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，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，試圖就可靠性試驗的一般知識作一簡要介紹。

2、概述

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

可靠性試驗的目的有：

（1）在研制階段使產(chǎn)品達到預(yù)定的可靠性指標；

（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)品進行可靠性鑒定或驗收，

（5）研究器件的失效機理。

通常產(chǎn)品壽命期分為三個互相連接的階段，如圖2。

（1）老煉期，這個階段中由于存在早期失效，失效率較高，這個區(qū)域通常也稱為早期失效區(qū)。其特點是產(chǎn)品的失效牢隨時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)。這一階段的特點是時間長，產(chǎn)品的失效率最低，并且近似穩(wěn)定為一個常數(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。這個區(qū)域通常也稱耗損失效區(qū)。其特點是產(chǎn)品失效率隨時間增加而增加，表現(xiàn)為機械零件損壞，元器件大景衰老，故這個區(qū)域也可稱為衰老期。

可靠性試驗通常是在使用壽命期中進行為用戶對這一階段最感興趣。

3、可靠性試驗種類

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

3.1高效應(yīng)力篩選試驗

可靠性篩選試驗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)定失改率而進行的一種試驗。它是提高產(chǎn)品使用可靠性的一項有效措施。在正常情況下，通過篩選的產(chǎn)品的失效率可以降低半個到一個數(shù)量級，個別的甚至可以達二個數(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，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，最終制造出的產(chǎn)品不可能全部達到預(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，其壽命遠遠低于產(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。通常由兩個分組組成：一個為優(yōu)品分組，它們有長的壽命和小的離散性；另一個為劣品分組，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峰值，偶然失效階段的失效率隨時間緩慢下降，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，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。考慮到潮濕、熱疲勞等各種環(huán)境應(yīng)力的景響，器件在實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"，但實際上是做不到的，因為有些“劣品”很可能漏網(wǎng)，而有些篩選項目有一定的破壞性，有可能損傷“優(yōu)品”。由此觀之，產(chǎn)品的篩選試驗方案或項目一定要慎重制訂，方能達到預(yù)期的篩選目的。

據(jù)實驗表明，有效的篩選可使元器件的使用失效率下降一個數(shù)量級，嚴格的篩選有可能下降兩個數(shù)量級。不同的篩選項目可以暴露產(chǎn)品的不同失效機理，應(yīng)當根據(jù)各種元器件的工藝、結(jié)構(gòu)特點，適當?shù)剡x擇篩選項目。

3.2可靠性增長試驗

可靠性增長試驗是通過重復(fù)“試驗一分析一解決”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。可靠性增長試驗（及可靠性研制試驗）不是以評定某個統(tǒng)計試驗方案是否通過為目的，而是通過試驗一分析一改進一再試驗的方法，以求得產(chǎn)品可靠性增長的一種試驗。

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。

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。可靠性增長是在研制期間或在以后的制造或工作期間促使產(chǎn)品達到它預(yù)期可靠性的綜合措施。

在早期研制階段和試驗過程中，所達到的可靠性遠遠低于設(shè)計分析及由分析預(yù)計出的預(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（平均無故障工作時間）約為按零件性能（失效率）預(yù)計的固有可靠性水平的10%。這是由于存在著初期設(shè)計缺陷、工程缺陷及制造上的各種缺陷。隨著研制和試驗過程的進展，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)計的）可靠性值了。圖5描述了其整個過程。

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，這些工藝失誤會使產(chǎn)品的可靠性低于預(yù)期值。隨著生產(chǎn)的進展和技術(shù)水平的提高，所測得的可靠性會重新開始接近于固有可靠性。當然，失效的糾正措施不可能總是正確的，不是每個失效的原因都能發(fā)現(xiàn)和都能采取措施消除掉的，失效也不是發(fā)生在同一時刻，每個失效機理的糾正措施周期不一定相同。由于這些原因，設(shè)備使用時的實際可靠性水平達到預(yù)計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，實際可以達到的可靠性增長指數(shù)一般為0.5~0.6左右。

可靠性增長試驗在研制階段通常有三種方法。

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

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

方法三：含延緩改進的試驗一改進一再試驗。這種方法是上述兩種方法的結(jié)合，試驗過程發(fā)現(xiàn)問題后，有些改進在試驗中立即進行，有些延緩到試驗結(jié)束后再作改進。經(jīng)全面改進后再試驗驗證，使產(chǎn)品的固有可靠性得到全面的增長。

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

3.3可靠性鑒定試驗和可靠性交收試驗

當產(chǎn)品通過設(shè)計評審后，即可進行較大批量的試制性生產(chǎn)，以考核設(shè)計文件（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)計和生產(chǎn)中的問題，落實改進措施，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入定型階段，為了驗證產(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，就必須進行可靠性鑒定試驗。而可靠性交收試驗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。一般驗收試驗是周期性的，不一定每批都進行。產(chǎn)品通過周期性的可靠性交收試驗，可以及時檢驗產(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，工藝篩選和逐批檢驗的產(chǎn)品，認為質(zhì)量穩(wěn)定時，即可按GB5080-86、SJ2166-82、SJ2064-82等標準的要求，或其它有關(guān)標準制訂可靠性鑒定試驗或可靠性交收試驗方案。擬定的試驗方案，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，不能走向兩個極端——即太寬松和太苛刻。最后按試驗方案實施，具體的實施過程由各單位的質(zhì)量部門完成。

4、環(huán)境試驗

環(huán)境試驗是指模擬產(chǎn)品可能遇到的自然環(huán)境，在這種條件下進行試驗。以檢驗產(chǎn)品適應(yīng)環(huán)境的能力的方法。環(huán)境試驗的目的是用盡可能短的時間再現(xiàn)與實際環(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，它是可靠性試驗的重要組成部分之一。

4.1溫度循環(huán)試驗

試驗的目的是考驗產(chǎn)品在較短時間內(nèi)對極端高溫和極端低溫的承受能力，以了解是否因為熱脹冷縮的應(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。試驗在高低溫試驗箱中進行。

高溫和低溫狀態(tài)的平衡時間取30分，室溫過渡時間小于1分，這比實際條件更為嚴醋，循環(huán)次數(shù)由有關(guān)標準規(guī)定3次或5次。

4.2低溫試驗

試驗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。試驗在高低溫試驗箱中進行。試驗溫度等級和試驗時間見表1，各任選其中一種。試驗結(jié)束后恢復(fù)時間為1～2小時。

4.4高溫試驗

試驗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。試驗在高低溫試驗箱中進行，箱內(nèi)的絕對濕度，空氣中的水蒸汽不應(yīng)超過20克/米3（相當于35℃時相對濕度50%）。試驗溫度等級和試驗時間見表2，各任選其中一種。試驗結(jié)束后，在正常大氣條件下恢復(fù)1～2小時。

4.4恒定濕熱試驗

試驗的目的是確定產(chǎn)品在高相對濕度條件下工作和貯存的適應(yīng)性。本試驗主要是用于觀察在規(guī)定時間內(nèi)恒溫高濕的影響。試驗在恒溫恒濕試驗箱中進行，溫度為40±2℃，相對濕度為（93±3）%。試驗時間按試品的使用場合及材料性能選定下列時間中一種：2、4、6、10、21、56（天）。試驗絨束后，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。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小時內(nèi)測量完畢，如果停留時間太長，進入器件的水汽會基本跑出來，有問題的器件就可能被漏過。

濕熱試驗對于某些器件還可以作為一項檢漏試驗，并列為工藝篩選項目。

4.5振動試驗

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

在變頻振動試驗中，半導(dǎo)體器件失效較多，通常表現(xiàn)為外引線折斷，內(nèi)部鍵合點脫開以及瞬時短路、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試驗檢查出來，必要時也可作為高可靠器件的篩選項目，但其效果有時不如離心加速和碰撞試驗。

4.6碰撞試驗

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

構(gòu)的完整性，試驗在碰撞臺上進行，可進行三個方向的碰撞。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

試驗的目的是確定產(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。試驗在離心機上進行。改變離心加速度的大小，就相當于改變給予芯片或鍵合點的拉力，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)量良好的器件不會受到損傷。加速度等級和試驗時間（見表5），各任選其中一種。

5、結(jié)束語

可靠性試驗是提高產(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，充分利用這一重要的手段，以提高設(shè)計與生產(chǎn)的產(chǎn)品的可靠性水平