长期贮存寿命评估方法研究

孔占兴

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

长期贮存寿命评估方法研究

孔占兴

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

报告了长期贮存寿命常用的两种评估方法（自然贮存试验评估和加速寿命试验评估）的研究现状，从工程应用角度实际使用出发，对自然贮存试验转化为类比法试验评估方法进行了研究，避免了自然贮存试验周期过长的缺点并保留了其真实性。同时，对加速寿命试验模型阿列尼乌斯方程的推导分析和建模应用进行了研究。

贮存寿命；类比法；加速寿命试验

1 引言

现代军用装备在和平时期必须有一定的储备，长期贮存后在使用时必须保持完好的战技性能。因此要求组成武器装备的各个部件或模块均具有较高的环境适应性和长期贮存性能。尤其是导弹和军需电子系统等必须适应长期贮存、随时可用和能用的特点。军用电子元器件在静态长期贮存条件下，由于受到温度、湿度以及化学等因素的影响，随着贮存年限的增加，模块内部材料会老化、腐蚀甚至失效。因此，元器件的贮存寿命是一项非常重要的指标。此外，现有的某些装备已达到服役寿命，如果计划开展延寿工作，需要评估元器件贮存状态的贮存寿命和残余寿命。工程应用对元器件贮存可靠性评价和研究提出了迫切需求，需要找出贮存薄弱环节，研究其相关失效模式、机理及长贮寿命预测，为长贮寿命的定量考核提供依据和参考[1]。

2 电子元器件常见贮存失效模式

常用的电子元器件按照类别及工艺结构主要分为混合集成电路、单片集成电路、半导体分立器件、频率元器件、电连接器、机电组件、电子模块、电阻器、电容器、电感器及磁性器件等，不同类型元器件对应的失效模式不同，失效原因也各不相同，详见表1。

表1 电子元器件常见贮存失效模式及原因

3 常用的贮存寿命试验方法

目前，常用的贮存寿命可靠性评价试验方法有两种。一种是自然条件下的贮存试验，这是最直接最真实也是必不可少的方法。另一种就是加速应力可靠性评价试验，它针对电子元器件在长期贮存状态的主要失效模式及失效机理，采用极限应力/高加速应力试验、加速贮存寿命试验及补充评价试验等方法进行贮存可靠性评价，充分暴露出贮存状态长期贮存失效模式，确定长期贮存的最薄弱结构设计、材料和工艺。

两种评价方法都存在一定的局限。长期自然状态贮存试验周期长、经费高，往往不能满足装备系统研制周期短、应用周期短等特点。但是自然贮存试验是不可替代的，它反映了器件在最真实环境下的质量变化，是评价贮存可靠性的原始依据。

加速试验具有快速评价的优点，采用加大应力水平、加快电子元器件失效的加速寿命试验方法，在较短的时间周期内，掌握它们在正常贮存条件下的性能变化规律、评价贮存可靠性是一种行之有效的方法。但是，目前国内外也没有贮存寿命考核的成熟方法及标准[2]。目前有的一些贮存评价方法，都是建立在经验数据的基础上，受数据的束缚很大，不能很好地揭示出深层次导致失效的原因，开展起来有很大难度。

4 类比法试验评估方案

为避免长期自然状态贮存试验周期长、经费高，不能满足装备系统研制周期短、应用周期短等特点的要求，需要从工程应用实际使用的角度，借用经历过一定贮存时间的产品与待验证评估的产品进行类比分析，从而得出合理的评估结论。

针对待验证产品的工艺结构及原材料使用情况，依据各类电子元器件常见失效模式，从自然贮存条件下发生失效的机理（包括腐蚀对封壳和内外引线的影响，铝-铝、金-铝键合系统失效，贴装工艺失效，有机材料失效等）进行分析，深入剖析电子元器件的失效原因与器件本身所选用的材料、材料之间、器件表面或体内、金属化系统以及封装结构中存在的各种化学、物理反应之间的关系，找出相应的失效模式。选择与其失效模式相同、工艺结构相近的元器件作为类比对象。

类比对象的样品应具有一定的对比数量，且自然环境下的贮存时间与待验证产品贮存寿命的要求具有可比拟性。若类比对象的贮存时间已超过待验证产品贮存寿命的时间要求，则对其类比对象直接进行电性能测试，若能满足产品规范要求，表明待验证的产品贮存寿命可达到使用要求；若类比对象的贮存时间没有达到待验证产品贮存寿命的时间要求，则需要提供不少于3组不同贮存时间间隔的对比样品，分别对其进行测试、数据分析（至少包括主要电性能指标及对储存时间敏感的指标），并绘制出不同参数的曲线图，若各项指标的数据变化率均呈现明显的规律性（变化率较小或无变化），根据已贮存的时间和变化率判断待验证产品能否满足贮存寿命的时间要求。

对于无法找到类比对象或通过类比对象无法得出明确结论的，可结合加速寿命试验进行评估。

5 加速寿命试验评估方案

加速寿命试验是一种不改变产品在实际贮存条件下的失效机理、又不增加新的失效机理的前提下，用加大贮存环境试验应力、加速产品失效，根据其试验结果预计正常贮存环境应力下产品的贮存寿命，或在一个相对短的时间内获得失效率数据的试验方法。对于半导体器件及使用微组装工艺的元器件，其本身的工艺结构较复杂，随着储存时间的推移，引起元器件失效的风险更大。例如，由于PN结附近有杂质离子或其他沾污形成导电沟道，使器件反向漏电流变大、击穿电压下降；由于表面复合速度变大，使晶体管的电流放大系数降低；由于键合点形成导电性能不好、机械强度脆弱的化合物会造成器件开路；由于湿气或其他有害气体侵入管壳内产生化学腐蚀，使器件的内引线或互联铝线断开而失效等。器件从出厂经过储存、运输、使用到失效的寿命周期，无时无刻不在进行着缓慢的化学物理变化。在各种外界环境下，器件还会承受各种热、电、机械应力，会使原来的化学物理反应加速，而其中温度应力对失效最为敏感。实践证明，当温度升高后，器件恶化的物理化学反应加快，失效过程加速。

加速寿命试验常用的模型有阿列尼乌斯模型和爱伦模型。阿列尼乌斯模型是由化学反应的实验数据总结出来的经验公式，在各种试验中不断被证实，但在理论上还没有被严格地证明。爱伦模型是根据量子力学原理推导出化学反应速率与温度及其他应力之间的关系，但由于爱伦方程计算较复杂，同时，当激活能比较高时，爱伦方程与阿列尼乌斯方程之间的差别也不大，在此情况下，阿列尼乌斯方程是爱伦方程的极好近似。因此，用阿列尼乌斯方程作为处理加速寿命试验的数学模型，既简单又方便，还能较好地解释试验结果[3]。

阿列尼乌斯模型经验公式为：

式中dM/dt为化学反应速率，E为某种失效机构的激活能（电子元器件由正常状态向失效状态变化的过程中，其间存在着能量势叠，这一势叠的高度称为激活能），k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，A为常数。如果设时间为t0时产品处于正常状态，计为M0；时间为t1时产品处于失效状态，计为M1，那么式（1）中dM/dt表示产品失效速率。对式（1）积分并取对数，可得：

若将自然条件下的贮存时间定为t1年，温度T1=25℃，则式（2）变为：

试验温度定为器件的工作温度T2，贮存时间定为t2，则公式（2）变为：

将式（3）与式（4）作差可得：

根据实际需要，当自然条件下的贮存时间确定为N后，由公式（5）可得：

由公式（6）可以看出，当t1=N确定后，由于T1、T2为已知数，且k、lge为常数，为计算出加速寿命试验对应温度下的等效时间，仅需要确定激活能E后即可。

激活能E的确定：

由于阿列尼乌斯模型描述的是产品内部的物理、化学反应过程，因此可将加速退化模型写成如下形式：

dΔM/dΔt表示敏感参数退化率，ΔM为退化量，Δt为测取时间，其他同式（1）。对式（7）两边取对数，得

元器件的贮存退化敏感参数[4]是指能有效地反映元器件在贮存状态下性能退化的一项或多项性能指标。通过分析元器件性能退化敏感参数的退化量，从而判断元器件在贮存状态下的退化失效情况，以对贮存寿命进行预测。

退化敏感参数的选择应满足如下两个条件：

性能退化参数必须有准确的定义而且能够进行检测；对元器件进行加速贮存退化试验时，随试验时间的增长，其性能退化参数应有明显的趋势性变化，能客观地反映出元器件的贮存状态[5]。

根据产品的设计资料及整机使用情况，选择器件的敏感参数，采用对样品施加温度步进应力试验的方法，从产品的最高工作温度与贮存温度之间，每阶步长5 ℃，以样品敏感参数出现功能失效为判据，试验后获取敏感参数随退化量的数据，利用公式（8），绘制出ln(dΔM/dΔt)与-1/T之间的关系图。

对最高工作温度与贮存温度之间的ln(dΔM/dΔt)与-1/T数据进行线性拟合，得出斜率值，此值即为（-E/k），从而可以计算出激活能E。

激活能E确定后，采用恒定应力加速试验三温度点法（最高工作温度、贮存温度及两温度点的平均值）按照式（6）进行N年自然贮存寿命要求下的等效折算，之后开展试验验证工作。

6 结论

类比法是自然贮存寿命试验方法的一种灵活应用，从工程实际使用角度，更切合研制、生产周期时间短的要求，且能更准确真实地反映器件长期贮存的适应能力，对贮存寿命进行评估。

阿列尼乌斯模型是目前应用较多的一种加速寿命试验方法，此方法选用对失效最为敏感的温度应力作为器件的加速因子，需要对器件的工艺结构、材料选用进行详细分析，确定出薄弱环节，选取敏感参数开展相关试验。阿列尼乌斯方程中激活能E的确定是寿命评估是否准确的关键，本文给出了激活能E的确定方法，但其准确性还有待进一步验证。

[1] 陈海建, 徐廷学, 李波, 等. 导弹加速寿命试验方法研究[J]. 装备环境工程, 2010, 7(5): 115-118.

[2] 杨丹，恩云飞，黄云. 电子元器件的贮存可靠性及评价技术[J]. 电子元件与材料, 2005, 24(07): 61-64.

[3] 陈兵, 李星. 加速寿命试验技术在国内外的工程应用研究[J]. 强度与环境, 2010, 37(6): 31-38.

[4] 潘永跃, 丁学武.电子产品的贮存可靠性研究[J]. 南京理工大学学报, 2002, 26(1): 27-29.

[5] 杨家铿. 电子元器件长期贮存可靠性分析[C]. 第九届全国可靠性物理学术讨论会论文集，延安，2001. 65-72.

作者简介：

丁荣峥（1967—），男，江苏兴化人，1991年毕业于长春光学机密机械学院材料系，高级工程师，现在中国电子科技集团公司第58研究所工作，主要从事集成电路等的封装设计、封装工艺开发、封装可靠性研究、失效分析、咨询和管理工作。

作者简介：

吉 勇（1985—），江苏泰兴人，本科，现就职于中国电子科技集团公司第58研究所，主要从事WLCSP集成电路封装、TSV工艺及相关失效分析研究工作。

Study the Method of Long-term Storage Life

KONG Zhanxing
（Air to Air Missile Research Institute of China,Luoyang471009,China）

Research status of two common assessment methods of the long-term storage life (assessment of natural storage test and evaluation of accelerated life test) was reported. From the practical use of engineering, the assessment methods were being studied, and the natural storage test was transformated experimental evaluation of the method of analogy, avoiding the disadvantages of natural storage of long test period. The authenticity of natural storage test was preserved. The derivation analysis and modeling applications of was estudied. The arrhenius equation was accelerated life test model.

storage life; method of analogy; accelerated life test

TN306

A

1681-1070（2014）08-0045-04

孔占兴（1981—），男，河南焦作人，硕士研究生，现在中国空空导弹研究院元器件中心工作，主要研究方向为电子元器件。

2014-03-20