化配置。

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Research on Accelerated Sequential Thermal Cycling Evaluation Tests for COTS Components

LI Peng, LI Yong-zheng, DANG Wei, ZHANG Ze-ming
(Technology and Engineering Centre for Space Utilization, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094)

More and more COTS components have come into space application area because of its superior performance and low cost. However, there are no relevant reliability assurance standards for COTS components. The regular solution is using military standards after the upgrading and screening test,but it can be time-consuming and high-cost, besides this, the method is liable to cause the risk of over-test and short-test. Focusing on the thermal cycling program during the evaluation test of components, this paper proposes an accelerated sequential thermal cycling evaluation tests method by combining accelerated testing and sequential probability ratio testing (SPRT). Firstly, the foreign thermal cycling standards for COTS components are analyzed, then the sequential testing is illustrated.Moreover, the accelerated sequential thermal cycling evaluation tests method is presented. Finally,the thermal cycling test is carried out with COTS DC/DC converters to demonstrate its reliability,which means the method is feasible and effective.

COTS; accelerated test; sequential test; thermal cycling; evaluation test

V443

A

1004-7204(2017)04-0065-05

國家自然科學(xué)基金（61703391）；中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心前瞻性課題(CSU-QZKT-201714)；中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)專項基金項目(CASYI2014135)。

李鵬（1992-），男，助理工程師，碩士，從事環(huán)境可靠性研究工作。