印制電路板加速壽命試驗(yàn)方法綜述

劉立國(guó) 張永華 高 蕊

（無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所軍用印制板質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 無錫 214083）

1 概述

壽命試驗(yàn)是一種重要的可靠性試驗(yàn)，是對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)的一種常用方法。隨著元器件水平的迅速提高，高可靠、長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品越來越多，可靠性試驗(yàn)方法應(yīng)用也更加成熟。作為元器件支撐和信號(hào)傳輸載體的高密度化、微型化的印制電路板（簡(jiǎn)稱印制板）可靠性越來越受到航空、航天、醫(yī)療、軍事等高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域的重視，成為繼元器件、電子組裝焊點(diǎn)之后影響整機(jī)系統(tǒng)可靠性的第三關(guān)鍵因素。正確開展印制板可靠性試驗(yàn)，準(zhǔn)確評(píng)估其壽命，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估整機(jī)系統(tǒng)壽命及提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

從廣義上講印制板也屬于元器件，所以可以借鑒元器件的可靠性預(yù)計(jì)方法進(jìn)行印制板可靠性預(yù)計(jì)，在GJB 108A-2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》和GJB 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中提供了印制板工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下應(yīng)力分析可靠性預(yù)計(jì)方法。應(yīng)力分析可靠性預(yù)計(jì)方法根據(jù)產(chǎn)品基本失效率、產(chǎn)品環(huán)境系數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量系數(shù)、產(chǎn)品復(fù)雜系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行預(yù)算產(chǎn)品失效率，進(jìn)而反映產(chǎn)品的可靠性。由于印制板生產(chǎn)工藝復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量受生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制影響極大，所以筆者認(rèn)為此方法意義不大，無法準(zhǔn)確評(píng)估印制板的可靠性指標(biāo)。

筆者認(rèn)為利用實(shí)際應(yīng)用的印制板產(chǎn)品或與其同一生產(chǎn)流程的專用測(cè)試板，開展加速壽命試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)加速應(yīng)力環(huán)境下的產(chǎn)品可靠性，然后再運(yùn)用加速壽命模型評(píng)估產(chǎn)品在正常工作應(yīng)力下的可靠性特征的方法更為適用。此種加速壽命試驗(yàn)方法既能使產(chǎn)品在短時(shí)間內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生跟正常應(yīng)力水平下相同的失效，縮短了試驗(yàn)周期，試驗(yàn)樣品又與實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品相同或同一工藝水平，最大限度消除了印制板生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制的影響，較為真實(shí)的反映了產(chǎn)品可靠性水平。本文主要綜合闡述可應(yīng)用于印制板加速壽命試驗(yàn)的常用加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、加速因子?jì)算和加速壽命試驗(yàn)方法。

2 常用的加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

目前應(yīng)用的加速壽命模型可以分為三類：統(tǒng)計(jì)模型、物理統(tǒng)計(jì)模型和物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?dāng)產(chǎn)品的失效時(shí)間在不同的應(yīng)力水平下服從同樣的壽命分布時(shí)，多采用統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)產(chǎn)品可靠性[1]。而印制板失效率受到環(huán)境應(yīng)力、材料性能、制造工藝及質(zhì)量控制等多種因素影響，其可靠性預(yù)測(cè)跟許多元器件類似，可以采用物理統(tǒng)計(jì)模型或物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。本文介紹幾種常用的加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦隆?/p>

2.1 阿倫紐斯（Arrhenius）模型

當(dāng)用溫度作用加速應(yīng)力時(shí)，因?yàn)楦邷啬苁巩a(chǎn)品內(nèi)部加快化學(xué)反應(yīng)，促使產(chǎn)品提前失效。其評(píng)估模型采用阿倫紐斯模型[2]。

式中：N表示溫度為T時(shí)的壽命特征；A——常數(shù)，表示受試產(chǎn)品由試驗(yàn)決定的常數(shù)；Ea——激活能，與材料有關(guān)，單位eV；K——波耳茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/K；T——絕對(duì)溫度。

2.2 逆冪律模型

當(dāng)環(huán)境應(yīng)力為非熱應(yīng)力（比如受電、載荷、腐蝕介質(zhì)影響）時(shí)，譬如加大電壓也能促使產(chǎn)品提前失效[2]，其特征壽命與應(yīng)力之間符合下式：

式中：N——某壽命特征，如中位壽命，平均壽命，特征壽命等；A——正常數(shù)；e——與激活能有關(guān)的正常數(shù)；v——應(yīng)力，常取電壓。

2.3 Coffin-Manson模型

Coffin-Manson模型反映產(chǎn)品在熱循序應(yīng)力作用下導(dǎo)致的疲勞失效，也被成功用于模擬焊點(diǎn)受到溫度沖擊后的裂紋擴(kuò)展過程，因此可應(yīng)用于描述產(chǎn)品熱疲勞失效與溫度循環(huán)應(yīng)力的關(guān)系[2]。

Coffin-Manson模型的一般形式為：

式中：N——循序次數(shù)；△T——溫度范圍；f——循環(huán)頻率；Tmax——最高溫度；Ea——激活能；K——波耳茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/K；δ、B1、B2——待定系數(shù)。

2.4 應(yīng)力壽命加速模型

根據(jù)強(qiáng)度理論，疲勞曲線在其有限壽命范圍內(nèi)的曲線方程為[2]：

式中：m、C——材料常數(shù)；S——應(yīng)力幅值；N——應(yīng)力幅值S的破壞循環(huán)數(shù)。

2.5 廣義艾琳模型

如果以溫度和電壓同時(shí)作為加速應(yīng)力時(shí)，Glasstene、Laidler、Eyring在1941年提出一個(gè)加速模型：

式中：N——某壽命特征；A、B、C、D是待定的常數(shù)；K——波耳茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/K；T——絕對(duì)溫度；V——電壓。

2.6 廣義濕度模型

如果以濕度作為加速應(yīng)力，廣義濕度模型為：

式中：N——濕度為RH下的壽命特征；A和β——常數(shù)；RH——相對(duì)濕度。

然而，施加一個(gè)僅考慮濕度的加速壽命需要若干年時(shí)間才能獲得有意義的結(jié)果。因此，通常將溫度和濕度結(jié)合起來進(jìn)行加速試驗(yàn)。為了進(jìn)一步減少時(shí)間，常常還將電壓應(yīng)力與它們結(jié)合在一起。在溫度、相對(duì)濕度和電壓應(yīng)力條件下，產(chǎn)品失效時(shí)間可以表示為（Gunn，Camenga，Malik在1983年提出）：

式中：N——壽命特征；V——施加的電壓，Ea——激活能，K——波耳茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/K；β——常數(shù)；RH——相對(duì)濕度。

3 加速因子計(jì)算

加速壽命試驗(yàn)是一種激發(fā)試驗(yàn)，它通過強(qiáng)化的應(yīng)力環(huán)境來進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。加速環(huán)境試驗(yàn)的加速水平通常用加速因子來表示。加速因子的含義是指產(chǎn)品在正常工作應(yīng)力下的壽命與在加速環(huán)境下的壽命之比，通俗來講就是指一小時(shí)試驗(yàn)相當(dāng)于正常使用的時(shí)間。因此，加速因子的計(jì)算成為加速壽命試驗(yàn)的核心問題，也成為客戶最為關(guān)心的問題。加速因子的計(jì)算也是基于一定的物理模型，印制板常用應(yīng)力的加速因子計(jì)算方法如下。

3.1 溫度加速因子

溫度加速因子由阿倫紐斯（Arrhenius）模型計(jì)算[3]：

式中：TAF——溫度加速因子；Ln——正常應(yīng)力下的壽命；Ls——高溫下的壽命；Tn——正常工作絕緣溫度；Ts——高溫下的絕對(duì)溫度；Ea——激活能；單位eV；K——波耳茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/K。

3.2 電壓加速因子

電壓的加速因子由Eyring模型計(jì)算[3]：

式中：VAF——電壓加速因子；Vs——加速試驗(yàn)電壓；Vn——正常工作電壓；β——電壓的加速率常數(shù)。

3.3 濕度加速因子

濕度的加速因子由Hallberg-Peck模型計(jì)算[3]：

式中：HAF——濕度加速因子；RHs——加速試驗(yàn)相對(duì)濕度；RHn——正常工作相對(duì)濕度，n——濕度的加速率常數(shù)，一般介于2～3之間。

3.4 溫度變化加速因子

溫度變化加速因子由Coffin-Mason公式計(jì)算[3]：

式中：TEAF——溫度變化加速因子；△Ts——加速試驗(yàn)下的溫度變化范圍；△Tn——正常應(yīng)力下的溫度邊緣范圍，n——溫度變化的加速率常數(shù)，一般介于4～8之間。

一般產(chǎn)品工作環(huán)境為溫度、濕度、電壓等應(yīng)力結(jié)合在一起，在計(jì)算加速因子時(shí)，先分別計(jì)算各應(yīng)力的加速因子，再將各加速因子相乘得到整個(gè)試驗(yàn)的加速因子。上述加速因子的計(jì)算公式都是建立在特定模型基礎(chǔ)上的，而模型的建立往往包含一些假設(shè)，并且忽略或簡(jiǎn)化次要的影響因素，因此計(jì)算的結(jié)果只是作為產(chǎn)品壽命的預(yù)測(cè)值，具有一定的指導(dǎo)和參考意義，不能認(rèn)為只要試驗(yàn)足夠時(shí)間就一定能確保產(chǎn)品的壽命。

4 印制板加速壽命試驗(yàn)方法

印制板作為元器件支撐和信號(hào)傳輸?shù)妮d體，失效模式主要是兩種：一是互連失效，即互連電阻增大或開路；二是絕緣失效，即絕緣電阻減少或短路。引起印制板互連可靠性失效的應(yīng)力主要是溫度變化應(yīng)力，引起印制板絕緣失效的應(yīng)力主要是溫度、濕度和電壓應(yīng)力，而印制板的工作環(huán)境影響其可靠性的應(yīng)力主要是溫度、濕度和電壓應(yīng)力，印制板的存儲(chǔ)環(huán)境主要是溫度、濕度應(yīng)力。印制板加速壽命試驗(yàn)方法主要是：恒溫恒濕存儲(chǔ)壽命試驗(yàn)，恒溫恒濕偏壓加速壽命試驗(yàn)和溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)。

4.1 恒溫恒濕存儲(chǔ)壽命試驗(yàn)

恒溫恒濕存儲(chǔ)壽命試驗(yàn)中主要是溫度和濕度應(yīng)力作用，印制板的失效模式主要是連通性失效，且失效率很低，如果不是需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)的產(chǎn)品不需要開展此項(xiàng)試驗(yàn)。筆者建議試驗(yàn)測(cè)試條件如下：

4.1.1 測(cè)試樣品

經(jīng)過3次回流焊的成品印制板或?qū)Ｓ脺y(cè)試板。

4.1.2 失效判定

互連電阻增加大于10%或絕緣電阻小于100 MΩ。

4.1.3 加速因子

加速因子見式（12）

4.1.4 測(cè)試條件

測(cè)試周期為24 h，使用四端接線探頭系統(tǒng)進(jìn)行互連電阻測(cè)試，絕緣電阻測(cè)試電壓為100 V，測(cè)試時(shí)應(yīng)保證試樣表面干燥。

4.1.5 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件如表1所示。

4.1.6 試驗(yàn)程序

（1）試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備；

（2）3次回流焊試驗(yàn)；

（3）初始電阻測(cè)試，初始互連電阻大于10 Ω（專用菊花鏈測(cè)試網(wǎng)絡(luò)除外），絕緣電阻小于100 MΩ的樣品直接去除掉，不進(jìn)行試驗(yàn)，不作為失效樣品統(tǒng)計(jì)；

（4）按照試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試，一般按照失效率為50%時(shí)試驗(yàn)終止，記錄試驗(yàn)加速壽命Ls50%；

（5）測(cè)試數(shù)據(jù)整理分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)。

4.1.7 評(píng)價(jià)

使用濕度加速計(jì)算單元試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算濕度的加速率常數(shù)n，使用溫度加速計(jì)算單元試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算激活能Ea，將相關(guān)參數(shù)代入公式4-1，按照低加速試驗(yàn)條件和存儲(chǔ)環(huán)境條件計(jì)算存儲(chǔ)壽命試驗(yàn)加速因子AF，然后將低加速試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)代入下式計(jì)算產(chǎn)品的存儲(chǔ)壽命Lc。

4.2 恒溫恒濕偏壓加速壽命試驗(yàn)

恒溫恒濕偏壓加速壽命試驗(yàn)中主要是溫度、濕度和電壓應(yīng)力作用，在恒溫恒濕存儲(chǔ)壽命試驗(yàn)的基礎(chǔ)上只是多了一個(gè)電壓應(yīng)力，印制板的失效模式主要是絕緣失效，互連失效率極低，所以建議試驗(yàn)測(cè)試條件如下：

4.2.1 測(cè)試樣品

經(jīng)過3次回流焊的成品印制板或?qū)Ｓ脺y(cè)試板。

4.2.2 失效判定

絕緣電阻小于100MΩ。

4.2.3 加速因子計(jì)算模型

具體參數(shù)見式（14）。

4.2.4 測(cè)試條件

測(cè)試周期為24 h，測(cè)試電壓應(yīng)不超過外加電壓的2倍，且應(yīng)在30 V以下，測(cè)試時(shí)應(yīng)保證試樣表面干燥。

表1 標(biāo)準(zhǔn)加速

表2 標(biāo)準(zhǔn)加速

4.2.5 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件如表2所示。

4.2.6 試驗(yàn)程序

（1）試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備。

（2）3次回流焊試驗(yàn)。

（3）初始電阻測(cè)試，絕緣電阻小于100 MΩ的樣品直接去除不進(jìn)行試驗(yàn)，不作為失效樣品統(tǒng)計(jì)。

（4）按照試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試，一般按照失效率為50%時(shí)試驗(yàn)終止，記錄試驗(yàn)加速壽命Ls50%。

（5）將測(cè)試數(shù)據(jù)整理分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)。

4.2.7 評(píng)價(jià)

使用濕度加速計(jì)算單元試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算濕度的加速率常數(shù)n，使用溫度加速計(jì)算單元試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算激活能Ea，使用溫度加速計(jì)算單元試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算電壓的加速率常數(shù)β，將相關(guān)參數(shù)代入公式（13），按照低加速試驗(yàn)條件和應(yīng)用環(huán)境條件計(jì)算產(chǎn)品恒溫恒濕偏壓加速壽命試驗(yàn)加速因子AF，然后將低加速試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)代入式（13）計(jì)算產(chǎn)品的恒溫恒濕環(huán)境下的應(yīng)用壽命LY。

4.3 溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)

溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)中主要是溫度變化應(yīng)力作用，印制板的失效模式主要是互連失效，所以建議試驗(yàn)測(cè)試條件如下。

4.3.1 測(cè)試樣品

經(jīng)過3次回流焊的成品印制板或?qū)Ｓ脺y(cè)試板。

4.3.2 失效判定

互連電阻增加大于10%。

4.3.3 加速因子

加速因子見式（15）。

4.3.4 測(cè)試條件

使用四端接線探頭系統(tǒng)進(jìn)行互連電阻測(cè)試，每個(gè)循環(huán)高溫、低溫穩(wěn)定時(shí)各測(cè)試一次，且電阻值的增長(zhǎng)分別計(jì)算，即同一溫度下的電阻值增長(zhǎng)。

4.3.5 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件如表3所示。

4.3.6 試驗(yàn)程序

（1）試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備。

（2）3次回流焊試驗(yàn)。

（3）初始電阻測(cè)試，初始互連電阻大于10Ω（專用菊花鏈測(cè)試網(wǎng)絡(luò)除外）的樣品不進(jìn)行試驗(yàn)，不作為失效樣品統(tǒng)計(jì)。

（4）按照試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試，一般按照失效率為50%時(shí)試驗(yàn)終止，記錄試驗(yàn)加速壽命Ls50%。

（5）測(cè)試數(shù)據(jù)整理分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)。

表3 標(biāo)準(zhǔn)條件（當(dāng)Tg=125 ℃）[4]

4.3.7 評(píng)價(jià)

將試驗(yàn)數(shù)代入式（14）計(jì)算溫度變化的加速率常數(shù)n，然后將低加速單元試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)代入式（14）計(jì)算產(chǎn)品的溫度循環(huán)壽命LW。

恒溫恒濕環(huán)境下的應(yīng)用壽命LY可以認(rèn)為是印制板的絕緣可靠性，溫度循環(huán)壽命Lw可以認(rèn)為是互連可靠性，互連可靠性和絕緣可靠性決定了印制板可靠性所以只有當(dāng)兩個(gè)指標(biāo)均達(dá)到產(chǎn)品要求時(shí)，印制板可靠性才滿足要求。

5 結(jié)語

上述印制板加速壽命試驗(yàn)方法雖然采用的是加速壽命試驗(yàn)，但是在試驗(yàn)數(shù)量、試驗(yàn)周期和試驗(yàn)成本上，不能完全滿足現(xiàn)在產(chǎn)品研制周期緊、費(fèi)用控制嚴(yán)格的市場(chǎng)要求，所以此方法在制造商或使用方并沒有廣泛應(yīng)用，且在國(guó)內(nèi)缺少相關(guān)數(shù)據(jù)的積累。目前印制板行業(yè)廣泛使用的方法是定時(shí)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)法，即產(chǎn)品通過規(guī)定的可靠驗(yàn)證試驗(yàn)，相關(guān)性能符合要求，就判定產(chǎn)品符合其可靠性的要求。但是隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展和可靠性數(shù)據(jù)的積累，基于高加速壽命試驗(yàn)方法和大數(shù)據(jù)分析的可靠性評(píng)估技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用，且具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文所講述的印制板加速壽命試驗(yàn)方法是筆者結(jié)合日常工作和相關(guān)資料的初步探索，還缺少試驗(yàn)的充分驗(yàn)證和數(shù)據(jù)的積累。下一步筆者將結(jié)合工作開展相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，逐步積累數(shù)據(jù)，進(jìn)一步進(jìn)行印制板可靠性測(cè)試技術(shù)的研究。