COTS器件序贯加速温度循环评估试验方法研究

李 鹏，李永正，党 炜，张泽明

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094）

COTS器件序贯加速温度循环评估试验方法研究

李 鹏，李永正，党 炜，张泽明

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094）

商业现货（COTS）器件以其高性能、低成本的特点，在航天领域应用越来越广。目前国内还没有公开的COTS器件可靠性保证标准规范，通常是按照军用标准做升级筛选后使用，试验时间长、成本高，并且还存在欠试验和过试验的风险。本文针对元器件评估试验中的温度循环项目，结合加速试验和序贯概率比试验，形成COTS器件序贯加速温度循环评估试验方法。首先分析比较国外COTS器件温度循环评估规范，其次介绍指数分布场合序贯试验方案，再次提出序贯加速温度循环评估方法，最后对某型DC/DC变换器开展了温度循环评估试验，对其可靠性指标进行了验证，说明了本方法的可行性与优越性。

COTS；加速试验；序贯试验；温度循环；评估试验

随着我国载人航天工程的跨越式发展，对航天产品使用的电子元器件技术要求越来越高，对可靠性要求主要体现在长寿命和低成本两个方面——寿命要求逐渐增加，大量采用商用货架产品(zzzzzzzz, Commercial Off-The-Shelf)[1]。COTS器件具有功能性能先进、采购渠道方便、供货周期短、价格低廉等突出优点，但也存在着质量可溯性不强，无法获取厂家生产和试验信息，空间环境下低可靠等风险[2][3]。NASA对791批次空间用COTS器件开展元器件评估，批次平均通过率仅为63 %；中科院空间应用中心可靠性保障中心质保296批COTS器件，总体批不合格率19 %。因此有必要研究COTS器件评估试验方法，验证其空间应用的可行性，为低等级器件空间应用提供试验依据。TG-1中大容量存储单元兼顾了高性能和低成本的需求，采用COTS等级NAND FLASH器件，在经过可靠性保证后上天，任务周期内无器件失效、无坏块数产生、备份未启动。

塑封器件在高低温应力交替作用下会不断膨胀与收缩，由于塑封料与芯片、基板和引线架等材料的膨胀系数差异，接触界面的结合点会产生剪切力。随着应力的累积，会导致塑封料与芯片、基板和引线架等接触界面产生裂纹和分层缺陷，甚至造成器件的电参数漂移以致失效。因此，COTS器件温度循环评估试验主要是利用不同材料热膨胀系数的差异，加速其因温度快速变化所产生的热应力对试件所造成的劣化影响，验证元器件可靠性指标是否达到规定要求。

国内外学者对温度循环评估试验开展了广泛的研究，Shohji通过开展多水平温度循环试验，使用修正Coffin-Manson模型对芯片级封装焊点热疲劳寿命进行了可靠性评估[4]；Cui对某塑封器件温度循环试验结果进行失效分析，讨论了Coffin-Manson模型的适用性[5]；Alberti研究了温度循环应力下镀铜倒装焊球栅阵列集成电路的失效机理，即循环热应力使芯片与铝基板之间出现裂纹，造成弯曲度变化[6]；He针对给定温度试验剖面，提出了一套DC/DC变换器故障诊断方法，对失效寿命进行有效预计[7]。大多数研究都从器件的失效机理、加速模型出发，评估其寿命与可靠性是否满足要求，而低成本COTS器件可采用故障物理与统计分析相结合的方法对其可靠性指标进行评估验证，采用序贯试验抽样方案可充分利用各故障发生时提供的信息，“一边做，一边看”，克服了定时、定数截尾试验抽样方案一次决定的缺点，既节省了试验样本，又缩短了试验时间。

本文提出了一种COTS器件序贯加速温度循环评估试验方法研究。首先对国内外COTS器件温度循环评估试验标准进行了比较分析，其次引入指数分布型序贯试验方案，然后提出序贯加速温度循环评估试验方案，最后以某低等级DC/DC变换器为例阐述了本方法的有效性和便捷性。

1 COTS器件温度循环评估标准

典型军用级器件要求温度范围是-55～125 ℃，而COTS器件温度范围一般不超过-40～85 ℃，因此工作温度范围的扩大造成COTS器件在严酷复杂空间环境下存在很大隐患。另外，与高可靠军用元器件不同，用户一般不清楚COTS器件厂商的设计、材料、生产流程和质量控制手段，也导致了COTS器件空间应用场合的风险。因此，COTS器件空间应用需要经过筛选、评估、破坏性物理分析/结构分析等试验与分析项目，剔除早期缺陷、考核可靠性、预防失效。针对低等级塑封器件在空间任务领域的应用，NASA和ECSS分别制定了NASA/TP-2003-212244和ECSS-Q-ST-60-13C低等级器件评估、筛选标准规范。两种规范属于通用性总规范，NASA标准仅适用于低等级塑封器件，ECSS标准适用于所有塑封和密封的低等级器件[8]。国内XX系统借鉴NASA和ECSS，也制订了《XX空间应用使用商用产品评估要求》，对COTS器件空间应用建立了一套完整的可靠性保证体系，但属于内部标准没有公开。

在低等级器件评估试验中，温度循环是必须进行的一项试验，NASA和ECSS的低等级器件评估规范中，对温度循环的试验条件参见表1，对于风险等级为Level 1任务，评估试验中直接进行500次的温度循环试验。一次性进行500次温度循环试验后，再次进行电参数测试、C-SAM、DPA/CA等分析项目，该评估方法能满足任务可靠性需求，但是存在试验成本高、样品需求多等缺陷。特别是500次温度循环试验后出现的失效，只能获取截尾失效数据，无法利用各失效时刻数据进行有效分析，另外未针对各器件特点设计试验剖面，只是笼统地采用-55～+125 ℃试验条件。因此，针对以上温度循环评估试验的不足，需要有针对性制定评估标准方案，既确保COTS器件满足任务需求，又有利于降低试验总成本。

表1 COTS器件温度循环评估试验标准

2 指数分布序贯试验方案

序贯试验是从批产品中抽取一组受试产品，检验后按照判决准则做出接收或拒收该批产品或继续试验的决定[9]。

从一批产品中随机抽取n个样品进行试验，t1＜t2<……

若试验样品无替换，则T为

若试验样品有替换，则T为

电子产品寿命一般服从指数分布，θ为MTBF，因此可靠度函数为

总试验时间T时，发生r次失效的概率为：

检验下限（拒收的MTBF）和检验上限（接收的MTBF）分别为θ1和θ0，序贯试验的关键在于P(θ1)和P(θ0)概率之比，A, B为判断界限，α, β, d分别是生产方风险、使用方风险和鉴别比。序贯试验判决准则为

1)如果P(θ1)/P(θ0)≤B，接收批产品，停止试验；

2)如果P(θ1)/P(θ0)≥A，拒收批产品，停止试验；

3)如果B＜P(θ1)/P(θ0)＜A，继续试验，到下一个判决值时再做比较。

序贯试验接收线和拒收线为：

其中：

为了避免长时间无法做出接收或拒收的情况，选取截尾故障数r0，确定截尾线，如图1所示。

3 序贯加速温度循环验证

加速试验作为可靠性验证和评估的重要工具已经得到广泛的研究应用。焊点热疲劳失效机理可以由Norris-Landzberg模型描述，因此温度循环加速模型为[10]：

其中Ea为激活能；K=8.623×10-5eV/K为Boltzmann 常数；Ff和Ft，ΔTf和ΔTt，Tf_max和Tt_max分别为正常应力和加速条件下的日循环数、温度变化范围、最高温度；α为与材料和尺寸有关的疲劳延性指数；m为循环频率系数。

加速应力下等效总试验时间为[11]：

继续时间条件则变为：

图1 序贯截尾抽验方案判决图

4 案例分析

INTERSIL公司某型DC/DC变换器为降压型电源模块，质量等级为工业级，器件工作结温-40～+125℃，电压范围4.5～20 V，输出电压范围0.6～6 V。利用Chroma8000测试系统对其满载输出电压、效率等电参数进行测试。由于测试条件限制，需要将样品从试验箱中取出才能进行测试。失效率要求不超过2×10-5，所以检验下限为50 000 h。

由于未开展可靠性强化试验对温度工作极限和破坏极限进行摸底，因此参照标准将8个样品投入-55～125 ℃条件下进行无替换温度循环试验，极限温度停留时间15 min，转换时间1 min，因此加速试验应力下一次温度循环时间为32 min。正常应力下循环时间为97 min，温变范围为-40～85 ℃，假设 m=0.33, α=1.9, Ea=0.8eV, 计算结果如表2所示。

表2 加速应力和正常条件下温度循环试验条件

由于系统级、设备级的可靠性指标会在相应阶段的鉴定试验中予以验证，因此针对元器件可选取α=β=0.3，d=2，根据GJB 899A-2009，采用短时高风险试验方案对器件进行验证，正常应力下序贯试验方案如表3所示[12]。

表3 正常应力下序贯试验统计方案

第一次判决时刻t=1.72θ1/AF/n=334 h，因此试验进行到334 h后将样品取出进行X光检查和高温、低温、室温测试，测试数据表明器件封装完好，性能指标正常无明显变化。表4所示为温度循环试验前后满载输出电压和效率的变化情况，可以发现电压保持恒定，效率有波动，但变化不大。因此无失效发生，作出接收批产品的判决，认为在规定的使用条件下该COTS DC/DC变换器可满足2×10-5的可靠性要求。若采用NASA和ECSS标准，本试验至少需要22个试验样品，循环数500次后若无失效可作出接收判决，但是无法定量地回答器件可靠性指标。比较而言，本方法可有效解决COTS器件温度循环评估验证问题，且节省样品、缩短试验时间。

表4 试验前后满载输出电压、效率数据

5 结论

1）序贯加速温度循环评估试验可有效保证COTS器件可靠性，克服了定时、定数截尾试验抽样方案一次决定的缺点，既节省了试验样本，又缩短了试验时间。

2）COTS器件温度循环评估试验条件应根据器件实际应用条件来制定，包括可靠性指标、环境应力、工作应力等。

3）COTS器件由于成本相对低廉，在试验评估过程中可投入相对多的样本以节省试验时间，但应注意样品成本、试验成本、测量成本等的优化配置。

[1]党炜,孙惠中,李瑞莹, 等. COTS 器件空间应用的可靠性保证技术研究[J]. 电子学报, 2009,37(11): 2589-2594.

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Research on Accelerated Sequential Thermal Cycling Evaluation Tests for COTS Components

LI Peng, LI Yong-zheng, DANG Wei, ZHANG Ze-ming
(Technology and Engineering Centre for Space Utilization, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094)

More and more COTS components have come into space application area because of its superior performance and low cost. However, there are no relevant reliability assurance standards for COTS components. The regular solution is using military standards after the upgrading and screening test,but it can be time-consuming and high-cost, besides this, the method is liable to cause the risk of over-test and short-test. Focusing on the thermal cycling program during the evaluation test of components, this paper proposes an accelerated sequential thermal cycling evaluation tests method by combining accelerated testing and sequential probability ratio testing (SPRT). Firstly, the foreign thermal cycling standards for COTS components are analyzed, then the sequential testing is illustrated.Moreover, the accelerated sequential thermal cycling evaluation tests method is presented. Finally,the thermal cycling test is carried out with COTS DC/DC converters to demonstrate its reliability,which means the method is feasible and effective.

COTS; accelerated test; sequential test; thermal cycling; evaluation test

V443

A

1004-7204(2017)04-0065-05

国家自然科学基金（61703391）；中国科学院空间应用工程与技术中心前瞻性课题(CSU-QZKT-201714)；中国科学院青年创新促进专项基金项目(CASYI2014135)。

李鹏（1992-），男，助理工程师，硕士，从事环境可靠性研究工作。