溫度循環(huán)試驗參數(shù)的比較與選擇

黃 蓉，文昌俊，聶 磊，余軍星

（湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢430068）

環(huán)境因素對產(chǎn)品可靠性影響很大，產(chǎn)品的失效大部分是由環(huán)境因素引起的［1］.在近20種環(huán)境因素中，溫度的影響占了環(huán)境因素總比例的40%左右.因此，根據(jù)樣品及試驗箱自身特點選擇合適的參數(shù)，使溫度循環(huán)試驗效果達到最佳是必不可少的.目前溫度循環(huán)試驗的標準有 MIL－STD－883G1010.8、JESD22－A104－B等，但每個標準中的參數(shù)存在差異，所以對溫度循環(huán)試驗的關鍵參數(shù)進行分析，選擇適當?shù)臉藴剩瑢μ岣唠娮赢a(chǎn)品的可靠性和進行產(chǎn)品的質量監(jiān)控具有重大意義.

1 溫度循環(huán)試驗標準

溫度循環(huán)試驗是將樣品放在溫度交變的試驗箱中，使樣品處于不斷循環(huán)變化的高溫與低溫作用下，利用不同材料熱膨脹系數(shù)的不同，使試樣因熱應力的作用而產(chǎn)生形變；不斷拉伸與擠壓的過程中，存有缺陷的地方在應力提升的作用下，隨著溫度循環(huán)的加載而不斷擴展，最終發(fā)展成失效（圖1）.因此，通過溫度循環(huán)試驗可以高效且充分地放大產(chǎn)品的潛在缺陷，以剔除易早期失效的產(chǎn)品.該試驗主要用于電子組件的電氣性能、機械性能等測試.

目前，在溫度循環(huán)試驗中運用得比較多的標準是 MIL－STD－883G1010.8、JESD22－A104－B 以 及GB／T2423－2002［4］.

MIL－STD－883G是美國軍標《微電子器件試驗方法標準》的最新版本，MIL－STD－883自1968年問世以來發(fā)展到今天的G版，經(jīng)過了將近20次的改進，最初主要是針對軍工設備的，其內容涉及到微電子器件的材料檢測和控制，設計檢驗的控制，工藝檢驗和控制，篩選、鑒定和質量一致性等各個領域，對微電子器件可靠性的提高有著重要的作用.現(xiàn)今，MIL－STD－883已作為許多國家標準的藍本而用于高可靠性的微電子器件試驗中.例如，我國的國軍標GJB548－88是以1983年的 MIL－STD－883C版為藍本，GJB548－96是以1991年的D版為藍本制定的.

圖1 溫度循環(huán)試驗流程

JESD22是JEDEC標準中的環(huán)境應力試驗部分，JEDEC是微電子產(chǎn)業(yè)的領導機構標準，它是為全球微電子產(chǎn)業(yè)制定的標準.從這一點來看，MILSTD－883應該比JEDEC更嚴格.JEDEC在制定的過程中一直采取公平、高效、經(jīng)濟的原則，努力確保產(chǎn)品的互用性，縮短了產(chǎn)品推向市場的時間，同時也降低其開發(fā)成本.它的主要功能包括術語、定義、產(chǎn)品特征的描述與操作、組建包裝、測試方法、生產(chǎn)支持功能、產(chǎn)品質量與可靠性等等.

GB／T2423是我國電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗標準，它是結合我國電子產(chǎn)品的特點，以另外兩個標準為藍本而制定的，主要針對民用品.

2 溫度循環(huán)試驗關鍵參數(shù)的選取

對電子產(chǎn)品而言，周期性溫度變化引發(fā)的環(huán)境應力對樣品的影響會根據(jù)試驗效果的不同而不同，它會導致樣品的機械性能（如熱膨脹系數(shù)、熱傳導系數(shù)、楊氏模量）等存在很大的差異.

在溫度循環(huán)試驗中，影響其試驗效果的主要參數(shù)是：溫度變化范圍、試驗箱的升降溫速率、試驗樣品在高溫或低溫中的暴露時間、轉換時間、試驗的循環(huán) 次 數(shù)［1－3］.在 MIL－STD－883G1010.8、JESD22－A104－B、GB／T2423－2002中給出了相關的參考標準，但是存在著一定的差異（表1）.下面根據(jù)溫度循環(huán)試驗的典型剖面圖（圖2）對其主要參數(shù)進行分析.

表1 各標準中溫度循環(huán)試驗關鍵參數(shù)的比較

圖2 溫度循環(huán)剖面圖

2.1 溫度范圍

溫度范圍是指上限溫度Tu與下限溫度Tl的差值.原則上該值越大越好，因為溫度越高就有越大的熱應力和熱疲勞的交互作用同時加在試樣上，對剔除早起失效的效率也越高.但是對于某些材料，當溫度達到某一數(shù)值時，能誘發(fā)一般在設計過程中看不到的失效機制，并且因熱膨脹系數(shù)的不同，在不同的溫度條件下進行試驗時，容易使產(chǎn)品過早失效.

另外，試驗的升溫和降溫過程容易在元件或設備上產(chǎn)生凝露或結霜現(xiàn)象，這會給樣品額外的應力.所以，溫度范圍的選擇要根據(jù)產(chǎn)品的具體情況而定，試驗溫度不能過高也不能太低，應該在不傷害正常產(chǎn)品的前提下選擇最大的溫度范圍，一般在－55℃～＋125℃之間.

由于三個標準最初適用對象的不同，使所定的溫度范圍也不相同.MIL－STD－883G最初主要是針對軍用設備的，所以在溫度的規(guī)定上更為苛刻，而JESD22－A104－B是對全球的電子產(chǎn)品所做的規(guī)定，相對來說它比MIL－STD－883G要寬松，由表1給出的溫度范圍的數(shù)據(jù)就可以看出，MIL－STD－883G3的高溫范圍幾乎為JESD22－A104－B的一倍.在進行溫度的選擇時，應考慮操作環(huán)境和系統(tǒng)的使用，所以滿足商用品的GB／T2423－2002一般將溫度范圍規(guī)定為0℃～＋55℃、－40℃～＋85℃，MIL－STD－883G1010.8在用于民用電子產(chǎn)品時將溫度定為－55℃～＋125℃.

溫度的選擇對試驗的循環(huán)次數(shù)和模型的選擇都存在著影響.

2.2 溫度變化速率

試驗箱的升溫速率及降溫速率與箱內的冷卻方式有關，如果直接采用空氣循環(huán)的冷卻方式，那么升降溫的速率就被限制在5～10℃／min；如果是液氮進行冷卻，該值為25～40℃／min.國內的溫度循環(huán)試驗箱一般都是采用空氣循環(huán)的方式進行冷卻，如GDJW系列的試驗箱都是采用多翼式送風機強力送風循環(huán)，而國外的溫循箱通常采用液氮進行冷卻，這樣就可以達到一個較高的溫變速率.試驗箱冷卻方式的不同使各標準在規(guī)定溫變速率時也存在了差異.

一般，溫度變化速率的增加有利于激發(fā)潛在缺陷暴露，溫變速率越高，試驗強度就越強，越容易激發(fā)樣品的缺陷；但當溫度變化速率達到某一特定值后，溫度循環(huán)試驗的強度基本上達到飽和狀態(tài)，試驗樣品對溫度的變化不是很敏感，樣品的溫度變化明顯滯后于試驗箱的溫度變化.

2.3 暴露時間

高溫（TB）或低溫（TA）下暴露時間t1的長短取決于試驗樣品的熱容量.“熱容量”指系統(tǒng)在某一過程中，溫度升高（或降低）1℃ 所吸收（或放出）的熱量.如果在一定的過程中，當溫度升高ΔT時，系統(tǒng)從外界吸收的熱量為ΔQ，那么在該過程中該系統(tǒng)的熱容量

以低溫箱為例，低溫箱的溫度在TA下保持的時間t1應該包括放入樣品后箱內溫度（包括樣品的溫度）穩(wěn)定到TA所需的時間t3和穩(wěn)定后樣品繼續(xù)放的時間t4，t3不應該超過t1的1／10.又因為t3的長短主要由樣品放熱的速度（即熱容量）決定，所以t1也取決于樣品的熱容量.

除此之外，t1與樣品的熱時間常數(shù)也有重要的關系.熱時間常數(shù)取決于周圍介質的性質和運動速度.對于大樣品或設備而言，其內部和外部的熱時間常數(shù)可能相差很大，故以考慮里面的或最易受損害的熱時間常數(shù)為主.在溫度變化試驗導則中給出了如下規(guī)定：

若t1≥5τ，則d＜0.01D；若t1≥2.5τ，則d＜0.1D .

式中：t1為暴露時間；τ為試驗樣品的熱時間常數(shù)；d為試驗介質溫度與試驗樣品溫度之差；D為高低溫之差，即TB－TA.

根據(jù)t1與τ的關系式可知，d越小，試驗持續(xù)的時間就越長.試驗的時間一般為3～5倍的熱時間常數(shù).

熱時間常數(shù)

其中：m為樣品的質量，g；C為比熱容，J／（g·℃）；S為散熱面積，cm2；λ為散熱系數(shù)，W·（cm2·℃）－1.這樣t1就與樣品質量存在著間接關系了.

2.4 轉換時間

轉換時間t2也與樣品的熱時間常數(shù)有關，標準中給的t2通常針對常規(guī)大小的樣品，如果遇到了大件樣品或小試驗樣品，可將轉換時間t2進行適當?shù)难娱L或縮短.t2所包括的范圍是從一箱中開始準備轉移環(huán)境中停留到另一箱中放好這一整個過程的時間.

綜合對t1和t2的分析，三個標準中對暴露時間和轉折時間選取的不同可能是因為試驗箱的容積以及樣品的體積存在差異.試驗箱內空間容積與試樣樣品體積的比值不同，會導致試驗箱內熱容量的不同，這就使暴露時間t1的選取有異；同時，樣品的質量會導致τ的不同，進而影響到t2.

2.5 循環(huán)時間

圖3給出的是 MIL－STD－883G1010.8中測試條件下的一個圖例，可見一個循環(huán)周期由兩個暴露時間t1和兩個轉換時間t2組成.

圖3 MIL－STD－883G1010.8條件下的循環(huán)時間

2.6 循環(huán)次數(shù)

循環(huán)次數(shù)與試驗中的溫度變化速率、暴露時間等參數(shù)都是相互影響的.如果熱容量較大，溫度變化速率較高，并且樣品在試驗箱中暴露的時間足夠長，這樣在一個循環(huán)周期內試驗的強度可足夠大，那么經(jīng)過較少次數(shù)的試驗就能達到預期目的.當循環(huán)次數(shù)較多時，每一次的溫度變化都會使試樣內部出現(xiàn)交替的膨脹和收縮，讓其一直在熱應力和應變的作用下處于一種疲勞狀態(tài)，所以次數(shù)太多會影響試樣的使用壽命，并且會提高成本，因此一般選擇適當?shù)难h(huán)次數(shù).

循環(huán)次數(shù)與溫度范圍之間也存在定量的關系.Coffin－Manson方程建立了熱應力引起的低周疲勞（low－cycle fatigue）影響模型［4－7］，其方程為：

式中：Nf為溫度循環(huán)的次數(shù)；△εp為塑性應變；Cε為常數(shù).

塑性應變△εp與溫度循環(huán)的范圍△T成正比，故式（3）可以寫成：

式中：△T為溫度范圍；CT為常數(shù).

以加速因子的形式改寫式（4）為：

式中：ACM為循環(huán)次數(shù)的加速因子；NfU為正常使用時至失效為止的循環(huán)次數(shù)；NfA為加速時至失效為止的循環(huán)次數(shù)；△TU為使用時溫度范圍；△TA為加速時溫度范圍.式（3）和式（4）就反應出了循環(huán)次數(shù)與溫度范圍之間的定量關系.

如果要用較少的循環(huán)次數(shù)來完成實驗，可以通過拓寬溫度范圍來實現(xiàn)同樣的效果；如果實驗的溫度范圍不能設置太寬，這時可以通過增加循環(huán)次數(shù)來達到同樣的效果.

3 結論

綜合上述分析可知，三個標準在參數(shù)制定上存在差異的原因主要表現(xiàn)為如下幾個方面：

適用對象的不同.MIL－STD－883G最初主要適用于軍用設備，其溫度范圍就更為嚴格，而另外兩個標準是針對民用品的，試驗溫度相對來說就弱一點.

試驗箱冷卻方式的不同導致了溫度變化速率的不同.國內的空氣循環(huán)冷卻方式使GB／T2423－2002中規(guī)定的溫度變化速率明顯低于其他.

試驗箱容積與樣品體積的比值不同使t1、t2存在差異.試驗箱內空間容積與受試件體積的比值會影響到熱容量，所以對t1、t2的選取也與此有關.

對電子產(chǎn)品而言，溫度循環(huán)試驗是最有效的試驗之一，它不僅可以對產(chǎn)品進行電氣性能、機械性能等可靠性的檢測，且在試驗過程中能給試樣施加一定的應力，使其內部潛在的缺陷更快地暴露出來.在進行溫度循環(huán)試驗時，應該根據(jù)試驗樣品的質量和體積、樣品的用途、試驗箱運行條件等因素選擇合適的試驗標準，在標準的基礎上將參數(shù)進行調整，適當增加應力強度，縮短試驗時間，進而提高試驗強度，保證產(chǎn)品的高質量和高可靠性.

［1］ 施勁松，金興明.一種加速環(huán)境應力篩選方法的應用［J］.航空電子技術，2001，32（1）：15－18.

［2］ 曹耀龍，黃 杰.電子組件溫度循環(huán)試驗研究［J］.半導體技術，2011，36（6）487－491.

［3］ 梁志君，白照高，郭濤.電子產(chǎn)品溫度循環(huán)篩選效果探析［J］.船舶電子工 程，2005（3）：117－119.

［4］ 李 進，李傳日.環(huán)境應力篩選中的溫度循環(huán)加速因子模型分析［J］.裝備環(huán)境工程，2009，6（6）：13－15.

［5］ 張國棟，蘇 彬.高溫低周應變疲勞的三參數(shù)冪函數(shù)能量方法研究［J］.航空學報，2007，28（2）：314－318.

［6］ 鄭戰(zhàn)光，蔡敢為，李兆軍，等.基于損傷力學闡釋 Manson－Coffin低周疲勞模型［J］.中國機械工程，2011，22（7）：812－814.

［7］ Ikuo Shohji，Hideo Mori，Yasumitsu Orii.Solder joint reliability evaluation of chip scale package using a modified Coffin – Manson equation［J］.Microelectronics Reliabilit 2004（44）：269–274