張琦，白升旺

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

進(jìn)行電子元器件的老化測試是為了模擬元器件在實(shí)際使用中可能遇到的環(huán)境和條件，以評估其性能、可靠性和使用壽命[1]。這種測試是電子產(chǎn)品開發(fā)和制造過程中的關(guān)鍵步驟之一，有助于識(shí)別潛在的問題，對元器件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并確保產(chǎn)品在長期使用中能夠穩(wěn)定工作。高溫老化工藝是一種用于模擬電子元器件在高溫環(huán)境下長時(shí)間運(yùn)行和暴露的測試方法[2～3]。在實(shí)際應(yīng)用中，電子設(shè)備和元器件往往會(huì)在高溫環(huán)境下運(yùn)行，例如汽車引擎室內(nèi)、工業(yè)控制系統(tǒng)中或戶外的炎熱環(huán)境中[4～5]。因此，高溫老化工藝可以幫助制造商發(fā)現(xiàn)元器件在高溫環(huán)境下可能出現(xiàn)的問題，如性能退化、故障等，可以為改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝和材料選擇提供重要指導(dǎo)[6]。因此，本文提出了高溫老化工藝在電子元器件老化測試工作中的應(yīng)用，旨在通過評估元器件在極端條件下的各項(xiàng)表現(xiàn)，幫助制造商評估產(chǎn)品的壽命、性能和適應(yīng)性。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

■1.1 樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)以集成電路(ICs)作為電子元器件樣品，選擇型號(hào)為LM317T 的電壓穩(wěn)壓器（上海乘圣電氣有限公司）。LM317T 可以提供1.2V～37V 的電壓輸出范圍，這使得它非常靈活，適用于各種不同的電子應(yīng)用。LM317T支持最大1.5A的負(fù)載電流，可以為相對高功率的負(fù)載提供穩(wěn)定的電源；具有0.1%的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)，可以在不同負(fù)載條件下維持非常穩(wěn)定的輸出電壓。LM317T 支持浮動(dòng)操作，可以在輸入電壓和輸出電壓之間具有一定的差異，使其更加適用于不同的電源設(shè)計(jì)。

■1.2 溫度控制和監(jiān)測

確定高溫老化工藝的實(shí)驗(yàn)條件，需要綜合考慮產(chǎn)品的預(yù)期使用環(huán)境、規(guī)范要求以及制造商的經(jīng)驗(yàn)。要選擇一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)中的高溫環(huán)境，在機(jī)柜內(nèi)部溫度較高，目標(biāo)溫度為85°C。老化時(shí)間要能夠涵蓋產(chǎn)品的預(yù)期使用壽命，選擇500h 作為老化時(shí)間。對于集成電路，循環(huán)溫度更接近實(shí)際使用情況，比如日夜溫差，因此實(shí)驗(yàn)選擇每天進(jìn)行2個(gè)溫度循環(huán)，500h 內(nèi)共計(jì)實(shí)現(xiàn)1000 個(gè)循環(huán)。

進(jìn)行高溫老化測試過程中，使用MAG91 1280*1024 非接觸式紅外溫度計(jì)（上海巨哥科技股份有限公司），實(shí)時(shí)測量樣品表面的溫度，用于測量不同位置的溫度，并快速顯示數(shù)據(jù)。熱電偶是一種常見的溫度傳感器，能夠提供高精度的溫度測量。實(shí)驗(yàn)通過將K 型WRNK-191 熱電偶（上海晶帆儀器儀表有限公司）置于樣品附近，測量樣品表面的溫度。使用TK55 溫度數(shù)據(jù)記錄器（科威勒(中國)自動(dòng)化有限公司），實(shí)時(shí)記錄溫度的變化，并生成溫度變化曲線，需要將該設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和報(bào)告生成[7]。實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)格控制溫度，使用瑞士Leister 溫度控制系統(tǒng)（萊丹塑料焊接技術(shù)(上海)有限公司），自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱和冷卻設(shè)備，以確保設(shè)備保持恒定的溫度。

■1.3 老化設(shè)備及樣品放置

老化房間型號(hào)為Model XYZ-1000 High-Temperature Aging Chamber，最大溫度范圍室溫+20°C～200°C，溫度控制精度為±1°C，冷卻方式為強(qiáng)制風(fēng)冷。老化測試設(shè)備型號(hào)為Model ABC-200 Aging Oven，最大溫度范圍在室溫+10°C～180°C，溫度均勻性為±2°C，控制方式采用PID 溫度控制器，通風(fēng)系統(tǒng)選擇內(nèi)部風(fēng)扇。老化測試箱型號(hào)為Model DEF-300 Aging Chamber，最大溫度范圍在室溫+5°C～250°C，溫度控制精度為±0.5°C，分布式溫度傳感器為多點(diǎn)溫度監(jiān)測。樣品放置時(shí)要確保樣品的擺放位置均勻分布，并避免樣品之間的遮擋，以確保溫度分布的均勻性，樣品的放置密度和位置布局應(yīng)根據(jù)測試設(shè)備的特性、樣品的大小和測試要求進(jìn)行調(diào)整。

■1.4 數(shù)據(jù)采集和分析

在進(jìn)行高溫老化測試過程中，使用各種數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測工具來獲取樣品的性能數(shù)據(jù)。使用NI LabVIEWNational Instruments 用來實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)采集，HOBO 數(shù)據(jù)記錄器可用于監(jiān)測溫度、濕度等參數(shù)，使用Excel 表格進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，將從LabVIEW 和HOBO 數(shù)據(jù)記錄器獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel 中，以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和生成圖表和報(bào)告。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

■2.1 性能參數(shù)變化

在高溫老化過程中，元器件的性能參數(shù)（如電壓、電流、頻率等）可能會(huì)發(fā)生變化，這些變化可以代表元器件的性能退化情況[8]。實(shí)驗(yàn)測試元器件在高溫環(huán)境中的性能變化，表格列出了不同時(shí)間點(diǎn)下的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、頻率和老化溫度，電子元器件性能參數(shù)變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 電子元器件性能參數(shù)變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 結(jié)果，可以關(guān)注到元器件的不同性能參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生變化的情況，以了解其在高溫老化環(huán)境中的性能退化趨勢。輸入電壓在整個(gè)老化過程中保持了相對穩(wěn)定的狀態(tài)，變化幅度較小，僅有微小的下降。這表明元器件的電源穩(wěn)定性相對較好，輸入電壓的變化對性能影響有限。輸出電壓在元器件老化過程中逐漸下降，雖然變化幅度較小，但隨著時(shí)間的推移，會(huì)對元器件的功能產(chǎn)生一定影響，下降原因包括內(nèi)部電子元素的性能變化和溫度對電子元器件特性的影響。輸出電流在老化過程中也逐漸下降，變化幅度與輸出電壓類似，與元器件內(nèi)部電子元素的性能變化以及溫度效應(yīng)有關(guān)。頻率在老化過程中逐漸下降，變化幅度相對較小，表明元器件的頻率穩(wěn)定性在高溫環(huán)境下有輕微變化，與內(nèi)部電子元素的特性變化相關(guān)。老化溫度維持在85°C，表明測試條件的穩(wěn)定性得到了保持，體現(xiàn)了測試的可靠性。

分析上述變化，可以獲得對元器件在特定條件下的性能退化趨勢的初步認(rèn)識(shí)。在實(shí)際應(yīng)用中，此種類型的數(shù)據(jù)分析可以幫助制造商評估元器件的可靠性、壽命和適應(yīng)性，從而進(jìn)行有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)的決策。需要注意的是，實(shí)際分析應(yīng)更加綜合和詳細(xì)，涉及更多的測試參數(shù)和統(tǒng)計(jì)分析。

■2.2 失效率分析

在進(jìn)行高溫老化工藝的電子元器件老化測試時(shí)，記錄測試期間發(fā)生的元器件失效情況，以評估元器件的可靠性，圖1 為測試期間的具體失效情況。

圖1 測試期間失效情況

由圖1 可知，電解電容器的電容值在高溫環(huán)境下發(fā)生變化，是由于電解液的性能退化以及電介質(zhì)的損壞引起的；出現(xiàn)2 次相同類型的失效，則提示這一問題在測試中是相對常見的。1 次短路失效可能是由于電容器內(nèi)部的材料老化引起電極間短路，這種失效會(huì)導(dǎo)致電容器無法正常工作，對電路產(chǎn)生不良影響。在本次測試中未出現(xiàn)開路失效，表明電解電容器此方面的性能在高溫環(huán)境下的可靠性較高。發(fā)生泄漏電流失效的情況可能是由于電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的，圖片顯示出現(xiàn)3 次相同類型的失效情況，意味著這一問題在測試中出現(xiàn)的頻率相對頻繁。

基于對元器件特性和失效機(jī)制的深入了解分析元器件失效率可以了解不同失效類型的頻率和機(jī)制，從而評估元器件的可靠性。根據(jù)分析結(jié)果，可以采取相應(yīng)的措施來改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程或材料選擇，以提高元器件的性能和壽命。

■2.3 老化曲線

在高溫老化工藝的電子元器件老化測試中，繪制元器件的老化曲線以觀察性能參數(shù)隨時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)測試集成電路（IC），以評估其在高溫環(huán)境下的性能退化趨勢。圖2 記錄了不同時(shí)間點(diǎn)的輸出電壓性能參數(shù)曲線圖。

圖2 集成電路老化曲線

由圖2 可知，在測試開始時(shí)，IC 的輸出電壓處于初始值，表明它的性能在測試開始時(shí)是良好的。這個(gè)階段通常稱為初始穩(wěn)定性期，IC 工作正常，輸出符合規(guī)格。隨著時(shí)間的推移，IC 的輸出電壓逐漸下降，這表明在高溫環(huán)境下，IC 的性能開始出現(xiàn)退化，可能是由于元器件內(nèi)部材料的老化、電子遷移效應(yīng)或其他因素引起的。此時(shí)，老化曲線的斜率可能很陡峭，表明IC 的性能正在快速下降。在一段時(shí)間后，IC 的輸出電壓趨于穩(wěn)定，盡管仍在下降，但下降速度變緩。這是由于元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的逐漸變化，導(dǎo)致性能穩(wěn)定性下降。這個(gè)穩(wěn)定下降階段被視為可靠性老化測試的持續(xù)部分，它展示了元器件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性損失。

老化曲線的繪制和分析提供了關(guān)于IC 性能隨時(shí)間的變化趨勢的直觀信息，有助于識(shí)別元器件可能出現(xiàn)問題的時(shí)間點(diǎn)以及性能參數(shù)的變化程度。分析可以用來預(yù)測元器件在未來使用中的壽命，幫助制造商和設(shè)計(jì)師確定何時(shí)需要維護(hù)或更換元器件。

在實(shí)際應(yīng)用中，此類老化曲線圖表對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的決策非常重要，可以幫助相關(guān)人員更好地了解元器件在不同環(huán)境條件下的可靠性，并為產(chǎn)品壽命測試和改進(jìn)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。此外，老化測試結(jié)果可以用來確定產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以確保產(chǎn)品在實(shí)際使用中的性能穩(wěn)定性。

■2.4 性能穩(wěn)定性評估

開展性能穩(wěn)定性評估可以了解元器件的性能是否在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，或者是否存在明顯的波動(dòng)和不穩(wěn)定性。溫度傳感器在高溫老化環(huán)境中的不同時(shí)間點(diǎn)的輸出溫度數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 輸出溫度數(shù)據(jù)記錄

由表2 可知，在測試開始時(shí)，溫度傳感器的輸出溫度為初始值為25.0°C。隨著時(shí)間的推移，溫度傳感器的輸出溫度逐漸上升，從初始的25.0°C 上升到26.8°C?？梢宰⒁獾綔y試時(shí)間在400h 的時(shí)候，輸出溫度略有下降，而在500h 時(shí)又略有上升，此種波動(dòng)表示溫度傳感器在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)存在某種程度的不穩(wěn)定性。

綜合來看，溫度傳感器法在高溫老化環(huán)境中不同時(shí)間段的記錄情況，反映了溫度傳感器在高溫老化環(huán)境中的性能穩(wěn)定性情況。通過分析表格中的溫度數(shù)據(jù)，可以觀察到溫度傳感器輸出溫度的變化趨勢，以及是否存在不穩(wěn)定性或波動(dòng)。有助于相關(guān)人員了解元器件在一段時(shí)間內(nèi)的性能表現(xiàn)，并評估其是否滿足產(chǎn)品要求。需要注意，為更全面地了解元器件的性能穩(wěn)定性情況，實(shí)際的性能穩(wěn)定性評估可能會(huì)涉及更多的參數(shù)和統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)束語

高溫老化工藝在電子元器件老化測試工作中的應(yīng)用不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)手段，更是保障產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的重要工具。模擬實(shí)際使用中可能遇到的高溫環(huán)境，可以深入了解元器件的性能變化和可靠性退化情況。開展失效率分析、老化曲線繪制以及性能穩(wěn)定性評估等實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析工作，能夠提供寶貴的數(shù)據(jù)，用于評估元器件的可靠性和預(yù)測其壽命。未來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高溫老化工藝將繼續(xù)在電子元器件制造領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為產(chǎn)品質(zhì)量和性能提供更可靠的保障。