舰船电子设备热应力参数探讨

王皆欢， 霍旭颖(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所,上海 200135)

舰船电子设备热应力参数探讨

王皆欢， 霍旭颖
(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所,上海 200135)

环境应力筛选(Environmental Stress Screening,ESS)是产品生产制造过程中的必要工序，能将产品各阶段中的早期故障提早地暴露出来，保证产品出厂后的高可靠性，减少维护成本。针对产品实际应用过程中出现的故障，从筛选的角度进行分析探讨，对筛选环境及其参数进行有针对性的分析论证。根据实际情况提出针对性的解决方案，从而提高筛选效率，使筛选后成品故障率得到有效降低，进一步控制出厂产品质量。

加速因子；应力筛选；筛选度

0 引 言

图1 产品失效率分布

由可靠性工程理论可知，集成电路在其寿命周期内总的失效率符合浴盆曲线原则[1]，即早期失效期、偶然失效期和损耗失效期。产品早期失效期主要是由各类不当的人为因素(产品设计缺陷、制造加工缺陷调试缺陷等)造成的，是一个随时间递减的指数函数。当产品经过一定时间的运行后，故障率逐渐趋于稳定，进入偶然失效期，即正常工作状态。当产品进入使用寿命后期后，故障率由平稳状态急剧增长，即进入损耗失效期。产品失效率分布见图1。

热应力筛选是成品出厂前提高其可靠性的有效方法，通过对电子产品施加热应力和热疲劳使被测产品产生热力应变，通过对产品上集成电路结温的变化进行冲击，加速器件缺陷的质变过程，提前暴露出故障，从而筛选出潜在的故障产品，确保出厂产品的质量。

1 筛选参数分析

对于未经筛选试验的产品，其能长时间稳定工作是小概率事件。根据浴盆曲线原则，早期失效期时间跨度可长达数千小时(如图1所示)。在这段时间内，产品的各类故障会不断地显现出来，为尽可能快地越过该时间段，通常需对产品或器件进行筛选，以期提前找出缺损件。引入加速因子概念就是为更好地对这类筛选过程进行分析，使筛选达到最优结果。常规的集成电路属于结型半导体器件，失效机理主要基于介质击穿、热载流子效应和电效应[2]，而这些失效的主要影响因素是温度和电应力，这是因为介质击穿需施加电场作用，在热应力或电正反馈的作用下将栅氧化层击穿；热载流子效应受通电或外部加热产生雪崩载流子，使得沟道电流增大，从而影响器件的稳定性。

通电筛选出故障产品需数千小时，出于经济性考虑，必须进行早期失效期的筛选加速。温度循环通电筛选是一个常用的筛选手段，能大大缩短筛选时间，使故障产品尽早地被剔除。

温度加速因子的计算式为

(1)

式(1)中:TU为正常使用下的结温温度;TA为老化情况下的结温温度。

温度循环加速因子的计算式为

(2)

式(2)中：TAH,TAL,TUH,TUL分别为老化情况下和正常使用情况下的高低温值;β为温度变化加速率常数。

由式(1)和式(2)可知,筛选加速时间取决于常规使用温度及老化筛选温度。在高温筛选过程中，可取常规值进行验证：TU=293.15 K(20 ℃),TA=323.15 K(50 ℃)，EA=0.7 ev，K=8.617×10-5ev/K，代入式(1)可得加速系数AT=13。

在温度循环过程，取常规值进行验证：TAH=333.5K(60 ℃),TAL=233.15K(-40 ℃),TUH=313.15K(40 ℃),TUL=273.75K(0 ℃)，β=4，可得加速系数AF=39。

由上述加速因子可知，电子元器件在热应力下可极大地缩短早期失效率出现的时间，即图1中早期失效期的实线移动到了虚线位置，Δt(Δt=tU-tA)是实际缩减的筛选时间。

在确定热应力循环筛选的有效性后，为更进一步分析筛选效果，引入温度循环筛选度概念，进一步对筛选参数进行探讨。

温度循环筛选度计算式为

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

(3)

式(3)中:R为温度变化范围;v为温度变化速率;n为循环次数。

若令F(n)=ss，则对n求导可得

(4)

式(4)中:F(n)是关于n的增函数，可知温度循环次数增多有利于提高筛选度。同理可推得温度变化速率v、温度变化范围R增大均有利于提高筛选度。

式(3)中R,v,n的取值均直接影响筛选度的大小，利用仿真工具对参数R(R∈[55,140]，步长为5),v(v∈[5,25]，步长为1)及n(n取值分别为5，10,15)进行对应的数据仿真，可得出筛选度参数分布见图2。

首先对温度变化率进行分析讨论。由图2可知，温变速率越高, 筛选效果越好，在高低温循环试验中, 升、降温速率的快慢直接影响到热应力的强度。若升、降温速率变化过慢,则热应力作用的发挥就慢,使得一些潜在缺陷不足以发展成故障,达不到剔除潜在缺陷的目的。温度变化率对温度循环筛选效果的影响极大，因此应尽可能地加快温度变化。由图2可知，温变速率从5 K/min提升到10 K/min筛选效果差别明显。美国环境应力筛选标准MIL-HDBK-2164A温度速率指标已由5 K/min提升到10 K/min。

其次对循环次数进行分析讨论。筛选效率随循环数的增加而迅速提高, 产品越复杂, 所需的循环次数就越多。对于同种产品而言，循环次数越高，所需要的时间成本和收益之比就越小。因此，在考虑循环次数的同时还要结合GJB 1032—1990和实际筛选情况综合决定，循环次数在满足预定筛选度的情况下根据实际产品的复杂度等情况进行实际调整。美国国防部DODD4245.7-M推荐条件为n=15。而筛选过程中高、低温稳定时间对筛选效果的影响不大。对于温度保持时间而言，其目的是使得被筛选的目标在特定温度下能得到充分的热浸透，同时要能保证产品温度达到热稳定。表1是对极限温度下的描述[3]。

图2 筛选参数分布

图3 5次、10次及15次循环下温度变化与筛选度的函数关系(温差80 K)

表1 GJB 360B—2009对极限温度下的描述

对温度差进行分析讨论，根据实际工程经验，电子组件温度循环试验较理想的温度范围为[218.15, 358.15]K。产品模块上主要电子器件使用级别为军工级[218.15,423.15]K，非关键器件所使用的至少为工业级[233.15,358.15]K，GJB 1032—1990对高低温极限值的要求是“由产品有关技术条件确定。一般取产品的工作温度, 也可取非工作温度”[1]，DODD4245.7-M推荐条件为373.15 K(100 ℃)。

2 应用分析

取近阶段6个批次的某类型采集类模块的实际筛选试验结果，累计筛选数量分别为150,180,100,223,200,20，共计855块模块，其中2块出现故障，通过率为99.77%。

产品失效率和寿命期曲线服从浴缸型曲线分布，即早期失效期、偶然失效期和损耗失效期。上述6个批次的筛选数据说明在目前筛选条件下所有产品合格，但根据实际使用情况，故障率和筛选结果相差很大，似乎未到偶然失效期;根据失效分布，可得出2种解释，产品寿命在老化筛选后临近损耗失效期和产品筛选后并未达到正常工作的偶然失效期。对于第1种情况，这种假设不能成立，在现有的筛选条件下，仅10 h左右的筛选时间与正常使用寿命以年为单位相比几乎不可能使模块进入损耗失效期，这显然与实际电子器件的设计的MTTF值相矛盾;对于第2种情况，这种假设是可能成立的，因为筛选参数选择上的差异导致电子设备还没有正式进入热应力状态或热疲劳状态，也就是筛选强度不够，因而失效模型会出现偏差。

实际的筛选数据见表2,筛选温度变化为55 K，温度变化速率为5 K/min，循环次数为3次，将上述数据带入到式(3)中计算可知，筛选度为0.384 3，若考虑到温度上升均匀等因素，在温度变化率上取90%，则得实际的筛选度为0.355 3，筛选期望不理想。

为此，综合考虑现有舰船产品使用温度情况分布及实际筛选设备的因素，对原有筛选方案进行改进。水面舰船产品使用环境的描述为:最高温度区(动力舱)温度可达到328.15 K(55 ℃)，一般舱室的最低温度可达到263.15 K(-10 ℃)。为确保产品能在极限使用温度下正常运行，在筛选时间的取值上需完整覆盖整个温度应用范围，可取温度范围为253.15～333.15 K，即筛选温度变化为80 K；温度变化率取筛选效果变化明显的区域，取值为10 K/min。

表2 不同参数选择下筛选度的对比

在循环次数为10次情况下，使用式(3)可得筛选度的理论值达到0.976 7，考虑到实际温度上升的影响，以实际温度变化速率的90%计算，实际筛选度为0.970 7；同理,在5次循环情况下的理论值为0.857 2，实际值为0.828 7。

由表2可知，改进方案的筛选度指标远高于现有筛选度指标，改进方案1为理想情况下的方案，循环次数和温变速率需尽可能地达到相对有效的匹配，因此筛选度计算结果非常理想，但所需付出的代价是筛选时间成倍增加；改进方案2为相对折中的方案，是在考虑到时间和经济效益的前提下提出的。对于保持时间而言，由于不属于长时间高温保持，保持阶段的筛选强度可忽略不计，具体可参看恒定高温筛选强度计算公式。因此，可根据产品的密封性和复杂度情况进行调节。筛选策略是在确定主要的参数范围后，还应考虑实际设计失效率λ和经济效益等各方面的因素，根据不同产品的实际情况进行参数设定的选择。

3 结 语

通过对热应力筛选参数进行讨论和对实际应用情况进行对比分析，给出了较为理想的筛选参数选择方案。随着科研生产订单进一步增多，产品需求数量直线上升，伴随的是产品故障数量的增多。出于对产品高可靠性的需求，对现有的热应力筛选参数进行分析探讨，通过分析论证确定更为有效、合理的筛选策略，在满足时间等要求的前提下，进一步提高产品的可靠度，为老化筛选提供一定的理论依据。

[1] 国防科学技术工业委员会.电子产品环境应力筛选方法:GJB 1032—1990[S].1991.

[2] 应旺.大规模集成电路老炼的分析与研究[D].南京：南京理工大学，2010.

[3] 中华人民解放军总装备部.电子及电气元件试验方法: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

王皆欢(1982—)，男，上海人，工程师，硕士，主要从事舰船自动化研究。

1674-5949(2016)04-0045-04

U664

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