电子元器件的可靠性（上）

电子元器件的可靠性（上）

•1.可靠性的概论

•2.可靠性试验的分类

•3.元器件试验的方法与设备

•4.失效模式与失效机理

•5.失效分析

可靠性定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

该定义明确指出评价一个产品的可靠性，与规定的工作条件和规定的工作时间有关，也与规定产品应完成的功能有关。 而 “三个规定”是理解可靠性概念的核心。

“产品”：新版ISO9000中定义的硬件和流程性材料等有形产品以及软件等无形产品。

在这里，我只把“产品”定义缩小为零件，元器件，部件，设备或系统。

规定的工作条件：指产品工作时所处的环境条件、负荷条件和工作方式。

环境条件一般分为气候环境和机械环境。负荷条件是指电子元器件所承受的电、热、力等应力的条件。工作方式一般分为连续工作或间断工作，不工作的情况属于存贮状态。

气候环境：温度、湿度、气压、盐雾、霉菌、辐射等

机械环境：振动，冲击，碰撞、跌落、离心、摇摆等

电应力：静电，浪涌，过电压，过电流，噪声

温度应力：高温，低温，温度循环

规定的时间：“规定的时间”是指评价电子元器件的可靠性和规定的时间有关。可靠性本身就是时间的函数，要保持电子元器件全部性能处于良好的工作状态，时间长比时间短更困难。在同一工作条件下，保持的时间越长可靠性越高。所以，在讨论电子元器件可靠性时，必须指明在多长时间内的可靠性。

平均寿命：元器件平均故障间隔时间(MTBF)：整机设备

可靠性试验是对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。具体目的有：

(1) 发现产品的设计、元器件、零部件、原材料和工艺等方面的各种缺陷;

(2) 为改善产品的完好性、提高任务成功性、减少维修人力费用和保障费用提供信息;

(3) 确认是否符合可靠性定量要求。

可靠性是一项重要的质量指标，只是定性描述就显得不够，必须使数量化，这样才能进行精确的描述和比较。可靠性的定量表示有其自己的特点，由于使用场合的不同，还难用一个特征量来完全代表。

Ø可靠度R或可靠度函数R(t)

产品的可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功率的功率.

假设规定的时间为t,产品的寿命为T,在一批产品中的寿命有毒T>t,也有的  T≤t,从概率论角度可将可靠度表示为T>t的概率，即

在数值上，某个事件的概率可以用试验中的该事件发生的频率来估计。例如取N0个产品进行试验，若在规定的时间t内有r(t)个产品失效，则此时还有N0-r(t)个产品可以完成规定的功能。在N0足够大时，可靠度的估计值为

从可靠度的定义可知，可靠度是对一定的时间而言的，如果规定时间的不同，可靠度的数值也不同。因此，可靠度R是时间t的函数，固又称为可靠度函数R(t)。

累积失效概率——是产品在规定条件和规定时间内失效的概率，其值等于1减可靠度。也可说产品在规定条件和规定时间内完不成规定功能的概率，故也称为不可靠度，它同样是时间的函数，记作F(t)。有时也称为累积失效分布函数(简称失效分布函数)。其表示式为：

从上述定义可以得出：F(0)=0，F(∞)=1。

由此可见，R(t)和F(t)互为对立事件。失效分布函数F(t)与时间关系曲线如图1-4所示。

失效概率密度——是累积失效概率对时间的变化率，记作f(t)。它表示产品寿命落在包含t的单位时间内的概率，即产品在单位时间内失效的概率。其表示式为:

失效率——是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。记作λ(t)，称为失效率函数，有时也称为故障率函数。

按上述定义，失效率是在时刻t 尚未失效的产品在t~t+Δt 的单位时间内发生失效的条件概率，即：

λ(t)反映t 时刻失效的速率，故也称为瞬时失效率。

每个电子元器件的失效虽然是个随机事件，是偶然发生的，但是大量元器件的失效却呈现出一定的规律性。从产品的寿命特征来分析，大量使用和试验结果表明，电子元器件的失效率曲线符合“浴盆曲线”，可以划分为三段：早期失效段、恒定(随机或偶然)失效段、耗损失效段。

早期失效段，也称早期故障阶段。早期失效出现在产品寿命的较早时期，产品装配完成即进入早期失效期，其特点是故障率较高，且随工作时间的增加迅速下降。早期故障主要是由于制造工艺缺陷和设计缺陷暴露产生，例如原材料缺陷引起绝缘不良，焊接缺陷引起虚焊，装配和调整不当引起参数漂移，元器件缺陷引起性能失效等。早期失效可通过加强原材料和元器件的检验、工艺检验、不同级别的环境应力筛选等严格的质量管理措施加以暴露和排除。

偶然失效期是在早期失效期之后, 此阶段是电子元器件的正常工作期, 其特点是失效率比早期失效率低得多, 而且稳定, 失效率几乎与时间无关, 近似为一常数。电子元器件的使用寿命就是指这一时期。这一时期的失效是由偶然不确定因素所引起的, 失效发生的时间也是随机的。

电子元器件工作的后期称为耗损失效期, 此阶段的特点刚好与早期失效期相反, 失效率随工作时间增加而迅速上升。耗损失效是由于元器件长期使用而产生的损耗、磨损、老化、疲劳等原因所引起的, 是电子元器件的寿命终结。

在实际中元器件不一定都会出现上述的三个阶段,

在成批的电子元器件中, 有些元器件的失效率曲线是递增型、有些是递减型, 而有些则是常数型, 如图所示。浴盆曲线可看成是三种失效率曲线的叠加合成。

2.2可靠性试验项目的分类

Ø可靠性筛选

定义：在产品制造过程中，将不符合要求的产品(包括成品、半成品)剔除，而将符合要求的产品保留下来的试验过程称为筛选。

注意在产品制造过程中，对各种工艺质量的检验，成品、半成品的性能参数测试都要进行筛选。

目的：筛选目的是为剔除早期失效的产品。

① 可靠性筛选可以提高一批产品使用的可靠性，但并不能提高每一个产品的固有可靠性，因为筛选不能改变失效机理而延长任何单个元器件的寿命，它只是剔除早期失效的产品后使剩下产品的平均寿命比筛选前平均寿命提高了。

② 筛选不同于质量验收。质量验收是通过抽样检验判定一批产品是否合格从而决定接收或拒收，而筛选是对于合格产品100%地进行试验，以剔除早期失效产品。

③ 筛选应力要选择好，不要对好产品造成损伤。

Œ检查筛选：包括显微镜检查筛选，红外线非破坏性检查筛选，x射线非破坏性检查筛选。

密封性筛选：液浸检漏筛选，湿度试验筛选。

环境应力筛选：振动，离心加速度，冲击，温度循环等。

寿命筛选：高温贮存，功率老化等

原理：环境应力筛选是通过向电子装备施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，以便人们发现并排除。

环境应力筛选是装备研制生产的一种工艺手段，筛选效果取决于施加的环境应力、电应力水平和检测仪表的能力。施加应力的大小决定了能否将潜在的缺陷在预定时间内加速变为故障;检测能力的大小决定了能否将已被应力加速变成故障的潜在缺陷找出来，以便加以排除。因此，环境应力筛选又可看作是产品质量控制检查和测试过程的延伸。

2.4寿命试验和加速寿命试验

Ø寿命试验的定义

评价分析产品寿命特征的试验。产品的失效率、平均寿命等可靠性特征量反映了产品的寿命特征。

了解产品寿命分布的统计规律以作为可靠性分析的基础，作为制定筛选条件和改进产品质量的依据。

按试验进行的时间分：长期寿命试验和加速寿命试验

按欲测定各阶段可靠性可分为：贮存寿命试验和工作寿命试验

按进行试验的截尾方式可分为：非截尾试验和截尾试验，截尾试验又分为定数截尾和定时截尾。

长期寿命试验：模仿正常工作应力进行的寿命试验，该试验需要较长的时间。

加速寿命试验：是在既不改变产品的失效机理又不增加新的失效因子的前提下，提高试验应力，加速产品失效进程的一种试验试法。这种试验可以用较短的时间快速的评价产品的可靠性。

具体又分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验。

贮存寿命试验：产品在规定的环境条件下进行非工作状态的存放试验。

通过贮存试验可以了解产品在特定环境条件下的贮存可靠性。如解决贮存期间的参数变化规律，能否保持原有的可靠性指标，贮存期可多长等。

a.贮存条件根据产品的实际贮存情况可有室内，棚下、露天、坑道等。

b.由于贮存试验样品处于非工作状态，失效率较低，通常要选择较多的样品做较长期的观察测量。

工作寿命试验:对产品有规定条件下(保证工作状态)作加负荷的试验。

非截尾寿命试验:试验一直进行到全部试验样品都失效才截止的试验。

截尾寿命试验：试验没有进行到全部试验样品都失效就截止的试验。

a.定时截尾：试验进行到规定的时间就结束。

b.试验进行到规定的失效数就结束。