甘文斌,廖 原,鐘 洪,廖 騫

(烽火通信科技股份有限公司,武漢 430074)

0 引 言

光模塊在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生許多問(wèn)題,其中就包括含硫氣體和含硫顆粒污染物對(duì)光模塊造成的硫化腐蝕現(xiàn)象。含硫氣體和含硫顆粒污染物能夠腐蝕光模塊元器件內(nèi)部的鍍銀層和含銀材料,如片式厚膜電阻和磁珠內(nèi)部的銀電極。光模塊的硫化腐蝕會(huì)造成光通信設(shè)備的硬件故障,因此評(píng)估光模塊內(nèi)部含銀元器件在含硫環(huán)境下的工作壽命引起了行業(yè)研究者的關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于利用加速試驗(yàn)來(lái)模擬銀在含硫環(huán)境下的腐蝕情況,氣體濃度、溫度和濕度是需要考慮的因素[1]。常見(jiàn)的加速硫化腐蝕方法如GB/T 2423.51-2000流動(dòng)混合氣體腐蝕試驗(yàn),其環(huán)境應(yīng)力較弱,不能與當(dāng)前部分地區(qū)的惡劣環(huán)境相適應(yīng),且21天的常規(guī)試驗(yàn)不能充分識(shí)別產(chǎn)品的硫化風(fēng)險(xiǎn),不能準(zhǔn)確預(yù)估產(chǎn)品在含硫環(huán)境下的工程壽命,需要進(jìn)一步延長(zhǎng)流動(dòng)混合氣體腐蝕試驗(yàn)周期,這將極大地增加試驗(yàn)成本,降低試驗(yàn)效率。

本文以通信設(shè)備含硫環(huán)境下的工程壽命預(yù)估為目標(biāo),通過(guò)分析銀在含硫環(huán)境下的腐蝕失效機(jī)理,創(chuàng)新地提出了一種應(yīng)用高加速的硫化腐蝕失效模型進(jìn)行壽命預(yù)估的方法,以威布爾分布作為基準(zhǔn),環(huán)境應(yīng)力作為協(xié)變量,建立工程壽命預(yù)估模型,并收集加速硫化腐蝕試驗(yàn)的失效率數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)估計(jì),最后通過(guò)實(shí)際工程失效數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該預(yù)估模型的可行性和準(zhǔn)確性。

1 可靠性分析

1.1 銀硫化腐蝕機(jī)理

光模塊在高硫環(huán)境下工作時(shí),硫化現(xiàn)象通常發(fā)生在模塊內(nèi)部的貼片電阻和磁珠上。

圖1所示為電阻硫化腐蝕機(jī)理圖,如圖所示,從左至右分別為電阻縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖(圖中,①為包覆層；②為電阻層；③為銀電極；④為基板；⑤為側(cè)面電極；⑥為背面電極；⑦為電鍍層。)、電阻腐蝕位置示意圖以及電阻腐蝕物的成分分析圖(主要為銀和硫元素)。在貼片電阻的銀電極和包覆層的結(jié)合處,環(huán)境空氣中的含硫物(主要是硫化氫(H2S)、二氧化硫(SO2)和羥基硫(COS))可以通過(guò)結(jié)合處的微小孔隙滲透到內(nèi)部銀電極,生成高電阻率的硫化銀,從而使電阻的阻值變大直至開(kāi)路[2]。

圖1 電阻硫化腐蝕機(jī)理圖

圖2所示為磁珠硫化腐蝕機(jī)理圖,如圖所示,從左至右分別為磁珠腐蝕后的無(wú)損X-ray成像圖、切片掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)成像圖和腐蝕物能量散射型X射線(xiàn)(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy,EDX)成像圖(黃綠色為硫化物)。貼片磁珠的外部由鐵氧體燒結(jié)而成,內(nèi)部使用銀箔作為導(dǎo)體線(xiàn)圈,含硫物可以通過(guò)磁珠的鐵氧體燒結(jié)后不致密的小縫隙滲入內(nèi)部,“蠶食”內(nèi)部銀箔電極,導(dǎo)致磁珠的電流電阻(Directive Current Resistance,DCR)變大甚至開(kāi)路。

圖2 磁珠硫化腐蝕機(jī)理圖

銀硫化腐蝕的化學(xué)原理為

1.2 威布爾壽命分布模型

威布爾分布是瑞典數(shù)學(xué)家Weibull提出的數(shù)學(xué)模型,可用于針對(duì)一個(gè)“最薄弱環(huán)節(jié)”組件導(dǎo)致整個(gè)單元或系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況進(jìn)行建模。威布爾分布模型利用概率值可推斷其分布參數(shù),該模型被應(yīng)用于各類(lèi)壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理中[3-5]。3參數(shù)威布爾分布故障概率密度函數(shù)為

式中:m為形狀參數(shù),表征分布密度函數(shù)曲線(xiàn)形狀；η為尺度參數(shù),控制著橫坐標(biāo)尺度的大小,表征特征壽命；γ為位置參數(shù),表征最小壽命參數(shù)；t為試驗(yàn)時(shí)間。

當(dāng)γ=0時(shí),式(1)可轉(zhuǎn)化為兩參數(shù)威布爾分布概率密度函數(shù):

威布爾累積分布故障函數(shù)是指時(shí)間從0到t出現(xiàn)失效的概率,它是對(duì)威布爾分布概率密度函數(shù)在時(shí)間段[0,t]做積分得到的,積分式為

一般試驗(yàn)中我們是采用借助概率紙工具來(lái)分析失效規(guī)律,確定其相應(yīng)分布參數(shù)的方法。我們從可靠性試驗(yàn)中得到的失效信息,一個(gè)是失效產(chǎn)品數(shù),可以通過(guò)其計(jì)算出F(t)；另一個(gè)是相應(yīng)的失效時(shí)間。

我們的思想是通過(guò)數(shù)學(xué)變換將上述復(fù)雜的關(guān)系轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性函數(shù),將失效分析大大簡(jiǎn)化。圖3所示為威布爾坐標(biāo)紙示意圖,將式(5)按照概率紙工具在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下近似簡(jiǎn)化為如圖所示的直線(xiàn)。

圖3 威布爾坐標(biāo)紙示意圖

接下來(lái),我們將利用加速壽命試驗(yàn)來(lái)確定產(chǎn)品的失效分布規(guī)律,從而進(jìn)一步建立壽命預(yù)估模型用以評(píng)估通信電子產(chǎn)品在高硫環(huán)境下的工作壽命。

1.3 加速硫化腐蝕試驗(yàn)

加速試驗(yàn)是指在產(chǎn)品失效機(jī)理不變的前提下,通過(guò)加大應(yīng)力的方法,在較短的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)獲得比正常應(yīng)力下更多的產(chǎn)品信息,利用高應(yīng)力水平下的壽命特征去外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征[6-8]。

《GB 2689.2-1981壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的圖估計(jì)法(用于威布爾分布)》規(guī)定了用于恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的圖估計(jì)法程序,其適用于電子元器件產(chǎn)品的壽命服從威布爾分布、形狀參數(shù)m＞0、特征壽命η＞0和位置參數(shù)γ=0的情況[9]。失效時(shí)間的處理按照《GB 2689.1-1981恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法總則》第6條確定,將失效時(shí)間按從小到大順序排列,并按照表1的格式進(jìn)行處理。

表1 累積失效概率統(tǒng)計(jì)表

表中F(tj)值根據(jù)樣品數(shù)量按照下式計(jì)算:

式中,n為加速試驗(yàn)樣品的總數(shù)量。

如圖4所示,將上述表中的數(shù)據(jù)點(diǎn)[tj,F(tj)]繪制在威布爾概率紙上,如果所描各點(diǎn)大致在一條直線(xiàn)上,配置的這條直線(xiàn)就是產(chǎn)品的壽命分布直線(xiàn)。通過(guò)這條直線(xiàn)我們可估計(jì)形狀參數(shù)m和特征壽命η,并可估計(jì)任意時(shí)刻ta的F(ta)值。

圖4 壽命分布直線(xiàn)示意圖

參照美軍標(biāo)MIL-HDBK-217E(1986)電子產(chǎn)品在同類(lèi)型不同強(qiáng)度的應(yīng)力水平下的加速壽命試驗(yàn),特征壽命η與應(yīng)力φ大多符合逆冪律模型[10]:

式中:φ為同類(lèi)型不同強(qiáng)度的非熱量應(yīng)力；A和B為待定常數(shù)。式(7)的對(duì)數(shù)形式為

式中:a=In A；b=-B。

不同應(yīng)力水平下的特征壽命統(tǒng)計(jì)如表2所示,每一種應(yīng)力對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合直線(xiàn)都對(duì)應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的η。

表2 不同應(yīng)力水平下的特征壽命ηi統(tǒng)計(jì)表

表2 不同應(yīng)力水平下的特征壽命ηi統(tǒng)計(jì)表

應(yīng)力水平φi φ1 φ2 φ3 … φ i特征壽命ηi η1 η2 η3 … η i

特征壽命與應(yīng)力水平的外推關(guān)系圖如圖5所示,圖中直線(xiàn)為特征壽命直線(xiàn)。

圖5 特征壽命與應(yīng)力水平的外推關(guān)系圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)樣品

2.1.1 電阻

選擇C廠(chǎng)商常規(guī)電阻300片,其中0402、0603和0805不同封裝尺寸電阻各100片。圖6所示為加速試驗(yàn)所用電阻測(cè)試板圖,試驗(yàn)前將貼片電阻焊接在如圖所示的印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)上,并采用HIOKI RM3545和四線(xiàn)制對(duì)電阻的阻值進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)前使用去離子水超聲波清洗30 min,并用高壓空氣吹干,確保電阻及PCB表面潔凈無(wú)雜質(zhì)殘留。

圖6 加速試驗(yàn)所用電阻測(cè)試板圖

2.1.2 磁珠

選擇D廠(chǎng)商0402封裝普通磁珠300片,圖7所示為加速試驗(yàn)所用磁珠測(cè)試板圖,試驗(yàn)前將磁珠焊接在如圖所示的PCB上,并采用HIOKI RM3545和四線(xiàn)制對(duì)磁珠的DCR進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)前使用去離子水超聲波清洗30 min,并用高壓空氣吹干,確保磁珠及PCB表面潔凈無(wú)雜質(zhì)殘留。

圖7 加速試驗(yàn)所用磁珠測(cè)試板圖

2.2 加速試驗(yàn)方法

當(dāng)今有許多耐腐蝕性的試驗(yàn)方法,目前在電子產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用的是混合性氣體(Mixed Flowing Gas,MFG)、單一H2S氣體、硫蒸氣(Flower of Sulfur,FoS)、切削油和Chavant含硫粘土腐蝕試驗(yàn)[11-13]。

基于硫化腐蝕機(jī)理的分析,腐蝕時(shí)間、硫元素的釋放濃度、溫度和濕度都是決定腐蝕程度的關(guān)鍵因素,我們選擇FoS和單一H2S氣體腐蝕試驗(yàn)作為加速試驗(yàn)方法,分別在廣州賽寶和北京華測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.1 FoS腐蝕試驗(yàn)

FoS腐蝕試驗(yàn)在廣州賽寶實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)對(duì)象為厚膜電阻,腐蝕氣體為FoS(玻璃容器內(nèi)底部放置硫磺粉和飽和硝酸鉀溶液),試驗(yàn)溫度為105℃。該試驗(yàn)用于評(píng)估和驗(yàn)證不同封裝電阻在相同應(yīng)力下的壽命分布規(guī)律。

2.2.2 單一H2 S氣體腐蝕試驗(yàn)

單一H2S氣體腐蝕試驗(yàn)在北京華測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)對(duì)象為磁珠,腐蝕氣體為H2S,腐蝕氣體濃度為10×10-6、15×10-6和25×10-6(3種濃度對(duì)應(yīng)3種不同的應(yīng)力水平),試驗(yàn)溫度為40℃,試驗(yàn)相對(duì)濕度為85%RH。該試驗(yàn)用于評(píng)估和驗(yàn)證相同封裝磁珠在不同應(yīng)力水平下的加速壽命關(guān)系。

2.3 腐蝕評(píng)估方法

2.3.1 形貌觀察法

形貌觀察法是指運(yùn)用3D光學(xué)顯微鏡或3D Xray對(duì)試驗(yàn)前后的樣品進(jìn)行表面形態(tài)或內(nèi)部形貌觀察,表3所示為典型的電阻和磁珠腐蝕前后照片。通過(guò)3D光學(xué)顯微鏡可發(fā)現(xiàn)電阻表面深灰色覆蓋層和端電極的結(jié)合處相比試驗(yàn)前可見(jiàn)明顯的黑色硫化物。磁珠通過(guò)3D X-ray可發(fā)現(xiàn)內(nèi)部銀箔線(xiàn)圈相比試驗(yàn)前存在銀箔不完整和明顯孔洞狀形態(tài),表明正在發(fā)生硫化腐蝕。

表3試驗(yàn)前后電阻磁珠形貌對(duì)比

2.3.2 元素分析法

元素分析法是指運(yùn)用EDX熒光光譜儀來(lái)測(cè)量元素,其原理是通過(guò)X射線(xiàn)穿透原子內(nèi)部電子,由外層電子補(bǔ)給產(chǎn)生的能量差來(lái)判斷屬于何種元素。

2.3.3 電性測(cè)量法

電性測(cè)量法是指運(yùn)用測(cè)量工具對(duì)試驗(yàn)樣品的關(guān)鍵電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,包含開(kāi)路、短路、電阻變化、參數(shù)不穩(wěn)定和上電功能異常等。

焊接在PCB測(cè)試板上的電阻和磁珠在高硫環(huán)境下內(nèi)部銀電極和銀線(xiàn)圈生成硫化銀,造成DCR變大,因此電性測(cè)量可通過(guò)檢測(cè)DCR的變化率來(lái)統(tǒng)計(jì)電阻和磁珠的累積失效率。對(duì)于電阻,試驗(yàn)后電阻阻值偏離額定值±2%時(shí)判斷為硫化失效；對(duì)于磁珠,試驗(yàn)后磁珠DCR變化率超過(guò)20%時(shí)判斷為硫化失效。表4所示為不同封裝尺寸的電阻在相同應(yīng)力下各時(shí)間段的失效數(shù)量統(tǒng)計(jì)表。表5所示為相同封裝尺寸的磁珠在不同應(yīng)力下各時(shí)間段的失效數(shù)量統(tǒng)計(jì)表。

表4 失效樣品數(shù)統(tǒng)計(jì)表(試驗(yàn)條件:FoS、105℃、n=300)

表5 失效樣品數(shù)統(tǒng)計(jì)表(試驗(yàn)條件:H 2 S、40℃、85%RH、n=100)

3 加速硫化腐蝕壽命模型的評(píng)估

3.1 加速硫化腐蝕壽命符合威布爾分布

FoS氣體腐蝕試驗(yàn)下不同封裝尺寸的電阻在相同應(yīng)力下的壽命分布如圖8所示,黑色、紅色和綠色分別代表0402、0603和0805封裝電阻的累積失效分布。由圖可知,在相同恒定應(yīng)力下,不同封裝的電阻在圖中擬合的壽命直線(xiàn),其直線(xiàn)斜率表征威布爾分布故障概率密度函數(shù)的形狀參數(shù)m,如圖所示,m相近略有不同,說(shuō)明電阻的硫化失效機(jī)理是一樣的,電阻在恒定應(yīng)力下的硫化壽命符合威布爾分布。由圖還可知,小尺寸封裝的電阻在相同應(yīng)力下,硫化失效概率更大。

3.2 不同應(yīng)力下的加速硫化壽命符合逆冪律模型

單一H2S氣體腐蝕試驗(yàn)下,相同封裝尺寸的磁珠在不同應(yīng)力下的壽命分布如圖9所示。

圖8 電阻在FoS試驗(yàn)下的壽命分布圖

3種不同顏色分別對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力水平,綠色最高,黑色最低。由圖可知,在相同恒定應(yīng)力下,磁珠硫化失效故障點(diǎn)分布基本在一條直線(xiàn)上,磁珠在恒定應(yīng)力下的硫化壽命符合威布爾分布；在不同應(yīng)力下的試驗(yàn)結(jié)果擬合3條直線(xiàn)相互平行、斜率相同,即形狀參數(shù)m相同,不同應(yīng)力下,磁珠的硫化失效機(jī)理是一樣的；在加速硫化腐蝕試驗(yàn)中,高的應(yīng)力水平φ對(duì)應(yīng)低的特征壽命η,磁珠的加速硫化腐蝕壽命符合逆冪律模型。

3.3 工程壽命預(yù)估

圖10所示為磁珠工程壽命預(yù)估模型圖。結(jié)合工程中的環(huán)境應(yīng)力水平和實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)的應(yīng)力水平進(jìn)行換算,我們可以按照?qǐng)D10來(lái)預(yù)估工程壽命,磁珠在H2S含量為10×10-9環(huán)境下工程壽命在10年左右。

按照美國(guó)儀表協(xié)會(huì)ISA-71.04-2013劃分的氣體腐蝕性等級(jí)[14],GX環(huán)境下H2S的濃度＞50×10-9,可知普通磁珠的工程壽命大約在2～3年。結(jié)合工程各地返回失效案例統(tǒng)計(jì),在機(jī)房環(huán)境等級(jí)為GX的情況下,磁珠故障前累計(jì)工作時(shí)間均顯示為2年半左右,與加速實(shí)驗(yàn)壽命預(yù)估模型推算的工程壽命一致。

圖10 磁珠工程壽命預(yù)估模型圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析銀腐蝕失效的機(jī)理,實(shí)施了電阻(內(nèi)部端電極含銀)的FoS氣體腐蝕加速試驗(yàn)和磁珠(內(nèi)部由銀箔構(gòu)成線(xiàn)圈)的單一H2S氣體腐蝕加速試驗(yàn),驗(yàn)證了銀的硫化腐蝕壽命符合威布爾分布模型,銀的加速硫化腐蝕壽命和應(yīng)力水平的關(guān)系符合逆冪律模型,并結(jié)合各地工程失效案例驗(yàn)證了該壽命預(yù)估模型的準(zhǔn)確性。這種方法具有良好的收斂性,為光模塊及其他光通信產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)提供了可靠的依據(jù),并針對(duì)光模塊的硫化腐蝕給出了應(yīng)對(duì)措施,對(duì)降低工程失效率、延長(zhǎng)產(chǎn)品工作壽命和提升客戶(hù)滿(mǎn)意度具有重要意義。