1、引言

光電子器件的可靠性研究，正日益受到各行業(yè)的重視，特別是光電器件作為軍品使用時(shí)，它的可靠性就越顯得格外重要。我國對光電子器件可靠性的研究，與國外相比，存在很大的差距。這些可靠性問題的解決，除與資金有關(guān)外，還有賴于全體科技人員質(zhì)量意識的提高和對可靠性知識的掌握。本文以此為指導(dǎo)思想，試圖就可靠性試驗(yàn)的一般知識作一簡要介紹。

2、概述

可靠性試驗(yàn)是指在試驗(yàn)室里，用模擬現(xiàn)場工作和環(huán)境條件進(jìn)行試驗(yàn)，以確定產(chǎn)品可靠性的方法。電子元器件的可靠性試驗(yàn)包括模擬現(xiàn)場使用條件的一般失效率試驗(yàn)和大應(yīng)力強(qiáng)度的加速壽命試驗(yàn)。而對電子設(shè)備而言，則是指模擬現(xiàn)場工作條件和環(huán)境條件而進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)。任何與失效或失效效應(yīng)有關(guān)的試驗(yàn)都可認(rèn)為是可靠性試驗(yàn)，常用的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目見圖1所示。

可靠性試驗(yàn)的目的有：

（1）在研制階段使產(chǎn)品達(dá)到預(yù)定的可靠性指標(biāo)；

（2）在生產(chǎn)過程中不斷監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量；

（3）制訂合理的工藝篩選條件，

（4）對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性鑒定或驗(yàn)收，

（5）研究器件的失效機(jī)理。

通常產(chǎn)品壽命期分為三個(gè)互相連接的階段，如圖2。

（1）老煉期，這個(gè)階段中由于存在早期失效，失效率較高，這個(gè)區(qū)域通常也稱為早期失效區(qū)。其特點(diǎn)是產(chǎn)品的失效牢隨時(shí)間的增長而迅速下降。

（2）使用壽命期，通常也稱為偶然失效區(qū)。這一階段的特點(diǎn)是時(shí)間長，產(chǎn)品的失效率最低，并且近似穩(wěn)定為一個(gè)常數(shù)。

（3）耗損期，在這一階段中由于有壽命期的元器件開始老化產(chǎn)生老化失效，失效率較高。這個(gè)區(qū)域通常也稱耗損失效區(qū)。其特點(diǎn)是產(chǎn)品失效率隨時(shí)間增加而增加，表現(xiàn)為機(jī)械零件損壞，元器件大景衰老，故這個(gè)區(qū)域也可稱為衰老期。

可靠性試驗(yàn)通常是在使用壽命期中進(jìn)行為用戶對這一階段最感興趣。

3、可靠性試驗(yàn)種類

按試驗(yàn)的目的可靠性試驗(yàn)又可分為高效應(yīng)力篩選試驗(yàn)、可靠性增長試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)、可靠性交收試驗(yàn)。

3.1高效應(yīng)力篩選試驗(yàn)

可靠性篩選試驗(yàn)的目的是為選擇具有一定特性的產(chǎn)品，或是為剔除早期失效穩(wěn)定失改率而進(jìn)行的一種試驗(yàn)。它是提高產(chǎn)品使用可靠性的一項(xiàng)有效措施。在正常情況下，通過篩選的產(chǎn)品的失效率可以降低半個(gè)到一個(gè)數(shù)量級，個(gè)別的甚至可以達(dá)二個(gè)數(shù)量級。

電子產(chǎn)品的固有可靠性取決于產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)，但是在產(chǎn)品的制造過程中，由于人為的因素或原材料、工藝條件、設(shè)備條件的波動(dòng)，最終制造出的產(chǎn)品不可能全部達(dá)到預(yù)期的固有可靠性水平，在一批產(chǎn)品中總有一部分產(chǎn)品存在各種潛在的缺陷，其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于產(chǎn)品的平均壽命。這種提前失效的產(chǎn)品稱為早期失效產(chǎn)品。

圖3示出產(chǎn)品篩選前的壽命分布。通常由兩個(gè)分組組成：一個(gè)為優(yōu)品分組，它們有長的壽命和小的離散性；另一個(gè)為劣品分組，它們的壽命較短，離散性較大。圖4表示修正的浴盆曲線。適用于半導(dǎo)體器件。早期失效階段的失效半有個(gè)峰值，偶然失效階段的失效率隨時(shí)間緩慢下降，通常服從于對數(shù)正態(tài)分布。單純的熱、電應(yīng)力施加于半導(dǎo)體器件時(shí)，觀察不到耗損失效跡象，故長期電老煉有利于降低器件的現(xiàn)場失效率?？紤]到潮濕、熱疲勞等各種環(huán)境應(yīng)力的景響，器件在實(shí)際使用中還是存在耗損失效階段的，但一般電子設(shè)備中的半導(dǎo)體器件都不到耗損期。

可靠性篩選通常要對產(chǎn)品施加各種應(yīng)力或采用特殊手段，盡可能地剔除早期失效產(chǎn)品，使挑選出的產(chǎn)品具有較高的使用可靠性。篩選是一種百分之百的檢驗(yàn)程序，在篩選以前，產(chǎn)品的參數(shù)性能一般都是合格的，只有對產(chǎn)品施加各種應(yīng)力后或采用特殊的檢查手段以后，才能發(fā)現(xiàn)有隱患的早期失效產(chǎn)品。

理想的篩選是要剔除所有的“劣品”而不損傷“優(yōu)品"，但實(shí)際上是做不到的，因?yàn)橛行傲悠贰焙芸赡苈┚W(wǎng)，而有些篩選項(xiàng)目有一定的破壞性，有可能損傷“優(yōu)品”。由此觀之，產(chǎn)品的篩選試驗(yàn)方案或項(xiàng)目一定要慎重制訂，方能達(dá)到預(yù)期的篩選目的。

據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，有效的篩選可使元器件的使用失效率下降一個(gè)數(shù)量級，嚴(yán)格的篩選有可能下降兩個(gè)數(shù)量級。不同的篩選項(xiàng)目可以暴露產(chǎn)品的不同失效機(jī)理，應(yīng)當(dāng)根據(jù)各種元器件的工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)剡x擇篩選項(xiàng)目。

3.2可靠性增長試驗(yàn)

可靠性增長試驗(yàn)是通過重復(fù)“試驗(yàn)一分析一解決”的途徑，暴露產(chǎn)品缺陷，采取糾正措施，從而及早地解決大多數(shù)可靠性問題?？煽啃栽鲩L試驗(yàn)（及可靠性研制試驗(yàn)）不是以評定某個(gè)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案是否通過為目的，而是通過試驗(yàn)一分析一改進(jìn)一再試驗(yàn)的方法，以求得產(chǎn)品可靠性增長的一種試驗(yàn)。

可靠性增長的三要素為：

(1)產(chǎn)品失效的檢測和分析；

(2)產(chǎn)品有問題部分的反饋和分析，

(3)執(zhí)行糾正措施并重新試驗(yàn)。

產(chǎn)品可靠性增長的速率取決于完成這三要素的速率。

任何一種產(chǎn)品的初期可靠性都不可能達(dá)到預(yù)期的可靠性水平，都要通過采取各種糾正措施的增長過程?？煽啃栽鲩L是在研制期間或在以后的制造或工作期間促使產(chǎn)品達(dá)到它預(yù)期可靠性的綜合措施。

在早期研制階段和試驗(yàn)過程中，所達(dá)到的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)分析及由分析預(yù)計(jì)出的預(yù)期值。從工業(yè)部門獲得的數(shù) 據(jù)表明，生產(chǎn)廠最初出廠的產(chǎn)品的MTBF（平均無故障工作時(shí)間）約為按零件性能（失效率）預(yù)計(jì)的固有可靠性水平的10%。這是由于存在著初期設(shè)計(jì)缺陷、工程缺陷及制造上的各種缺陷。隨著研制和試驗(yàn)過程的進(jìn)展，以及對有同題的部分的解決，所測得的可靠性就接近固有（設(shè)計(jì)的）可靠性值了。圖5描述了其整個(gè)過程。

從圖5可看出，可靠性的降低都出現(xiàn)在生產(chǎn)的開始，這主要是由于對工藝不熟悉，加工過程的偏差和對質(zhì)量的疏忽等工藝失誤所致，這些工藝失誤會(huì)使產(chǎn)品的可靠性低于預(yù)期值。隨著生產(chǎn)的進(jìn)展和技術(shù)水平的提高，所測得的可靠性會(huì)重新開始接近于固有可靠性。當(dāng)然，失效的糾正措施不可能總是正確的，不是每個(gè)失效的原因都能發(fā)現(xiàn)和都能采取措施消除掉的，失效也不是發(fā)生在同一時(shí)刻，每個(gè)失效機(jī)理的糾正措施周期不一定相同。由于這些原因，設(shè)備使用時(shí)的實(shí)際可靠性水平達(dá)到預(yù)計(jì)的可靠性水平的程度，以及可靠性增長的增長率（即增長指數(shù)），都受到一定的限制。根據(jù)國外有關(guān)資料介紹，實(shí)際可以達(dá)到的可靠性增長指數(shù)一般為0.5~0.6左右。

可靠性增長試驗(yàn)在研制階段通常有三種方法。

方法一：試驗(yàn)—問題記錄—再試驗(yàn)。這種方法就是把初步研制的產(chǎn)品，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題集中分析進(jìn)行改進(jìn)，然后再試驗(yàn)。通過這種試驗(yàn)，可使產(chǎn)品的固有可靠性水平有一個(gè)較大的改進(jìn)；

方法二：試驗(yàn)—改進(jìn)—試驗(yàn)。這種方法就是把初步研制的產(chǎn)品，通過試驗(yàn)暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，分析產(chǎn)品的失效模式和失效機(jī)理，找出問題立即改進(jìn)，然后再試驗(yàn)，證實(shí)所解決的問題，使產(chǎn)品的固有可靠性得到增長。

方法三：含延緩改進(jìn)的試驗(yàn)一改進(jìn)一再試驗(yàn)。這種方法是上述兩種方法的結(jié)合，試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)問題后，有些改進(jìn)在試驗(yàn)中立即進(jìn)行，有些延緩到試驗(yàn)結(jié)束后再作改進(jìn)。經(jīng)全面改進(jìn)后再試驗(yàn)驗(yàn)證，使產(chǎn)品的固有可靠性得到全面的增長。

可靠性增長試驗(yàn)是一個(gè)反復(fù)完善的過程，通過試驗(yàn)產(chǎn)品的可靠性一個(gè)循環(huán)比一個(gè)循環(huán)向上增長。

3.3可靠性鑒定試驗(yàn)和可靠性交收試驗(yàn)

當(dāng)產(chǎn)品通過設(shè)計(jì)評審后，即可進(jìn)行較大批量的試制性生產(chǎn)，以考核設(shè)計(jì)文件（草圖）、工藝、裝備和質(zhì)量保證措施的可行性，以及原材料、零部件的質(zhì)量一致性，暴露設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的問題，落實(shí)改進(jìn)措施，為正式定型和生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

產(chǎn)品從樣品研制出來后就進(jìn)入定型階段，為了驗(yàn)證產(chǎn)品能否在規(guī)定的環(huán)境條件下滿足規(guī)定的性能及可靠性要求，就必須進(jìn)行可靠性鑒定試驗(yàn)。而可靠性交收試驗(yàn)是為了確定定型和批量生產(chǎn)的產(chǎn)品是否在規(guī)定條件下都能滿足規(guī)定的性能及可靠性要求的試驗(yàn)。一般驗(yàn)收試驗(yàn)是周期性的，不一定每批都進(jìn)行。產(chǎn)品通過周期性的可靠性交收試驗(yàn)，可以及時(shí)檢驗(yàn)產(chǎn)品批量生產(chǎn)過程質(zhì)量的變化情況。

試生產(chǎn)中，通過工序檢驗(yàn)，工藝篩選和逐批檢驗(yàn)的產(chǎn)品，認(rèn)為質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)，即可按GB5080-86、SJ2166-82、SJ2064-82等標(biāo)準(zhǔn)的要求，或其它有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制訂可靠性鑒定試驗(yàn)或可靠性交收試驗(yàn)方案。擬定的試驗(yàn)方案，既要考慮到制訂的條件不能過分苛刻，又要顯示產(chǎn)品本身應(yīng)有的水平，不能走向兩個(gè)極端——即太寬松和太苛刻。最后按試驗(yàn)方案實(shí)施，具體的實(shí)施過程由各單位的質(zhì)量部門完成。

4、環(huán)境試驗(yàn)

環(huán)境試驗(yàn)是指模擬產(chǎn)品可能遇到的自然環(huán)境，在這種條件下進(jìn)行試驗(yàn)。以檢驗(yàn)產(chǎn)品適應(yīng)環(huán)境的能力的方法。環(huán)境試驗(yàn)的目的是用盡可能短的時(shí)間再現(xiàn)與實(shí)際環(huán)境產(chǎn)生的相同影響。通過施加能加速性能退化過程的應(yīng)力來模擬元器件的壽命。這些試驗(yàn)在元器件上產(chǎn)生的性能變化應(yīng)盡可能地接近元器件壽命期間觀測到的影響，它是可靠性試驗(yàn)的重要組成部分之一。

4.1溫度循環(huán)試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是考驗(yàn)產(chǎn)品在較短時(shí)間內(nèi)對極端高溫和極端低溫的承受能力，以了解是否因?yàn)闊崦浝淇s的應(yīng)力引起內(nèi)部熱匹配性能不好的元器件失效，如材料開裂，接觸不良，參數(shù)惡化等。試驗(yàn)在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行。

高溫和低溫狀態(tài)的平衡時(shí)間取30分，室溫過渡時(shí)間小于1分，這比實(shí)際條件更為嚴(yán)醋，循環(huán)次數(shù)由有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定3次或5次。

4.2低溫試驗(yàn)

試驗(yàn)的且的是考核低溫對產(chǎn)品的影響，確定產(chǎn)品在低溫條件下工作和貯存的適應(yīng)性。試驗(yàn)在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行。試驗(yàn)溫度等級和試驗(yàn)時(shí)間見表1，各任選其中一種。試驗(yàn)結(jié)束后恢復(fù)時(shí)間為1～2小時(shí)。

4.4高溫試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是考核高溫對產(chǎn)品的影響，確定產(chǎn)品在高溫條件下工作和貯存的適應(yīng)性。試驗(yàn)在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行，箱內(nèi)的絕對濕度，空氣中的水蒸汽不應(yīng)超過20克/米3（相當(dāng)于35℃時(shí)相對濕度50%）。試驗(yàn)溫度等級和試驗(yàn)時(shí)間見表2，各任選其中一種。試驗(yàn)結(jié)束后，在正常大氣條件下恢復(fù)1～2小時(shí)。

4.4恒定濕熱試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是確定產(chǎn)品在高相對濕度條件下工作和貯存的適應(yīng)性。本試驗(yàn)主要是用于觀察在規(guī)定時(shí)間內(nèi)恒溫高濕的影響。試驗(yàn)在恒溫恒濕試驗(yàn)箱中進(jìn)行，溫度為40±2℃，相對濕度為（93±3）%。試驗(yàn)時(shí)間按試品的使用場合及材料性能選定下列時(shí)間中一種：2、4、6、10、21、56（天）。試驗(yàn)絨束后，應(yīng)除去器件外表水汽，在正常大氣條件下恢復(fù)1～2小時(shí)。恢復(fù)期結(jié)束后立即開始測量，并且應(yīng)首先測量那些對濕度改變最敏感的參數(shù)。通常在1～24小時(shí)內(nèi)測量完畢，如果停留時(shí)間太長，進(jìn)入器件的水汽會(huì)基本跑出來，有問題的器件就可能被漏過。

濕熱試驗(yàn)對于某些器件還可以作為一項(xiàng)檢漏試驗(yàn)，并列為工藝篩選項(xiàng)目。

4.5振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是確定產(chǎn)品承受規(guī)定振動(dòng)等級的能力，試驗(yàn)設(shè)備為振動(dòng)臺，用來考核產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，可做三個(gè)方向的振動(dòng)。在固定頹率、固定加速度的振動(dòng)試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)牢固的半導(dǎo)體器件很少失效。試驗(yàn)時(shí)其振動(dòng)等級由頻率范圍、振動(dòng)幅值及耐振時(shí)間決定（見表3）。

在變頻振動(dòng)試驗(yàn)中，半導(dǎo)體器件失效較多，通常表現(xiàn)為外引線折斷，內(nèi)部鍵合點(diǎn)脫開以及瞬時(shí)短路、斷路等。結(jié)構(gòu)不良和粘片、鍵合不牢以及芯片有裂紋或外來微粘的器件一般可用變頻振動(dòng)試驗(yàn)檢查出來，必要時(shí)也可作為高可靠器件的篩選項(xiàng)目，但其效果有時(shí)不如離心加速和碰撞試驗(yàn)。

4.6碰撞試驗(yàn)

試驗(yàn)的自的是確定電子元器件在運(yùn)輸或使用過程中經(jīng)受重復(fù)碰撞的能力或評定其結(jié)

構(gòu)的完整性，試驗(yàn)在碰撞臺上進(jìn)行，可進(jìn)行三個(gè)方向的碰撞。對于結(jié)構(gòu)良好的器件，在加速度100g的碰撞試驗(yàn)中很少失效。碰撞速率為每分鐘40~80次。加速度等級和總碰撞次數(shù)見表4，各任選其中一種。

4.7恒加速度試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是確定產(chǎn)品在穩(wěn)態(tài)加速度下的適應(yīng)能力或評定其結(jié)構(gòu)的牢靠性。試驗(yàn)在離心機(jī)上進(jìn)行。改變離心加速度的大小，就相當(dāng)于改變給予芯片或鍵合點(diǎn)的拉力，粘片、`鍵合不良的器件就能剔除。由于離心加速度試驗(yàn)是一種逐漸增大的“靜態(tài)”應(yīng)力，破壞性較小，對于粘片、鍵合質(zhì)量良好的器件不會(huì)受到損傷。加速度等級和試驗(yàn)時(shí)間（見表5），各任選其中一種。

5、結(jié)束語

可靠性試驗(yàn)是提高產(chǎn)品可靠性水平的重要手段，在產(chǎn)品可靠性工程中占有很重要的地位。產(chǎn)品從研制開始就應(yīng)重視可靠性試驗(yàn)，充分利用這一重要的手段，以提高設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的產(chǎn)品的可靠性水平