几种环境应力试验的失效模式探讨

庄少红

（威凯检测技术有限公司，广州 510663）

前言

复杂多样的环境是众多产品，尤其是电工电子产品在使用的过程中难以回避的问题。环境的多样性包括温度、湿度、振动、灰尘、盐雾、霉菌等多个方面。环境应力试验就是把各种复杂多样的环境应力和电应力共同施加在产品样品上，分析产品可靠性。实践中，应力效果主要取决于三种因素：一是施加的环境应力；二是电应力水平(包括产品的通断电循环、规定的工作模式及工作周期、规定的输入标称电压及其最大允许偏差)；三是检测能力，即检测设施和仪器（能保证产生和保持试验所需的综合环境条件，并按照有关规定定期核查、检定以及计量）的能力，因为检测能力决定了能否将已被应力加速变成故障的潜在缺陷表现出来并加以排除。环境应力会诱发产品失效。

而由于气候影响和产品，尤其是电子产品在使用中自身发热等原因，温度这一因素对产品的影响不可忽视，因而在对产品进行环境应力试验中，高温应力、温度循环应力、温度冲击应力这三种环境应力试验是检验产品质量一道非常重要的工序。本文试图通过高温应力、温度循环应力、温度冲击应力三种环境应力试验，对产品失效的原因进行分析和探讨。

1 高温应力

1.1 高温应力基本参数

高温应力的基本参数主要有2个：①上限温度（TU）；②时间（T）。此外，还有一个要考虑的参数：环境温度（Te），因为真正影响恒定高温效果的变量是上限温度（TU）与室内环境温度（Te）之差，即温度改变幅度（R）（R=TU- Te）。

1.2 高温应力特性分析

高温试验会使产品产生高温老化，热积聚、迁移以及蔓延的效应，是一种静态工艺或工序，这种方法是通过提供额外的热作用，让产品在规定的高温下连续不断地工作，使热蔓延，将产品潜在缺陷加速变成故障，并以故障的形式暴露出来。

1.3 高温应力诱发失效的机理及敏感元件

1.3.1 高温使金属材料表面加速氧化，其中温度和时间将影响故障缺陷的大小，其敏感元件如电镀件、合金等；

1.3.2 高温使导磁体的磁性能发生变化，其敏感元件如电阻(造成电阻率增大)等；

1.3.3 高温使抗拉强度劣化、绝缘材料绝缘性能损坏、抗电强度降低，导致热击穿，使线圈短路或开路，其敏感元件如塑料、树脂等；

1.3.4 高温使产品防酸、防碱性能下降，导致材料机械强度降低，受力容易产生损坏；

1.3.5 高温使电迁移，即温度变化会影响电流，其敏感元件如铜、铝（特别是集成电路中的铝引线）等；

1.3.6 高温使得润滑剂流失或者润滑性降低，造成机械磨损加剧，其敏感元件如机械结构的转动件（轴承和旋转轴）等；

1.3.7 高温使产品特性、参数发生明显变化，其敏感元件如晶体管、电阻、电容及变压器等；

1.3.8 高温下不同膨胀系数的材料的膨胀情况不同，会造成元件松动、尺寸改变、开焊、虚焊、假焊、氧化、软化、融化、密封失效等缺陷，敏其感元件如塑料等；

1.3.9 高温使材料变色、发黄（白色的材料）、发白（黑色的材料）、脆化、粉化，其敏感的元件如塑料等（实例见图1～5所示，注：高温150℃试验前、试验后的情况）。

图1 试验前

图3 800h 试验后（粉化）

图4 试验前

图5 1000h 试验后出现发白

2 温度循环应力

2.1 温度循环应力基本参数

温度循环应力的基本参数主要有6个：1）上限温度TU；2）下限温度TL；3）温度变化速率V；4）上限温度保温时间tu；5）下限温度保温时间tL；6）循环次数N（见图6）。

2.2 温度循环应力特性分析

在环境可靠性试验中，当温度循环变化时，高温应力、低温应力和热疲劳三者交互作用在产品上，材料都会出现不同程度热膨冷缩。其特征是，提高温度变化范围和温度变化率，能加强这一过程，因而增强热应力，增加循环次数，将直接影响激发的应力。

在温度循环试验中，试验箱内的气流（速度）均匀度是一个很重要的参数，该参数将影响产品的温度变化速率。这就要求在多个试验产品同时进行试验时，试验产品之间、试验产品与试验箱壁之间应有适当的间隔，以便气流能在试验产品之间、试验产品与箱壁之间自由循环。

在温度循环试验中，低温高湿条件向高温高湿条件转变时，由于空气温度比产品温度上升快，当达到一定的温差时，产品上就会产生凝露。温差越大，凝露现象越明显，凝露的水不能及时排出，就会增加产品受到腐蚀的机率和降低绝缘强度（见图7）。对整机设备来说，将会导致灵敏度降低、频率漂移等，严重的将影响产品质量。表1是一试验实例。

2.3 温度循环应力诱发失效的机理及敏感元件

2.3.1 温度循环使不同膨胀系数的不同材料的膨胀情况不同，造成剥离、开裂，其敏感元件如油漆涂覆层等；

2.3.2 温度循环使螺丝连接或铆接不牢的接头松驰,其敏感元件如螺丝、铆接部件等；

2.3.3 温度循环使机械张力不足的压配接头松驰；

2.3.4 温度循环使材质差的钎焊接触电阻加大或诱发开路,其敏感元件如电阻元件等；

2.3.5 温度循环使触点（焊点）腐蚀和污染，其敏感元件如合金材料等。

3 温度冲击（热冲击）应力

3.1 温度冲击应力基本参数

温度冲击应力亦即热冲击，其基本参数主要有6个：1）温度上限；2）温度下限；3）在温度上限的停留时间；4）在温度下限的停留时间；5）温度转换时间或温变变化速率；6）温度冲击循环次数。

图6 温度循环曲线图

图7 温度循环试验后出现的变化

表1 一组样品在-25℃～+55℃之间的温度循环试验前后的绝缘强度

上述这些参数将决定温度冲击试验对产品影响的严酷等级。一般而言，温变率增大有利于潜在缺陷的暴露。在环境可靠性试验中，温度冲击应力试验要求：温变率大于15℃/min，转换时间2～3min；20～30s；＜10s这是与前述的温度循环应力试验的区别所在。而目前在国外，高加速应力筛选采用的温变率已达到了60℃/min，国外的温度冲击箱，提篮传送时间:＜10s(箱内通过自动转换提篮传送)。

3.2 温度冲击应力特性分析

温度冲击这一方法能够提供较高的温度变化速率，产生的热应力较大，是筛选元器件特别是集成电路器件的有效方法，但试验中要注意其可能造成的附加的损坏；对于通电和监测来说，温度冲击方法使用不方便，甚至不可能实现全面监测性能以及及时发现故障。

3.3 温度冲击应力诱发失效的机理及敏感元件

3.3.1 温度冲击使样品发生热膨胀变化，造成故障，其敏感元件如各种金属化孔等；

3.3.2 温度冲击使绝缘材料开裂、分层和弯曲变形(见图8)，造成绝缘性能降低，其敏感元件如塑料等；

3.3.3 温度冲击使接链开裂、嵌件松动、零件间配合不正常，产生机械应力，严重造成结构性破坏，其敏感元件如机械传动件等；

3.3.4 温度冲击使管帽产生裂纹、衬底开裂，引线封接断开，其敏感元件如电容器、晶体管等电子元件；

图8 ： -40℃ 2h, 转换时间2-3min +125℃ 2h 500 个循环后的结果

3.3.5 温度冲击使低弹性产品脆性断裂、电迁移、热匹配不良、浪涌电流、密封失效，其敏感元件如低弹性的非晶体等。

4 结论及意义

综上所述，环境应力试验是检验产品质量的重要手段之一，对评价产品质量意义重大。对产品的评价不仅要看其功能和性能，还要考虑各方面综合条件，特别是要考虑在严酷的环境条件下其功能和性能的可靠性以及维修成本高低等综合因素。而提高产品可靠性，环境应力试验有着重要作用，没有环境试验就无法正确评估、鉴别、分析产品的品质，确保产品质量。基于无法回避的气候影响和产品，尤其是电子产品在使用中自身发热等原因，高温应力、温度循环应力、温度冲击应力试验是环境应力试验的重要组成部分。掌握高温应力、温度循环应力、温度冲击应力的基本参数和特性原理以及诱发失效的机理与敏感元件，对于提升环境试验水平非常重要。

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