高溫老化工藝在電子元器件老化測試工作中的應(yīng)用

張琦，白升旺

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

進行電子元器件的老化測試是為了模擬元器件在實際使用中可能遇到的環(huán)境和條件，以評估其性能、可靠性和使用壽命[1]。這種測試是電子產(chǎn)品開發(fā)和制造過程中的關(guān)鍵步驟之一，有助于識別潛在的問題，對元器件進行改進設(shè)計，并確保產(chǎn)品在長期使用中能夠穩(wěn)定工作。高溫老化工藝是一種用于模擬電子元器件在高溫環(huán)境下長時間運行和暴露的測試方法[2～3]。在實際應(yīng)用中，電子設(shè)備和元器件往往會在高溫環(huán)境下運行，例如汽車引擎室內(nèi)、工業(yè)控制系統(tǒng)中或戶外的炎熱環(huán)境中[4～5]。因此，高溫老化工藝可以幫助制造商發(fā)現(xiàn)元器件在高溫環(huán)境下可能出現(xiàn)的問題，如性能退化、故障等，可以為改進產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝和材料選擇提供重要指導(dǎo)[6]。因此，本文提出了高溫老化工藝在電子元器件老化測試工作中的應(yīng)用，旨在通過評估元器件在極端條件下的各項表現(xiàn)，幫助制造商評估產(chǎn)品的壽命、性能和適應(yīng)性。

1 實驗準備

■1.1 樣品準備

實驗以集成電路(ICs)作為電子元器件樣品，選擇型號為LM317T 的電壓穩(wěn)壓器（上海乘圣電氣有限公司）。LM317T 可以提供1.2V～37V 的電壓輸出范圍，這使得它非常靈活，適用于各種不同的電子應(yīng)用。LM317T支持最大1.5A的負載電流，可以為相對高功率的負載提供穩(wěn)定的電源；具有0.1%的線路和負載調(diào)節(jié)，可以在不同負載條件下維持非常穩(wěn)定的輸出電壓。LM317T 支持浮動操作，可以在輸入電壓和輸出電壓之間具有一定的差異，使其更加適用于不同的電源設(shè)計。

■1.2 溫度控制和監(jiān)測

確定高溫老化工藝的實驗條件，需要綜合考慮產(chǎn)品的預(yù)期使用環(huán)境、規(guī)范要求以及制造商的經(jīng)驗。要選擇一個工業(yè)控制系統(tǒng)中的高溫環(huán)境，在機柜內(nèi)部溫度較高，目標溫度為85°C。老化時間要能夠涵蓋產(chǎn)品的預(yù)期使用壽命，選擇500h 作為老化時間。對于集成電路，循環(huán)溫度更接近實際使用情況，比如日夜溫差，因此實驗選擇每天進行2個溫度循環(huán)，500h 內(nèi)共計實現(xiàn)1000 個循環(huán)。

進行高溫老化測試過程中，使用MAG91 1280*1024 非接觸式紅外溫度計（上海巨哥科技股份有限公司），實時測量樣品表面的溫度，用于測量不同位置的溫度，并快速顯示數(shù)據(jù)。熱電偶是一種常見的溫度傳感器，能夠提供高精度的溫度測量。實驗通過將K 型WRNK-191 熱電偶（上海晶帆儀器儀表有限公司）置于樣品附近，測量樣品表面的溫度。使用TK55 溫度數(shù)據(jù)記錄器（科威勒(中國)自動化有限公司），實時記錄溫度的變化，并生成溫度變化曲線，需要將該設(shè)備連接到計算機，以便進行數(shù)據(jù)分析和報告生成[7]。實驗需要嚴格控制溫度，使用瑞士Leister 溫度控制系統(tǒng)（萊丹塑料焊接技術(shù)(上海)有限公司），自動調(diào)節(jié)加熱和冷卻設(shè)備，以確保設(shè)備保持恒定的溫度。

■1.3 老化設(shè)備及樣品放置

老化房間型號為Model XYZ-1000 High-Temperature Aging Chamber，最大溫度范圍室溫+20°C～200°C，溫度控制精度為±1°C，冷卻方式為強制風(fēng)冷。老化測試設(shè)備型號為Model ABC-200 Aging Oven，最大溫度范圍在室溫+10°C～180°C，溫度均勻性為±2°C，控制方式采用PID 溫度控制器，通風(fēng)系統(tǒng)選擇內(nèi)部風(fēng)扇。老化測試箱型號為Model DEF-300 Aging Chamber，最大溫度范圍在室溫+5°C～250°C，溫度控制精度為±0.5°C，分布式溫度傳感器為多點溫度監(jiān)測。樣品放置時要確保樣品的擺放位置均勻分布，并避免樣品之間的遮擋，以確保溫度分布的均勻性，樣品的放置密度和位置布局應(yīng)根據(jù)測試設(shè)備的特性、樣品的大小和測試要求進行調(diào)整。

■1.4 數(shù)據(jù)采集和分析

在進行高溫老化測試過程中，使用各種數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測工具來獲取樣品的性能數(shù)據(jù)。使用NI LabVIEWNational Instruments 用來實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)采集，HOBO 數(shù)據(jù)記錄器可用于監(jiān)測溫度、濕度等參數(shù)，使用Excel 表格進行數(shù)據(jù)記錄，將從LabVIEW 和HOBO 數(shù)據(jù)記錄器獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel 中，以進行進一步的分析和生成圖表和報告。

2 實驗結(jié)果

■2.1 性能參數(shù)變化

在高溫老化過程中，元器件的性能參數(shù)（如電壓、電流、頻率等）可能會發(fā)生變化，這些變化可以代表元器件的性能退化情況[8]。實驗測試元器件在高溫環(huán)境中的性能變化，表格列出了不同時間點下的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、頻率和老化溫度，電子元器件性能參數(shù)變化實驗結(jié)果如表1所示。

表1 電子元器件性能參數(shù)變化實驗結(jié)果

根據(jù)表1 結(jié)果，可以關(guān)注到元器件的不同性能參數(shù)隨時間發(fā)生變化的情況，以了解其在高溫老化環(huán)境中的性能退化趨勢。輸入電壓在整個老化過程中保持了相對穩(wěn)定的狀態(tài)，變化幅度較小，僅有微小的下降。這表明元器件的電源穩(wěn)定性相對較好，輸入電壓的變化對性能影響有限。輸出電壓在元器件老化過程中逐漸下降，雖然變化幅度較小，但隨著時間的推移，會對元器件的功能產(chǎn)生一定影響，下降原因包括內(nèi)部電子元素的性能變化和溫度對電子元器件特性的影響。輸出電流在老化過程中也逐漸下降，變化幅度與輸出電壓類似，與元器件內(nèi)部電子元素的性能變化以及溫度效應(yīng)有關(guān)。頻率在老化過程中逐漸下降，變化幅度相對較小，表明元器件的頻率穩(wěn)定性在高溫環(huán)境下有輕微變化，與內(nèi)部電子元素的特性變化相關(guān)。老化溫度維持在85°C，表明測試條件的穩(wěn)定性得到了保持，體現(xiàn)了測試的可靠性。

分析上述變化，可以獲得對元器件在特定條件下的性能退化趨勢的初步認識。在實際應(yīng)用中，此種類型的數(shù)據(jù)分析可以幫助制造商評估元器件的可靠性、壽命和適應(yīng)性，從而進行有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計、制造和改進的決策。需要注意的是，實際分析應(yīng)更加綜合和詳細，涉及更多的測試參數(shù)和統(tǒng)計分析。

■2.2 失效率分析

在進行高溫老化工藝的電子元器件老化測試時，記錄測試期間發(fā)生的元器件失效情況，以評估元器件的可靠性，圖1 為測試期間的具體失效情況。

圖1 測試期間失效情況

由圖1 可知，電解電容器的電容值在高溫環(huán)境下發(fā)生變化，是由于電解液的性能退化以及電介質(zhì)的損壞引起的；出現(xiàn)2 次相同類型的失效，則提示這一問題在測試中是相對常見的。1 次短路失效可能是由于電容器內(nèi)部的材料老化引起電極間短路，這種失效會導(dǎo)致電容器無法正常工作，對電路產(chǎn)生不良影響。在本次測試中未出現(xiàn)開路失效，表明電解電容器此方面的性能在高溫環(huán)境下的可靠性較高。發(fā)生泄漏電流失效的情況可能是由于電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的，圖片顯示出現(xiàn)3 次相同類型的失效情況，意味著這一問題在測試中出現(xiàn)的頻率相對頻繁。

基于對元器件特性和失效機制的深入了解分析元器件失效率可以了解不同失效類型的頻率和機制，從而評估元器件的可靠性。根據(jù)分析結(jié)果，可以采取相應(yīng)的措施來改進產(chǎn)品設(shè)計、制造過程或材料選擇，以提高元器件的性能和壽命。

■2.3 老化曲線

在高溫老化工藝的電子元器件老化測試中，繪制元器件的老化曲線以觀察性能參數(shù)隨時間的變化。實驗測試集成電路（IC），以評估其在高溫環(huán)境下的性能退化趨勢。圖2 記錄了不同時間點的輸出電壓性能參數(shù)曲線圖。

圖2 集成電路老化曲線

由圖2 可知，在測試開始時，IC 的輸出電壓處于初始值，表明它的性能在測試開始時是良好的。這個階段通常稱為初始穩(wěn)定性期，IC 工作正常，輸出符合規(guī)格。隨著時間的推移，IC 的輸出電壓逐漸下降，這表明在高溫環(huán)境下，IC 的性能開始出現(xiàn)退化，可能是由于元器件內(nèi)部材料的老化、電子遷移效應(yīng)或其他因素引起的。此時，老化曲線的斜率可能很陡峭，表明IC 的性能正在快速下降。在一段時間后，IC 的輸出電壓趨于穩(wěn)定，盡管仍在下降，但下降速度變緩。這是由于元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的逐漸變化，導(dǎo)致性能穩(wěn)定性下降。這個穩(wěn)定下降階段被視為可靠性老化測試的持續(xù)部分，它展示了元器件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性損失。

老化曲線的繪制和分析提供了關(guān)于IC 性能隨時間的變化趨勢的直觀信息，有助于識別元器件可能出現(xiàn)問題的時間點以及性能參數(shù)的變化程度。分析可以用來預(yù)測元器件在未來使用中的壽命，幫助制造商和設(shè)計師確定何時需要維護或更換元器件。

在實際應(yīng)用中，此類老化曲線圖表對于產(chǎn)品設(shè)計和制造的決策非常重要，可以幫助相關(guān)人員更好地了解元器件在不同環(huán)境條件下的可靠性，并為產(chǎn)品壽命測試和改進提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。此外，老化測試結(jié)果可以用來確定產(chǎn)品的質(zhì)量標準，以確保產(chǎn)品在實際使用中的性能穩(wěn)定性。

■2.4 性能穩(wěn)定性評估

開展性能穩(wěn)定性評估可以了解元器件的性能是否在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定，或者是否存在明顯的波動和不穩(wěn)定性。溫度傳感器在高溫老化環(huán)境中的不同時間點的輸出溫度數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 輸出溫度數(shù)據(jù)記錄

由表2 可知，在測試開始時，溫度傳感器的輸出溫度為初始值為25.0°C。隨著時間的推移，溫度傳感器的輸出溫度逐漸上升，從初始的25.0°C 上升到26.8°C?？梢宰⒁獾綔y試時間在400h 的時候，輸出溫度略有下降，而在500h 時又略有上升，此種波動表示溫度傳感器在這個時間范圍內(nèi)存在某種程度的不穩(wěn)定性。

綜合來看，溫度傳感器法在高溫老化環(huán)境中不同時間段的記錄情況，反映了溫度傳感器在高溫老化環(huán)境中的性能穩(wěn)定性情況。通過分析表格中的溫度數(shù)據(jù)，可以觀察到溫度傳感器輸出溫度的變化趨勢，以及是否存在不穩(wěn)定性或波動。有助于相關(guān)人員了解元器件在一段時間內(nèi)的性能表現(xiàn)，并評估其是否滿足產(chǎn)品要求。需要注意，為更全面地了解元器件的性能穩(wěn)定性情況，實際的性能穩(wěn)定性評估可能會涉及更多的參數(shù)和統(tǒng)計分析。

3 結(jié)束語

高溫老化工藝在電子元器件老化測試工作中的應(yīng)用不僅僅是一項技術(shù)手段，更是保障產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的重要工具。模擬實際使用中可能遇到的高溫環(huán)境，可以深入了解元器件的性能變化和可靠性退化情況。開展失效率分析、老化曲線繪制以及性能穩(wěn)定性評估等實驗結(jié)果分析工作，能夠提供寶貴的數(shù)據(jù)，用于評估元器件的可靠性和預(yù)測其壽命。未來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高溫老化工藝將繼續(xù)在電子元器件制造領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為產(chǎn)品質(zhì)量和性能提供更可靠的保障。