一种光模块组件的加速硫化腐蚀寿命预估模型

甘文斌,廖 原,钟 洪,廖 骞

(烽火通信科技股份有限公司,武汉 430074)

0 引 言

光模块在长期运行过程中会发生许多问题,其中就包括含硫气体和含硫颗粒污染物对光模块造成的硫化腐蚀现象。含硫气体和含硫颗粒污染物能够腐蚀光模块元器件内部的镀银层和含银材料,如片式厚膜电阻和磁珠内部的银电极。光模块的硫化腐蚀会造成光通信设备的硬件故障,因此评估光模块内部含银元器件在含硫环境下的工作寿命引起了行业研究者的关注。

国内外学者致力于利用加速试验来模拟银在含硫环境下的腐蚀情况,气体浓度、温度和湿度是需要考虑的因素[1]。常见的加速硫化腐蚀方法如GB/T 2423.51-2000流动混合气体腐蚀试验,其环境应力较弱,不能与当前部分地区的恶劣环境相适应,且21天的常规试验不能充分识别产品的硫化风险,不能准确预估产品在含硫环境下的工程寿命,需要进一步延长流动混合气体腐蚀试验周期,这将极大地增加试验成本,降低试验效率。

本文以通信设备含硫环境下的工程寿命预估为目标,通过分析银在含硫环境下的腐蚀失效机理,创新地提出了一种应用高加速的硫化腐蚀失效模型进行寿命预估的方法,以威布尔分布作为基准,环境应力作为协变量,建立工程寿命预估模型,并收集加速硫化腐蚀试验的失效率数据进行模型参数估计,最后通过实际工程失效数据验证了该预估模型的可行性和准确性。

1 可靠性分析

1.1 银硫化腐蚀机理

光模块在高硫环境下工作时,硫化现象通常发生在模块内部的贴片电阻和磁珠上。

图1所示为电阻硫化腐蚀机理图,如图所示,从左至右分别为电阻纵向剖面结构示意图(图中,①为包覆层；②为电阻层；③为银电极；④为基板；⑤为侧面电极；⑥为背面电极；⑦为电镀层。)、电阻腐蚀位置示意图以及电阻腐蚀物的成分分析图(主要为银和硫元素)。在贴片电阻的银电极和包覆层的结合处,环境空气中的含硫物(主要是硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)和羟基硫(COS))可以通过结合处的微小孔隙渗透到内部银电极,生成高电阻率的硫化银,从而使电阻的阻值变大直至开路[2]。

图1 电阻硫化腐蚀机理图

图2所示为磁珠硫化腐蚀机理图,如图所示,从左至右分别为磁珠腐蚀后的无损X-ray成像图、切片扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)成像图和腐蚀物能量散射型X射线(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy,EDX)成像图(黄绿色为硫化物)。贴片磁珠的外部由铁氧体烧结而成,内部使用银箔作为导体线圈,含硫物可以通过磁珠的铁氧体烧结后不致密的小缝隙渗入内部,“蚕食”内部银箔电极,导致磁珠的电流电阻(Directive Current Resistance,DCR)变大甚至开路。

图2 磁珠硫化腐蚀机理图

银硫化腐蚀的化学原理为

1.2 威布尔寿命分布模型

威布尔分布是瑞典数学家Weibull提出的数学模型,可用于针对一个“最薄弱环节”组件导致整个单元或系统出现故障的情况进行建模。威布尔分布模型利用概率值可推断其分布参数,该模型被应用于各类寿命试验的数据处理中[3-5]。3参数威布尔分布故障概率密度函数为

式中:m为形状参数,表征分布密度函数曲线形状；η为尺度参数,控制着横坐标尺度的大小,表征特征寿命；γ为位置参数,表征最小寿命参数；t为试验时间。

当γ=0时,式(1)可转化为两参数威布尔分布概率密度函数:

威布尔累积分布故障函数是指时间从0到t出现失效的概率,它是对威布尔分布概率密度函数在时间段[0,t]做积分得到的,积分式为

一般试验中我们是采用借助概率纸工具来分析失效规律,确定其相应分布参数的方法。我们从可靠性试验中得到的失效信息,一个是失效产品数,可以通过其计算出F(t)；另一个是相应的失效时间。

我们的思想是通过数学变换将上述复杂的关系转换成线性函数,将失效分析大大简化。图3所示为威布尔坐标纸示意图,将式(5)按照概率纸工具在双对数坐标系下近似简化为如图所示的直线。

图3 威布尔坐标纸示意图

接下来,我们将利用加速寿命试验来确定产品的失效分布规律,从而进一步建立寿命预估模型用以评估通信电子产品在高硫环境下的工作寿命。

1.3 加速硫化腐蚀试验

加速试验是指在产品失效机理不变的前提下,通过加大应力的方法,在较短的实验时间内获得比正常应力下更多的产品信息,利用高应力水平下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征[6-8]。

《GB 2689.2-1981寿命试验和加速寿命试验的图估计法(用于威布尔分布)》规定了用于恒定应力寿命试验和加速寿命试验的图估计法程序,其适用于电子元器件产品的寿命服从威布尔分布、形状参数m＞0、特征寿命η＞0和位置参数γ=0的情况[9]。失效时间的处理按照《GB 2689.1-1981恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则》第6条确定,将失效时间按从小到大顺序排列,并按照表1的格式进行处理。

表1 累积失效概率统计表

表中F(tj)值根据样品数量按照下式计算:

式中,n为加速试验样品的总数量。

如图4所示,将上述表中的数据点[tj,F(tj)]绘制在威布尔概率纸上,如果所描各点大致在一条直线上,配置的这条直线就是产品的寿命分布直线。通过这条直线我们可估计形状参数m和特征寿命η,并可估计任意时刻ta的F(ta)值。

图4 寿命分布直线示意图

参照美军标MIL-HDBK-217E(1986)电子产品在同类型不同强度的应力水平下的加速寿命试验,特征寿命η与应力φ大多符合逆幂律模型[10]:

式中:φ为同类型不同强度的非热量应力；A和B为待定常数。式(7)的对数形式为

式中:a=In A；b=-B。

不同应力水平下的特征寿命统计如表2所示,每一种应力对应实验结果的拟合直线都对应于一个相应的η。

表2 不同应力水平下的特征寿命ηi统计表

表2 不同应力水平下的特征寿命ηi统计表

应力水平φi φ1 φ2 φ3 … φ i特征寿命ηi η1 η2 η3 … η i

特征寿命与应力水平的外推关系图如图5所示,图中直线为特征寿命直线。

图5 特征寿命与应力水平的外推关系图

2 试验结果分析

2.1 试验样品

2.1.1 电阻

选择C厂商常规电阻300片,其中0402、0603和0805不同封装尺寸电阻各100片。图6所示为加速试验所用电阻测试板图,试验前将贴片电阻焊接在如图所示的印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)上,并采用HIOKI RM3545和四线制对电阻的阻值进行测量。试验前使用去离子水超声波清洗30 min,并用高压空气吹干,确保电阻及PCB表面洁净无杂质残留。

图6 加速试验所用电阻测试板图

2.1.2 磁珠

选择D厂商0402封装普通磁珠300片,图7所示为加速试验所用磁珠测试板图,试验前将磁珠焊接在如图所示的PCB上,并采用HIOKI RM3545和四线制对磁珠的DCR进行测量。试验前使用去离子水超声波清洗30 min,并用高压空气吹干,确保磁珠及PCB表面洁净无杂质残留。

图7 加速试验所用磁珠测试板图

2.2 加速试验方法

当今有许多耐腐蚀性的试验方法,目前在电子产业广泛应用的是混合性气体(Mixed Flowing Gas,MFG)、单一H2S气体、硫蒸气(Flower of Sulfur,FoS)、切削油和Chavant含硫粘土腐蚀试验[11-13]。

基于硫化腐蚀机理的分析,腐蚀时间、硫元素的释放浓度、温度和湿度都是决定腐蚀程度的关键因素,我们选择FoS和单一H2S气体腐蚀试验作为加速试验方法,分别在广州赛宝和北京华测实验室进行试验。

2.2.1 FoS腐蚀试验

FoS腐蚀试验在广州赛宝实验室进行,试验对象为厚膜电阻,腐蚀气体为FoS(玻璃容器内底部放置硫磺粉和饱和硝酸钾溶液),试验温度为105℃。该试验用于评估和验证不同封装电阻在相同应力下的寿命分布规律。

2.2.2 单一H2 S气体腐蚀试验

单一H2S气体腐蚀试验在北京华测实验室进行,试验对象为磁珠,腐蚀气体为H2S,腐蚀气体浓度为10×10-6、15×10-6和25×10-6(3种浓度对应3种不同的应力水平),试验温度为40℃,试验相对湿度为85%RH。该试验用于评估和验证相同封装磁珠在不同应力水平下的加速寿命关系。

2.3 腐蚀评估方法

2.3.1 形貌观察法

形貌观察法是指运用3D光学显微镜或3D Xray对试验前后的样品进行表面形态或内部形貌观察,表3所示为典型的电阻和磁珠腐蚀前后照片。通过3D光学显微镜可发现电阻表面深灰色覆盖层和端电极的结合处相比试验前可见明显的黑色硫化物。磁珠通过3D X-ray可发现内部银箔线圈相比试验前存在银箔不完整和明显孔洞状形态,表明正在发生硫化腐蚀。

表3试验前后电阻磁珠形貌对比

2.3.2 元素分析法

元素分析法是指运用EDX荧光光谱仪来测量元素,其原理是通过X射线穿透原子内部电子,由外层电子补给产生的能量差来判断属于何种元素。

2.3.3 电性测量法

电性测量法是指运用测量工具对试验样品的关键电气参数进行测量,包含开路、短路、电阻变化、参数不稳定和上电功能异常等。

焊接在PCB测试板上的电阻和磁珠在高硫环境下内部银电极和银线圈生成硫化银,造成DCR变大,因此电性测量可通过检测DCR的变化率来统计电阻和磁珠的累积失效率。对于电阻,试验后电阻阻值偏离额定值±2%时判断为硫化失效；对于磁珠,试验后磁珠DCR变化率超过20%时判断为硫化失效。表4所示为不同封装尺寸的电阻在相同应力下各时间段的失效数量统计表。表5所示为相同封装尺寸的磁珠在不同应力下各时间段的失效数量统计表。

表4 失效样品数统计表(试验条件:FoS、105℃、n=300)

表5 失效样品数统计表(试验条件:H 2 S、40℃、85%RH、n=100)

3 加速硫化腐蚀寿命模型的评估

3.1 加速硫化腐蚀寿命符合威布尔分布

FoS气体腐蚀试验下不同封装尺寸的电阻在相同应力下的寿命分布如图8所示,黑色、红色和绿色分别代表0402、0603和0805封装电阻的累积失效分布。由图可知,在相同恒定应力下,不同封装的电阻在图中拟合的寿命直线,其直线斜率表征威布尔分布故障概率密度函数的形状参数m,如图所示,m相近略有不同,说明电阻的硫化失效机理是一样的,电阻在恒定应力下的硫化寿命符合威布尔分布。由图还可知,小尺寸封装的电阻在相同应力下,硫化失效概率更大。

3.2 不同应力下的加速硫化寿命符合逆幂律模型

单一H2S气体腐蚀试验下,相同封装尺寸的磁珠在不同应力下的寿命分布如图9所示。

图8 电阻在FoS试验下的寿命分布图

3种不同颜色分别对应不同的应力水平,绿色最高,黑色最低。由图可知,在相同恒定应力下,磁珠硫化失效故障点分布基本在一条直线上,磁珠在恒定应力下的硫化寿命符合威布尔分布；在不同应力下的试验结果拟合3条直线相互平行、斜率相同,即形状参数m相同,不同应力下,磁珠的硫化失效机理是一样的；在加速硫化腐蚀试验中,高的应力水平φ对应低的特征寿命η,磁珠的加速硫化腐蚀寿命符合逆幂律模型。

3.3 工程寿命预估

图10所示为磁珠工程寿命预估模型图。结合工程中的环境应力水平和实验室加速试验的应力水平进行换算,我们可以按照图10来预估工程寿命,磁珠在H2S含量为10×10-9环境下工程寿命在10年左右。

按照美国仪表协会ISA-71.04-2013划分的气体腐蚀性等级[14],GX环境下H2S的浓度＞50×10-9,可知普通磁珠的工程寿命大约在2～3年。结合工程各地返回失效案例统计,在机房环境等级为GX的情况下,磁珠故障前累计工作时间均显示为2年半左右,与加速实验寿命预估模型推算的工程寿命一致。

图10 磁珠工程寿命预估模型图

4 结束语

本文通过分析银腐蚀失效的机理,实施了电阻(内部端电极含银)的FoS气体腐蚀加速试验和磁珠(内部由银箔构成线圈)的单一H2S气体腐蚀加速试验,验证了银的硫化腐蚀寿命符合威布尔分布模型,银的加速硫化腐蚀寿命和应力水平的关系符合逆幂律模型,并结合各地工程失效案例验证了该寿命预估模型的准确性。这种方法具有良好的收敛性,为光模块及其他光通信产品的设计、运行和维护提供了可靠的依据,并针对光模块的硫化腐蚀给出了应对措施,对降低工程失效率、延长产品工作寿命和提升客户满意度具有重要意义。