王皆歡， 霍旭穎(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化分所,上海 200135)

艦船電子設(shè)備熱應(yīng)力參數(shù)探討

王皆歡， 霍旭穎
(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化分所,上海 200135)

環(huán)境應(yīng)力篩選(Environmental Stress Screening,ESS)是產(chǎn)品生產(chǎn)制造過(guò)程中的必要工序，能將產(chǎn)品各階段中的早期故障提早地暴露出來(lái)，保證產(chǎn)品出廠后的高可靠性，減少維護(hù)成本。針對(duì)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的故障，從篩選的角度進(jìn)行分析探討，對(duì)篩選環(huán)境及其參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的分析論證。根據(jù)實(shí)際情況提出針對(duì)性的解決方案，從而提高篩選效率，使篩選后成品故障率得到有效降低，進(jìn)一步控制出廠產(chǎn)品質(zhì)量。

加速因子；應(yīng)力篩選；篩選度

0 引 言

圖1 產(chǎn)品失效率分布

由可靠性工程理論可知，集成電路在其壽命周期內(nèi)總的失效率符合浴盆曲線原則[1]，即早期失效期、偶然失效期和損耗失效期。產(chǎn)品早期失效期主要是由各類不當(dāng)?shù)娜藶橐蛩?產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷、制造加工缺陷調(diào)試缺陷等)造成的，是一個(gè)隨時(shí)間遞減的指數(shù)函數(shù)。當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行后，故障率逐漸趨于穩(wěn)定，進(jìn)入偶然失效期，即正常工作狀態(tài)。當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入使用壽命后期后，故障率由平穩(wěn)狀態(tài)急劇增長(zhǎng)，即進(jìn)入損耗失效期。產(chǎn)品失效率分布見(jiàn)圖1。

熱應(yīng)力篩選是成品出廠前提高其可靠性的有效方法，通過(guò)對(duì)電子產(chǎn)品施加熱應(yīng)力和熱疲勞使被測(cè)產(chǎn)品產(chǎn)生熱力應(yīng)變，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品上集成電路結(jié)溫的變化進(jìn)行沖擊，加速器件缺陷的質(zhì)變過(guò)程，提前暴露出故障，從而篩選出潛在的故障產(chǎn)品，確保出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 篩選參數(shù)分析

對(duì)于未經(jīng)篩選試驗(yàn)的產(chǎn)品，其能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作是小概率事件。根據(jù)浴盆曲線原則，早期失效期時(shí)間跨度可長(zhǎng)達(dá)數(shù)千小時(shí)(如圖1所示)。在這段時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品的各類故障會(huì)不斷地顯現(xiàn)出來(lái)，為盡可能快地越過(guò)該時(shí)間段，通常需對(duì)產(chǎn)品或器件進(jìn)行篩選，以期提前找出缺損件。引入加速因子概念就是為更好地對(duì)這類篩選過(guò)程進(jìn)行分析，使篩選達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。常規(guī)的集成電路屬于結(jié)型半導(dǎo)體器件，失效機(jī)理主要基于介質(zhì)擊穿、熱載流子效應(yīng)和電效應(yīng)[2]，而這些失效的主要影響因素是溫度和電應(yīng)力，這是因?yàn)榻橘|(zhì)擊穿需施加電場(chǎng)作用，在熱應(yīng)力或電正反饋的作用下將柵氧化層擊穿；熱載流子效應(yīng)受通電或外部加熱產(chǎn)生雪崩載流子，使得溝道電流增大，從而影響器件的穩(wěn)定性。

通電篩選出故障產(chǎn)品需數(shù)千小時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，必須進(jìn)行早期失效期的篩選加速。溫度循環(huán)通電篩選是一個(gè)常用的篩選手段，能大大縮短篩選時(shí)間，使故障產(chǎn)品盡早地被剔除。

溫度加速因子的計(jì)算式為

(1)

式(1)中:TU為正常使用下的結(jié)溫溫度;TA為老化情況下的結(jié)溫溫度。

溫度循環(huán)加速因子的計(jì)算式為

(2)

式(2)中：TAH,TAL,TUH,TUL分別為老化情況下和正常使用情況下的高低溫值;β為溫度變化加速率常數(shù)。

由式(1)和式(2)可知,篩選加速時(shí)間取決于常規(guī)使用溫度及老化篩選溫度。在高溫篩選過(guò)程中，可取常規(guī)值進(jìn)行驗(yàn)證：TU=293.15 K(20 ℃),TA=323.15 K(50 ℃)，EA=0.7 ev，K=8.617×10-5ev/K，代入式(1)可得加速系數(shù)AT=13。

在溫度循環(huán)過(guò)程，取常規(guī)值進(jìn)行驗(yàn)證：TAH=333.5K(60 ℃),TAL=233.15K(-40 ℃),TUH=313.15K(40 ℃),TUL=273.75K(0 ℃)，β=4，可得加速系數(shù)AF=39。

由上述加速因子可知，電子元器件在熱應(yīng)力下可極大地縮短早期失效率出現(xiàn)的時(shí)間，即圖1中早期失效期的實(shí)線移動(dòng)到了虛線位置，Δt(Δt=tU-tA)是實(shí)際縮減的篩選時(shí)間。

在確定熱應(yīng)力循環(huán)篩選的有效性后，為更進(jìn)一步分析篩選效果，引入溫度循環(huán)篩選度概念，進(jìn)一步對(duì)篩選參數(shù)進(jìn)行探討。

溫度循環(huán)篩選度計(jì)算式為

ss=1-exp{-0.001 7×(R+0.6)0.6×[ln(e+v)]3n}

(3)

式(3)中:R為溫度變化范圍;v為溫度變化速率;n為循環(huán)次數(shù)。

若令F(n)=ss，則對(duì)n求導(dǎo)可得

(4)

式(4)中:F(n)是關(guān)于n的增函數(shù)，可知溫度循環(huán)次數(shù)增多有利于提高篩選度。同理可推得溫度變化速率v、溫度變化范圍R增大均有利于提高篩選度。

式(3)中R,v,n的取值均直接影響篩選度的大小，利用仿真工具對(duì)參數(shù)R(R∈[55,140]，步長(zhǎng)為5),v(v∈[5,25]，步長(zhǎng)為1)及n(n取值分別為5，10,15)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)仿真，可得出篩選度參數(shù)分布見(jiàn)圖2。

首先對(duì)溫度變化率進(jìn)行分析討論。由圖2可知，溫變速率越高, 篩選效果越好，在高低溫循環(huán)試驗(yàn)中, 升、降溫速率的快慢直接影響到熱應(yīng)力的強(qiáng)度。若升、降溫速率變化過(guò)慢,則熱應(yīng)力作用的發(fā)揮就慢,使得一些潛在缺陷不足以發(fā)展成故障,達(dá)不到剔除潛在缺陷的目的。溫度變化率對(duì)溫度循環(huán)篩選效果的影響極大，因此應(yīng)盡可能地加快溫度變化。由圖2可知，溫變速率從5 K/min提升到10 K/min篩選效果差別明顯。美國(guó)環(huán)境應(yīng)力篩選標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-2164A溫度速率指標(biāo)已由5 K/min提升到10 K/min。

其次對(duì)循環(huán)次數(shù)進(jìn)行分析討論。篩選效率隨循環(huán)數(shù)的增加而迅速提高, 產(chǎn)品越復(fù)雜, 所需的循環(huán)次數(shù)就越多。對(duì)于同種產(chǎn)品而言，循環(huán)次數(shù)越高，所需要的時(shí)間成本和收益之比就越小。因此，在考慮循環(huán)次數(shù)的同時(shí)還要結(jié)合GJB 1032—1990和實(shí)際篩選情況綜合決定，循環(huán)次數(shù)在滿足預(yù)定篩選度的情況下根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的復(fù)雜度等情況進(jìn)行實(shí)際調(diào)整。美國(guó)國(guó)防部DODD4245.7-M推薦條件為n=15。而篩選過(guò)程中高、低溫穩(wěn)定時(shí)間對(duì)篩選效果的影響不大。對(duì)于溫度保持時(shí)間而言，其目的是使得被篩選的目標(biāo)在特定溫度下能得到充分的熱浸透，同時(shí)要能保證產(chǎn)品溫度達(dá)到熱穩(wěn)定。表1是對(duì)極限溫度下的描述[3]。

圖2 篩選參數(shù)分布

圖3 5次、10次及15次循環(huán)下溫度變化與篩選度的函數(shù)關(guān)系(溫差80 K)

表1 GJB 360B—2009對(duì)極限溫度下的描述

對(duì)溫度差進(jìn)行分析討論，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，電子組件溫度循環(huán)試驗(yàn)較理想的溫度范圍為[218.15, 358.15]K。產(chǎn)品模塊上主要電子器件使用級(jí)別為軍工級(jí)[218.15,423.15]K，非關(guān)鍵器件所使用的至少為工業(yè)級(jí)[233.15,358.15]K，GJB 1032—1990對(duì)高低溫極限值的要求是“由產(chǎn)品有關(guān)技術(shù)條件確定。一般取產(chǎn)品的工作溫度, 也可取非工作溫度”[1]，DODD4245.7-M推薦條件為373.15 K(100 ℃)。

2 應(yīng)用分析

取近階段6個(gè)批次的某類型采集類模塊的實(shí)際篩選試驗(yàn)結(jié)果，累計(jì)篩選數(shù)量分別為150,180,100,223,200,20，共計(jì)855塊模塊，其中2塊出現(xiàn)故障，通過(guò)率為99.77%。

產(chǎn)品失效率和壽命期曲線服從浴缸型曲線分布，即早期失效期、偶然失效期和損耗失效期。上述6個(gè)批次的篩選數(shù)據(jù)說(shuō)明在目前篩選條件下所有產(chǎn)品合格，但根據(jù)實(shí)際使用情況，故障率和篩選結(jié)果相差很大，似乎未到偶然失效期;根據(jù)失效分布，可得出2種解釋，產(chǎn)品壽命在老化篩選后臨近損耗失效期和產(chǎn)品篩選后并未達(dá)到正常工作的偶然失效期。對(duì)于第1種情況，這種假設(shè)不能成立，在現(xiàn)有的篩選條件下，僅10 h左右的篩選時(shí)間與正常使用壽命以年為單位相比幾乎不可能使模塊進(jìn)入損耗失效期，這顯然與實(shí)際電子器件的設(shè)計(jì)的MTTF值相矛盾;對(duì)于第2種情況，這種假設(shè)是可能成立的，因?yàn)楹Y選參數(shù)選擇上的差異導(dǎo)致電子設(shè)備還沒(méi)有正式進(jìn)入熱應(yīng)力狀態(tài)或熱疲勞狀態(tài)，也就是篩選強(qiáng)度不夠，因而失效模型會(huì)出現(xiàn)偏差。

實(shí)際的篩選數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,篩選溫度變化為55 K，溫度變化速率為5 K/min，循環(huán)次數(shù)為3次，將上述數(shù)據(jù)帶入到式(3)中計(jì)算可知，篩選度為0.384 3，若考慮到溫度上升均勻等因素，在溫度變化率上取90%，則得實(shí)際的篩選度為0.355 3，篩選期望不理想。

為此，綜合考慮現(xiàn)有艦船產(chǎn)品使用溫度情況分布及實(shí)際篩選設(shè)備的因素，對(duì)原有篩選方案進(jìn)行改進(jìn)。水面艦船產(chǎn)品使用環(huán)境的描述為:最高溫度區(qū)(動(dòng)力艙)溫度可達(dá)到328.15 K(55 ℃)，一般艙室的最低溫度可達(dá)到263.15 K(-10 ℃)。為確保產(chǎn)品能在極限使用溫度下正常運(yùn)行，在篩選時(shí)間的取值上需完整覆蓋整個(gè)溫度應(yīng)用范圍，可取溫度范圍為253.15～333.15 K，即篩選溫度變化為80 K；溫度變化率取篩選效果變化明顯的區(qū)域，取值為10 K/min。

表2 不同參數(shù)選擇下篩選度的對(duì)比

在循環(huán)次數(shù)為10次情況下，使用式(3)可得篩選度的理論值達(dá)到0.976 7，考慮到實(shí)際溫度上升的影響，以實(shí)際溫度變化速率的90%計(jì)算，實(shí)際篩選度為0.970 7；同理,在5次循環(huán)情況下的理論值為0.857 2，實(shí)際值為0.828 7。

由表2可知，改進(jìn)方案的篩選度指標(biāo)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有篩選度指標(biāo)，改進(jìn)方案1為理想情況下的方案，循環(huán)次數(shù)和溫變速率需盡可能地達(dá)到相對(duì)有效的匹配，因此篩選度計(jì)算結(jié)果非常理想，但所需付出的代價(jià)是篩選時(shí)間成倍增加；改進(jìn)方案2為相對(duì)折中的方案，是在考慮到時(shí)間和經(jīng)濟(jì)效益的前提下提出的。對(duì)于保持時(shí)間而言，由于不屬于長(zhǎng)時(shí)間高溫保持，保持階段的篩選強(qiáng)度可忽略不計(jì)，具體可參看恒定高溫篩選強(qiáng)度計(jì)算公式。因此，可根據(jù)產(chǎn)品的密封性和復(fù)雜度情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。篩選策略是在確定主要的參數(shù)范圍后，還應(yīng)考慮實(shí)際設(shè)計(jì)失效率λ和經(jīng)濟(jì)效益等各方面的因素，根據(jù)不同產(chǎn)品的實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)定的選擇。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)熱應(yīng)力篩選參數(shù)進(jìn)行討論和對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行對(duì)比分析，給出了較為理想的篩選參數(shù)選擇方案。隨著科研生產(chǎn)訂單進(jìn)一步增多，產(chǎn)品需求數(shù)量直線上升，伴隨的是產(chǎn)品故障數(shù)量的增多。出于對(duì)產(chǎn)品高可靠性的需求，對(duì)現(xiàn)有的熱應(yīng)力篩選參數(shù)進(jìn)行分析探討，通過(guò)分析論證確定更為有效、合理的篩選策略，在滿足時(shí)間等要求的前提下，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠度，為老化篩選提供一定的理論依據(jù)。

[1] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法:GJB 1032—1990[S].1991.

[2] 應(yīng)旺.大規(guī)模集成電路老煉的分析與研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[3] 中華人民解放軍總裝備部.電子及電氣元件試驗(yàn)方法:GJB 360B—2009[S].2010.

On Thermal Stress Parameters of Marine Electronic Equipment

WANGJiehuan,HUOXuying
(Ship Automation Branch, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

Environmental Stress Screening (ESS) is a necessary process in equipment manufacturing to ensure the reliability of the products and reduce maintenance costs. This paper investigates the fault reports from the products in practical operation from the angle of the ESS process and analyzes the relation between the fault rate and the screen conditions. The intensive thermal stress screening is proposed to improve the effectiveness of screening and reduce the fault rate of products.

accelerating factor; stress screening; screening degree

2016-10-11

王皆歡(1982—)，男，上海人，工程師，碩士，主要從事艦船自動(dòng)化研究。

1674-5949(2016)04-0045-04

U664

A