可靠性试验的意义

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可靠性试验的意义
1　可靠性试验的目的与内容
8 g. e, Q1 z- U9 m3 A5 b可靠性试验是评价产品可靠性水平的重要手段。目前把测定、验证、评价、分析等为提高产品可靠性而进行的各种试验，统称为可靠性试验。可靠性试验是开展产品可靠性工作的重要环节。
+ J+ Q& j0 g: n可靠性试验一般是在产品的研发阶段和大规模生产阶段进行的。在研发阶段，可靠性试验主要用于评价设计质量、材料和工艺质量。在大规模生产阶段，可靠性试验的目的则是质量保证或定期考核管理。由于阶段不同，其目的和内容也不完全相同。表3.1列出了根据不同阶段、不同目的所开展的可靠性试验的内容。
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) K! y; m# N7 C& P测试单元组合（Test Element Group，TEG）是指微电子测试结构可靠性评价方法中的测试结构，也叫测试器件群，其主要指供测试用的晶体管器件。随着集成电路集成化和复杂化程度的日益提高，仅在成品阶段进行评价已经不够，而必须在集成电路的制造过程中进行评价。TEG可以针对设计、工艺、材料、单元电路，结合可能出现的失效模式和机理，制成各种可测试的结构图形。它可以放在电路芯片图形的旁边，也可单独在大圆片上占据几个管芯的位置，甚至单独排列在一个大圆片上形成测试圆片，制片时放在正规圆片当中，目的是在研发阶段的制造工艺过程中，就能对设计、工艺、材料和基本单元进行可靠性评价，或者查找失效模式，得出失效机理，以便及时进行反馈。在大规模生产阶段，也可用来监测监控工艺流程。例如，当设计了一种新的薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）器件时，在制造流程中需要测定其电特性，从这些电特性来推导器件模式参数，这时设计专门用于测试的晶体管，即TEG，在TFT阵列基板的制作过程中，也可以在显示区外制造专门的TFT供测试检查用。
3 {- V1 b! }% ?1 Y2 S9 {0 @% r. g可靠性试验所要达到的目的，可归纳为如下三点。
1） 通过试验来确定电子元器件的可靠性特性值。试验暴露出在设计、材料、工艺阶段存在的问题和有关数据，这对设计者、生产者和使用者都是非常有用的。
2） 通过可靠性鉴定试验，可以全面考核电子元器件是否已达到预定的可靠性指标。这是电子元器件新品设计定型必须进行的步骤。
4 d0 H' C# R, Q1 m7 J( V; ^5 n3） 通过各种可靠性试验，了解产品在不同的工作、环境条件下的失效规律，确定失效模式，得到失效机理，以便采取有效措施，提高产品可靠性。

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+ L  I, ?9 f$ y* C8 e- J2　可靠性试验的分类
" o. n$ k( T* E6 z3 ?3 o1 Z# K2 N电子元器件常用的可靠性试验的分类方法很多。可靠性试验按其试验地点和试验方式不同可分为两大类：现场试验（工作可靠性的现场测量）和模拟试验（模拟实际工作状态的试验）。试验室进行的可靠性试验多数属于模拟试验。模拟试验按其试验性质分为破坏性试验和非破坏性试验。
可靠性试验按试验目的可分为可靠性鉴定试验、寿命试验、耐久性试验、筛选试验、可靠性增长试验等。可靠性鉴定试验是为确定产品的可靠性特征值是否达到所要求的水平而进行的试验；寿命试验是为评价分析产品的寿命特征值而进行的试验；耐久性试验是为考察产品的性能与所施加的应力条件的影响关系而在一定时间内所进行的试验；筛选试验是为选择具有一定特性的产品或剔除早期失效产品而进行的试验；可靠性增长试验是通过采取纠正措施，系统并永久地消除某些失效机理，使元器件可靠性获得提高，从而满足或超过预定的可靠性要求的试验。可靠性试验分类如表3.2所示。
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• 1.环境试验
  

环境试验旨在了解产品对环境条件的适应能力，特别是工作在特殊环境或恶劣环境条件下。环境条件对于产品内部所潜在的失效因素起着“加速和加剧”的作用，它是导致形成某种失效机理的一种因素。环境试验要求在较短的时间内观察产品能承受的环境应力。环境条件主要有：
1） 气候条件，包括温度、湿度、气压、潮热、盐雾等；
2） 机械条件，主要是振动、冲击、离心等；
3） 辐射条件，主要是电场、磁场、电磁场，以及其他射线的辐射等；
" S1 \7 }) y, X4） 生物条件，主要是霉菌；
3 v/ j5 P' z3 A" B; r5） 电条件，主要是雷击、电晕放电等；
6） 人为条件，如运输、使用、维修等。
当然，作为电子产品的环境试验不是上述所有项目都进行，而是选择与工作环境相似的项目，或者选择对电子产品可靠性影响最显著的项目来进行。如高低温冲击、温循、潮热、振动、冲击、离心、盐雾、低气压等。它们可以是单一的环境应力，也可能是多种环境应力的组合。我国将使用环境条件分为五类11种：第一类为陆用固定产品，包括地面室内固定、地面室外固定、地下固定产品三种；第二类为地面移动及车载用的产品；第三类为舰船用的产品，包括舰船舱室内、舰船舱室外、潜艇上使用的产品三种；第四类为机载用的产品，包括喷气式飞机和涡轮螺旋桨飞机（含直升机）用的产品两种；第五类为战术导弹上用的产品，包括机舱外空中导弹和地面发射战术导弹用的产品两种。因此，可根据产品的实际使用环境，分析对产品影响最显著的一种或多种环境应力进行模拟环境试验。

• 2.寿命试验
  

寿命试验是可靠性试验中最重要、最基本的内容之一。它是将样品放在特定的试验条件下，测量其失效（损耗）的数量随时间的分布情况。因为失效是按先后次序出现的，所以可利用次序统计量理论来分析寿命试验数据，从而可以确定产品的寿命特征、失效分布规律，计算产品的失效率和平均寿命等可靠性指标。此外，还可以从中确定产品合理的可靠性筛选工艺及条件，进一步改进保证产品质量的依据。
寿命试验以试验项目来划分，可分为长期寿命试验和加速寿命试验，长期寿命试验又分为长期储存寿命试验和长期工作寿命试验，两者的不同点仅仅在于所加应力条件不同，其试验方法和数据处理是相同的。
2 z/ E0 }) e! i& P6 _# c& D储存寿命试验是指模拟电子产品在规定环境条件下处于非工作状态时，评价其存放寿命的试验。试验周期在1000h以上的称为长期储存寿命试验。长期储存寿命试验将产品置于规定的环境条件下储存（只施加环境应力，不施加电应力），以确定储存寿命和失效率。环境条件要根据使用情况来定。我国疆域辽阔，环境条件差别很大，所以在确定环境条件时，一定要了解使用方对器件使用环境的要求。由于储存试验在非工作状态进行，电子产品一般失效率较低，寿命较长，需要抽出较多的样品进行较长的时间来做试验，周期长达3～5年或更长。通过试验所积累的数据，对于提高产品质量、预测产品的可靠性是很有价值的。
' B3 c3 B: N" \+ ^  I8 y工作寿命试验是指模拟电子产品在规定环境条件下，加上负荷使之处于工作状态时，评价其工作寿命的试验。试验周期在1000h以上的称为长期工作寿命试验。长期工作寿命试验将产品置于规定的工作条件（规定的环境条件和电应力条件，以模拟实际工作状态）下试验，以确定使用状态下的寿命值和失效率。如果没有特别指出工作条件，则选用产品技术标准的额定条件，所确定的是额定状态下的寿命值和失效率。
工作寿命试验又可分为连续工作寿命试验和间断工作寿命试验。前者又可分为静态和动态两种工作寿命试验。静态工作寿命试验用于评价产品在额定应力下工作的可靠性，在规定的室温条件下，对器件施加最大耗散功率，分别在240h、480h、1000h、2000h、3000h、4000h、5000h测量器件的电参数；动态工作寿命试验则是模拟器件实际工作状态下的寿命试验。
8 g8 C" k6 G. @- \8 l- u- L3 S# N加速寿命试验就是在不改变失效机理的条件下，用提高应力的方法，使元器件或材料加速失效，以便在较短的时间内取得加速情况下的失效率、寿命等数据，然后推算出在正常状态（额定或实际使用状态）应力条件下的可靠性特征量。
( C$ u) F) }. q$ H6 b9 {% Y2 ~加速应力可以是机械的、物理化学方面的应力，或者是它们的综合应力，这些应力包括：
1） 机械应力：振动、冲击、离心、加速等；
, M' b3 C% @, x8 G2） 热应力：热冲击、高低温循环、高温、低温等；
9 d6 f; M- a! i3 h8 c: c, M2 K3） 电应力：电流、电压、功率等；
4） 其他环境应力：高温、潮热、低气压、盐雾、放射性辐射等。
加速寿命试验按其施加应力方式不同可分为四类。
（1） 恒定应力加速寿命试验
0 O5 |  X7 q" M/ r1 w它是在高于正常应力的几个应力水平下，将一定数量的样品分成相应组数，每组固定一个应力水平进行寿命试验，一直试验到每组样品有一定数量的样品失效为止，然后根据失效数据进行统计分析。此种试验的应力强度S(t)与时间t无关，如图3.1a所示。
（2） 周期应力加速寿命试验
; N  {# c  c* u* W; Y2 ]; ~$ F' s与恒定应力加速寿命试验的区别是，周期应力加速寿命试验周期性地对器件施加应力，用来了解应力对器件失效的影响情况，试验需要确定周期量参数τ1和τ2，如图3.1b所示。
, b9 p+ A$ n) q" _, i（3） 步进应力加速寿命试验（又称阶梯应力加速寿命试验）
1 U( g- p- h! K5 i; Z, B  B步进应力加速寿命试验，对受试样品施加应力的方式是以阶梯形式逐步地提高，其试验应力强度S(t)是试验时间t的阶梯函数，如图3.1c所示。它将一定数量的样品分成几组，每组固定一个时间间隔逐级增加阶梯函数应力，在此应力情况下试验，直到样品有一定数量失效为止。
（4） 序进应力加速寿命试验
. \+ p% v1 _) r! r序进应力加速寿命试验，对受试验品施加应力的方式是以一定速率线性增加应力，其试验应力强度S(t)与时间t的关系如图3.1d所示。它将试验样品分成几组，每组试验应力按不同速率线性增加，直到样品有一定数量失效为止。
利用这些加速试验方法，可以确定器件的失效界限，所以也称为临界试验，通过临界试验不仅可以知道临界寿命，还可以了解器件承受机械强度、电浪涌等的耐量。在疲劳寿命加速试验中，这四种方法已经实际使用，其中，恒定应力加速寿命试验称作“标准试验”。恒定应力试验在电子材料与元器件中得到广泛应用，步进应力试验在元器件加速寿命试验中也开始得到应用，而序进应力试验仅在电子材料中得到一定的应用。

• 3.特殊检测试验
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所谓特殊检测试验是用特殊的设备或仪器进行试验或检测。它在可靠性筛选和失效分析中使用较多，主要用于非破坏试验和失效样品的分析。如红外热谱检测，可检测出电子元器件及材料设计不合理或存在杂质、缺陷等，因为在这些弱点处将产生局部过热或出现过热区，用红外线探测或照相便可在使用前把这些不可靠的产品筛选掉。特殊检测的有关问题将在失效分析中进一步论述。
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• 4.现场使用试验
  

为评价、分析电子元器件的可靠性，在使用现场进行的可靠性试验称为现场使用试验。现场可靠性试验可以真实地反映出产品在实际使用条件下的可靠性水平，因而是最符合实际情况的试验。上面几种试验是在试验室中进行的模拟试验，其正确与否，有待于实际使用或现场可靠性试验来验证。有时在试验室模拟试验没有发现的问题，而在实际使用或现场可靠性试验中会暴露出来。这是因为试验室模拟试验只是选用一种或两种应力进行的，而实际使用中，往往是多种应力同时综合作用于样品上，它对元器件所带来的影响是复杂的、综合全面的，这不是试验室模拟试验所能完全达到的。因此，现场可靠性试验或现场使用试验是可靠性工程的重要内容，可以作为设计、制造过程中的一个重要环节来加以规定。
现场使用试验可以达到如下目的。
- t9 M2 X+ i; E3 Z, I/ Q1） 收集元器件在现场使用的工作可靠性数据，可以进行工作可靠性统计评估，为设备设计中确定元器件可靠性指标提供依据；
9 T- D. m: Y% l2 s2） 对元器件在实际使用条件下的失效率指标与试验室内规定条件下获得的基本失效率指标进行比较，从而获得各种元器件应用环境和使用条件等影响的修正系数（Modified Coefficient）；
3） 对元器件现场使用的失效分类统计，判别各类失效模式的百分比，为改进元器件可靠性提供依据。这不仅能促进该产品可靠性的提高，还为进一步研制新产品的可靠性设计与制造打下一个良好的基础；
# p! }* _$ M* V, o6 \4） 通过现场使用试验，可以分析自然环境应力的大小对元器件可靠性影响的程度，从而确定元器件的环境保护工艺措施及环境试验方法，制定合理的环境试验条件；
/ j5 X4 l8 R# K. K. b3 l5） 现场使用试验还可以分析元器件筛选效果，便于制定和修改元器件筛选工艺规范。
要建立现场使用和失效记录档案，完整而精确地收集各种现场使用试验数据，包括使用时间、工作状态、环境条件、受试元器件性能及其变化情况，失效状态及其原因等。由于试验结果是从现场得来的，因此必须对这些结果进行分析和研究，以保证结果的可靠性和完整性，必要时要进行现场的实际分析，以便对结果进行再判断、再分析，保证结论的正确性。
( m$ _2 q7 k) U2 d& t% H虽然可靠性试验门类很多，不同试验能采集到不同的数据，但它们都反映了在不同阶段不同考核对象的可靠性水平是否达到了预定的可靠性指标。可靠性指标实际上就是可靠性试验的失效判据。采用不同的失效判据，其可靠性评价的结果就会不同。为了通过可靠性试验能准确地对产品进行可靠性评价，除了要精确地确定失效判据外，还要注意正确地选用抽样方法和选用合适的技术标准。下面就对失效判据和技术标准进行介绍。

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3　失效判据
在进行可靠性试验前，首先要确定失效判据。由于失效的判据不同，试验结果也会不同。为此必须做出合理的失效定义（指定失效判据）。
失效一般分为两种，即致命性失效和非致命性失效。致命性失效如断路、短路和严重丧失功能。非致命性失效如漂移失效（漏电流、互连线电阻增加、电源电压下降）。失效将取决于退化的程度。退化的程度不同，失效形式也会不同。把参数退化到什么程度判定为失效，即失效判据不同，可靠性试验的评价结果也会有明显的不同。所以，如何确定失效判据应该非常慎重。
确定失效判据一般有两种考虑：一是从满足工作电流、工作条件的角度来确定试验对象的容限值，二是从产品可靠性可以控制的角度来确定其极限值。对于第一种情况，是使用方从对器件性能的需求来考虑的；对于第二种情况，则是生产方从器件的失效物理出发，根据其失效模式、失效机理来确定失效判据。实际上，这两种考虑应该兼顾。在我们常用的各种技术标准中，都兼顾到了这两方面的考虑。
/ ?, _1 x3 I+ a日本松下公司和日立公司针对数字集成电路和线性集成电路的失效判据如表3.4和表3.5所示。从表3.4和表3.5中可以看出，对于试验的参数都按照一定标准的容限值来评价。一般情况下，以初始值为标准值，选取比标准值的上限值高10％的值为上限判据，选取比标准值的下限值低10％的值为下限判据。

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可靠性试验是评价产品可靠性水平的重要手段

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可靠性试验一般是在产品的研发阶段和大规模生产阶段进行的

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测试单元组合（Test Element Group，TEG）是指微电子测试结构可靠性评价方法中的测试结构，也叫测试器件群，其主要指供测试用的晶体管器件