印制电路板加速寿命试验方法综述

刘立国 张永华 高 蕊

（无锡江南计算技术研究所军用印制板质量检测中心，江苏 无锡 214083）

1 概述

寿命试验是一种重要的可靠性试验，是对产品的可靠性进行测试、分析和评价的一种常用方法。随着元器件水平的迅速提高，高可靠、长寿命的产品越来越多，可靠性试验方法应用也更加成熟。作为元器件支撑和信号传输载体的高密度化、微型化的印制电路板（简称印制板）可靠性越来越受到航空、航天、医疗、军事等高可靠性应用领域的重视，成为继元器件、电子组装焊点之后影响整机系统可靠性的第三关键因素。正确开展印制板可靠性试验，准确评估其寿命，对准确评估整机系统寿命及提高系统可靠性具有重要意义。

从广义上讲印制板也属于元器件，所以可以借鉴元器件的可靠性预计方法进行印制板可靠性预计，在GJB 108A-2006《电子设备非工作状态可靠性预计手册》和GJB 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》中提供了印制板工作状态和非工作状态下应力分析可靠性预计方法。应力分析可靠性预计方法根据产品基本失效率、产品环境系数、产品质量系数、产品复杂系数等经验值进行预算产品失效率，进而反映产品的可靠性。由于印制板生产工艺复杂，产品质量受生产工艺及质量控制影响极大，所以笔者认为此方法意义不大，无法准确评估印制板的可靠性指标。

笔者认为利用实际应用的印制板产品或与其同一生产流程的专用测试板，开展加速寿命试验。统计加速应力环境下的产品可靠性，然后再运用加速寿命模型评估产品在正常工作应力下的可靠性特征的方法更为适用。此种加速寿命试验方法既能使产品在短时间内激发产生跟正常应力水平下相同的失效，缩短了试验周期，试验样品又与实际应用产品相同或同一工艺水平，最大限度消除了印制板生产工艺及质量控制的影响，较为真实的反映了产品可靠性水平。本文主要综合阐述可应用于印制板加速寿命试验的常用加速寿命试验模型、加速因子计算和加速寿命试验方法。

2 常用的加速寿命试验模型

目前应用的加速寿命模型可以分为三类：统计模型、物理统计模型和物理实验模型。当产品的失效时间在不同的应力水平下服从同样的寿命分布时，多采用统计模型预测产品可靠性[1]。而印制板失效率受到环境应力、材料性能、制造工艺及质量控制等多种因素影响，其可靠性预测跟许多元器件类似，可以采用物理统计模型或物理实验模型。本文介绍几种常用的加速寿命试验模型如下。

2.1 阿伦纽斯（Arrhenius）模型

当用温度作用加速应力时，因为高温能使产品内部加快化学反应，促使产品提前失效。其评估模型采用阿伦纽斯模型[2]。

式中：N表示温度为T时的寿命特征；A——常数，表示受试产品由试验决定的常数；Ea——激活能，与材料有关，单位eV；K——波耳兹曼常数，为8.617×10-5eV/K；T——绝对温度。

2.2 逆幂律模型

当环境应力为非热应力（比如受电、载荷、腐蚀介质影响）时，譬如加大电压也能促使产品提前失效[2]，其特征寿命与应力之间符合下式：

式中：N——某寿命特征，如中位寿命，平均寿命，特征寿命等；A——正常数；e——与激活能有关的正常数；v——应力，常取电压。

2.3 Coffin-Manson模型

Coffin-Manson模型反映产品在热循序应力作用下导致的疲劳失效，也被成功用于模拟焊点受到温度冲击后的裂纹扩展过程，因此可应用于描述产品热疲劳失效与温度循环应力的关系[2]。

Coffin-Manson模型的一般形式为：

式中：N——循序次数；△T——温度范围；f——循环频率；Tmax——最高温度；Ea——激活能；K——波耳兹曼常数，为8.617×10-5eV/K；δ、B1、B2——待定系数。

2.4 应力寿命加速模型

根据强度理论，疲劳曲线在其有限寿命范围内的曲线方程为[2]：

式中：m、C——材料常数；S——应力幅值；N——应力幅值S的破坏循环数。

2.5 广义艾琳模型

如果以温度和电压同时作为加速应力时，Glasstene、Laidler、Eyring在1941年提出一个加速模型：

式中：N——某寿命特征；A、B、C、D是待定的常数；K——波耳兹曼常数，为8.617×10-5eV/K；T——绝对温度；V——电压。

2.6 广义湿度模型

如果以湿度作为加速应力，广义湿度模型为：

式中：N——湿度为RH下的寿命特征；A和β——常数；RH——相对湿度。

然而，施加一个仅考虑湿度的加速寿命需要若干年时间才能获得有意义的结果。因此，通常将温度和湿度结合起来进行加速试验。为了进一步减少时间，常常还将电压应力与它们结合在一起。在温度、相对湿度和电压应力条件下，产品失效时间可以表示为（Gunn，Camenga，Malik在1983年提出）：

式中：N——寿命特征；V——施加的电压，Ea——激活能，K——波耳兹曼常数，为8.617×10-5eV/K；β——常数；RH——相对湿度。

3 加速因子计算

加速寿命试验是一种激发试验，它通过强化的应力环境来进行可靠性试验。加速环境试验的加速水平通常用加速因子来表示。加速因子的含义是指产品在正常工作应力下的寿命与在加速环境下的寿命之比，通俗来讲就是指一小时试验相当于正常使用的时间。因此，加速因子的计算成为加速寿命试验的核心问题，也成为客户最为关心的问题。加速因子的计算也是基于一定的物理模型，印制板常用应力的加速因子计算方法如下。

3.1 温度加速因子

温度加速因子由阿伦纽斯（Arrhenius）模型计算[3]：

式中：TAF——温度加速因子；Ln——正常应力下的寿命；Ls——高温下的寿命；Tn——正常工作绝缘温度；Ts——高温下的绝对温度；Ea——激活能；单位eV；K——波耳兹曼常数，为8.617×10-5eV/K。

3.2 电压加速因子

电压的加速因子由Eyring模型计算[3]：

式中：VAF——电压加速因子；Vs——加速试验电压；Vn——正常工作电压；β——电压的加速率常数。

3.3 湿度加速因子

湿度的加速因子由Hallberg-Peck模型计算[3]：

式中：HAF——湿度加速因子；RHs——加速试验相对湿度；RHn——正常工作相对湿度，n——湿度的加速率常数，一般介于2～3之间。

3.4 温度变化加速因子

温度变化加速因子由Coffin-Mason公式计算[3]：

式中：TEAF——温度变化加速因子；△Ts——加速试验下的温度变化范围；△Tn——正常应力下的温度边缘范围，n——温度变化的加速率常数，一般介于4～8之间。

一般产品工作环境为温度、湿度、电压等应力结合在一起，在计算加速因子时，先分别计算各应力的加速因子，再将各加速因子相乘得到整个试验的加速因子。上述加速因子的计算公式都是建立在特定模型基础上的，而模型的建立往往包含一些假设，并且忽略或简化次要的影响因素，因此计算的结果只是作为产品寿命的预测值，具有一定的指导和参考意义，不能认为只要试验足够时间就一定能确保产品的寿命。

4 印制板加速寿命试验方法

印制板作为元器件支撑和信号传输的载体，失效模式主要是两种：一是互连失效，即互连电阻增大或开路；二是绝缘失效，即绝缘电阻减少或短路。引起印制板互连可靠性失效的应力主要是温度变化应力，引起印制板绝缘失效的应力主要是温度、湿度和电压应力，而印制板的工作环境影响其可靠性的应力主要是温度、湿度和电压应力，印制板的存储环境主要是温度、湿度应力。印制板加速寿命试验方法主要是：恒温恒湿存储寿命试验，恒温恒湿偏压加速寿命试验和温度循环加速寿命试验。

4.1 恒温恒湿存储寿命试验

恒温恒湿存储寿命试验中主要是温度和湿度应力作用，印制板的失效模式主要是连通性失效，且失效率很低，如果不是需要长期存储的产品不需要开展此项试验。笔者建议试验测试条件如下：

4.1.1 测试样品

经过3次回流焊的成品印制板或专用测试板。

4.1.2 失效判定

互连电阻增加大于10%或绝缘电阻小于100 MΩ。

4.1.3 加速因子

加速因子见式（12）

4.1.4 测试条件

测试周期为24 h，使用四端接线探头系统进行互连电阻测试，绝缘电阻测试电压为100 V，测试时应保证试样表面干燥。

4.1.5 试验条件

试验条件如表1所示。

4.1.6 试验程序

（1）试验样品准备；

（2）3次回流焊试验；

（3）初始电阻测试，初始互连电阻大于10 Ω（专用菊花链测试网络除外），绝缘电阻小于100 MΩ的样品直接去除掉，不进行试验，不作为失效样品统计；

（4）按照试验条件进行试验和测试，一般按照失效率为50%时试验终止，记录试验加速寿命Ls50%；

（5）测试数据整理分析，预测产品可靠性指标。

4.1.7 评价

使用湿度加速计算单元试验测试数据计算湿度的加速率常数n，使用温度加速计算单元试验测试数据计算激活能Ea，将相关参数代入公式4-1，按照低加速试验条件和存储环境条件计算存储寿命试验加速因子AF，然后将低加速试验测试数据代入下式计算产品的存储寿命Lc。

4.2 恒温恒湿偏压加速寿命试验

恒温恒湿偏压加速寿命试验中主要是温度、湿度和电压应力作用，在恒温恒湿存储寿命试验的基础上只是多了一个电压应力，印制板的失效模式主要是绝缘失效，互连失效率极低，所以建议试验测试条件如下：

4.2.1 测试样品

经过3次回流焊的成品印制板或专用测试板。

4.2.2 失效判定

绝缘电阻小于100MΩ。

4.2.3 加速因子计算模型

具体参数见式（14）。

4.2.4 测试条件

测试周期为24 h，测试电压应不超过外加电压的2倍，且应在30 V以下，测试时应保证试样表面干燥。

表1 标准加速

表2 标准加速

4.2.5 试验条件

试验条件如表2所示。

4.2.6 试验程序

（1）试验样品准备。

（2）3次回流焊试验。

（3）初始电阻测试，绝缘电阻小于100 MΩ的样品直接去除不进行试验，不作为失效样品统计。

（4）按照试验条件进行试验和测试，一般按照失效率为50%时试验终止，记录试验加速寿命Ls50%。

（5）将测试数据整理分析，预测产品可靠性指标。

4.2.7 评价

使用湿度加速计算单元试验测试数据计算湿度的加速率常数n，使用温度加速计算单元试验测试数据计算激活能Ea，使用温度加速计算单元试验测试数据计算电压的加速率常数β，将相关参数代入公式（13），按照低加速试验条件和应用环境条件计算产品恒温恒湿偏压加速寿命试验加速因子AF，然后将低加速试验测试数据代入式（13）计算产品的恒温恒湿环境下的应用寿命LY。

4.3 温度循环加速寿命试验

温度循环加速寿命试验中主要是温度变化应力作用，印制板的失效模式主要是互连失效，所以建议试验测试条件如下。

4.3.1 测试样品

经过3次回流焊的成品印制板或专用测试板。

4.3.2 失效判定

互连电阻增加大于10%。

4.3.3 加速因子

加速因子见式（15）。

4.3.4 测试条件

使用四端接线探头系统进行互连电阻测试，每个循环高温、低温稳定时各测试一次，且电阻值的增长分别计算，即同一温度下的电阻值增长。

4.3.5 试验条件

试验条件如表3所示。

4.3.6 试验程序

（1）试验样品准备。

（2）3次回流焊试验。

（3）初始电阻测试，初始互连电阻大于10Ω（专用菊花链测试网络除外）的样品不进行试验，不作为失效样品统计。

（4）按照试验条件进行试验和测试，一般按照失效率为50%时试验终止，记录试验加速寿命Ls50%。

（5）测试数据整理分析，预测产品可靠性指标。

表3 标准条件（当Tg=125 ℃）[4]

4.3.7 评价

将试验数代入式（14）计算温度变化的加速率常数n，然后将低加速单元试验测试数据代入式（14）计算产品的温度循环寿命LW。

恒温恒湿环境下的应用寿命LY可以认为是印制板的绝缘可靠性，温度循环寿命Lw可以认为是互连可靠性，互连可靠性和绝缘可靠性决定了印制板可靠性所以只有当两个指标均达到产品要求时，印制板可靠性才满足要求。

5 结语

上述印制板加速寿命试验方法虽然采用的是加速寿命试验，但是在试验数量、试验周期和试验成本上，不能完全满足现在产品研制周期紧、费用控制严格的市场要求，所以此方法在制造商或使用方并没有广泛应用，且在国内缺少相关数据的积累。目前印制板行业广泛使用的方法是定时可靠性验证试验法，即产品通过规定的可靠验证试验，相关性能符合要求，就判定产品符合其可靠性的要求。但是随着人工智能、大数据等技术的发展和可靠性数据的积累，基于高加速寿命试验方法和大数据分析的可靠性评估技术将得到广泛应用，且具有广阔的应用前景。

本文所讲述的印制板加速寿命试验方法是笔者结合日常工作和相关资料的初步探索，还缺少试验的充分验证和数据的积累。下一步笔者将结合工作开展相关的试验验证，逐步积累数据，进一步进行印制板可靠性测试技术的研究。