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【普及篇】电子元器件老化测试项目及注意事项

发表日期:2021-11-24 访问量:781

电子元器件老化测试项目及注意事项

  在电子产品在加工过程中,由于经历了复杂的加工和元器件物料的大量使用,无论是加工缺陷还是元器件缺陷,都可分为明显缺陷和潜在缺陷,明显缺陷指那些导致产品不能正常工作的缺陷,例如短路/断路。

  而潜在缺陷导致产品暂时可以使用,但在使用中缺陷会很快暴露出来,产品不能正常工作。潜在缺陷则无法用常规检验手段发现,而是运用老化的方法来剔除。

  如果老化方法效果不好,则未被剔除的潜在缺陷将最终在产品运行期间以早期失效(或故障)的形式表现出来,从而导致产品返修率上升,维修成本增加。

一、概念

  老化(Burn in)是指在一定的环境温度下、较长的时间内对元器件连续施加环境应力,而环境应力筛选(ESSEnvironment Stress Screen )则不仅包括高温应力,还包括其他很多应力,例如温度循环、随机振动等,通过电-热应力的综合作用来加速元器件内部的各种物理、化学反应过程,促使隐藏于元器件内部的各种潜在缺陷及早暴露,从而达到剔除早期失效产品的目的。

  老化是属于环境应力筛选的一种。

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二、作用

 1.对于工艺制造过程中可能存在的一系列缺陷,如表面沾污、引线焊接不良、沟道漏电、硅片裂纹、氧化层缺陷和局部发热点等都有较好的筛选效果。

 2.对于无缺陷的元器件,老化也可促使其电参数稳定。

三、老化测试项目

  主要的老化试验项目是:

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1、光老化测试:

  光老化是户外使用材料受到的主要老化破坏,对于室内使用材料,也会受到一定程度的光老化。模拟光老化主要的三种灯源各有优异,碳弧灯最早发明使用,建立的测量体系较早、很多日本标准和纤维材料方面的标准都使用碳弧灯,但由于碳弧灯价格较高、性能不够稳定(灯管使用90小时后需要更换),已经逐渐被氙弧灯、紫外灯代替。氙灯在模拟自然光方面有较大优势,价格也相对较低,适合多数产品的使用。

  紫外灯产生的是400nm以下的光,能较好地加速模拟自然光中紫外线对材料的破坏作用,加速因子比氙灯要高,光源稳定性也比氙灯要好,但容易产生非自然光产出的破坏(尤其是UVB灯)。

  主要应用范围:户外、室内使用的橡塑、涂料、油墨产品,通讯、电器等设备外壳,汽车件、摩托车配件。

2、热老化

  主要参考标准:GB/T 7141ASTM D3045JIS K 6257等。

  热老化箱具备程序功能,可以通过程序设定温度变化,适合各种产品热老化的需要。

  主要应用范围:各种产品耐热老化测试,如PCB板、电器中绝缘橡胶、长寿命需求产品(如斜拉索大桥用外套料,使用年限要20年以上)等,考察材料随着使用时间的推移,产品性能的变化状况,考察产品使用的可靠性。

3、湿热老化

  主要参考标准:通用标准有GB/T 15905GB/T 2573等。

  另外还可以根据不同的产品标准、企业标准设定湿度、温度的变化曲线,适合各种复杂的湿热老化测试。产品使用过程中,容易受到温度和湿度的双重影响,对于一些对水敏感的材料,如PETPBT等,需要进行湿热老化测试,以评定是否适合在潮湿的环境下长期使用。

4、盐雾老化

  主要参考标准:GB/T 10125GB/T 12000\ASTM D117 JISZ2371等标准。

  进行中性盐雾、酸性盐雾、铜离子加速盐雾测试。主要用于模拟大气中的溶解于水蒸汽中的氯化钠对涂层、镀层等保护程以及金属地材的腐蚀作用,尤其是沿海地区及内陆盐湖周边地区,空气中盐分较高,产品很容易受到盐雾腐蚀。

  主要适用产品:各类涂料,如建筑外墙涂料、船用涂料、货柜用涂料等,各类镀层。

5、臭氧老化

  主要参考标准:GB/T 7762GB/T 24134GB/T 13642HG/T 2869JIS K 6259ASTM D 1149

  主要考察橡胶耐臭氧性能(橡胶中含有大量双键,容易受到臭氧攻击,尤其是在动态使用或者是拉伸时,臭氧对橡胶的破坏更加严重),也可以考察TPUEPDM等新型弹性体的抗臭氧性能。

6、高低温循环

  主要参考标准:GB/T 2423JG/T 25建筑涂料涂层耐冻融循环性测定法等标准,可以按照不同产品标准中,关于高低温循环、冻融循环的相关测试方法来开展试验。主要用于建筑涂料、特殊环境使用设备等检测。

老化试验箱.jpg

四、电子元器件老化测试注意事项

  为了使老化取得满意的效果,应注意下面几点:

  ① 老化设备应有良好的防自激振荡措施

  ② 给器件施加电压时,要从零开始缓慢地增加,去电压时也要缓慢地减小,否则电源电压的突变所产生的瞬间脉冲可能会损伤器件。老化后要在标准或规范规定的时间内及时测量,否则某些老化时超差的参数会恢复到原来的数值。

  ③ 为保证晶体管能在最高结温下老化,应准确测量晶体管热阻。

  对于集成电路来说,由于其工作电压和工作电流都受到较大的限制,自身的结温温升很少,如不提高环境温度很难达到有效地老化所需的温度。因此,常温静态功率老化只在部分集成电路(线性电路和数字电路)中应用。

五、半导体器件常用的老化筛选方法

1.常温静态功率老化

常温静态功率老化就是使器件处在室温下老化。半导体的PN结处于正偏导通状态,器件老化所需要的热应力,是由器件本身所消耗的功率转换而来的。由于器件在老化过程中受到电、热的综合作用,器件内部的各种物理、化学反应过程被加速,促使其潜在缺陷提前暴露,从而把有缺陷的器件剔除。这种老化方法无需高温设备,操作也很简便,因此被普遍采用。在器件的安全范围内,适当加大老化功率(提高器件结温)可以收到更好的老化效果,并且可以缩短老化时间。

    为了使老化取得满意的效果,应注意下面几点:

①老化设备应有良好的防自激振荡措施。

②给器件施加电压时,要从零开始缓慢地增加,去电压时也要缓慢地减小,否则电源电压的突变所产生的瞬间脉冲可能会损伤器件。老化后要在标准或规范规定的时间内及时测量,否则某些老化时超差的参数会恢复到原来的数值。

③为保证晶体管能在最高结温下老化,应准确测量晶体管热阻。

对于集成电路来说,由于其工作电压和工作电流都受到较大的限制,自身的结温温升很少,如不提高环境温度很难达到有效地老化所需的温度。因此,常温静态功率老化只在部分集成电路(线性电路和数字电路)中应用。 

2.高温静态功率老化

高温静态功率老化的加电方式及试验电路形式均与常温静态功率老化相同,区别在于前者在较高的环境温度下进行。由于器件处在较高的环境温度下进行老化,集成电路的结温就可达到很高的温度。因此,一般说来,集成电路的高温静态功率老化效果比常温静态功率老化要好。

    我国军用电子元器件标准中明确规定集成电路要进行高温静态功率老化,具体条件是:在产品标准规定的额定电源电压、额定负载、信号及线路下进行老化。老化条件是:125±3 ℃,168 h(可根据需要确定)。老化过程中至少每8 h监测一次。

高温反偏老化

在高温反偏老化中,器件的PN结被同时加上高温环境应力和反向偏压电应力,器件内部无电流或仅有微小的电流通过,几乎不消耗功率。这种老化方法对剔除具有表面效应缺陷的早期失效器件特别有效,因而在一些反向应用的半导体器件老化中得到广泛的应用。

高温动态老化

高温动态老化主要用于数字器件,这种老化方法是在被老化器件的输入端由脉冲信号驱动,使器件不停地处于翻转状态。这种老化方法很接近器件的实际使用状态。

    高温动态老化有两种基本试验电路:串联开关和并联开关试验电路。

串联开关试验电路又称“环形计数器”电路。其特点是:把全部受试器件的输出输入端串联起来,组成一个环形计数电路。由于前级的输出就是后一级的输入,即后一级就是前一级的负载,这就无须外加激励信号和外加负载,故设备简单,容易实现。缺点是任一被试器件失效,都会使整个环形系统停止工作,使试验中。直到换上新的试验电路或短接有问题的器件,试验才恢复正常。

并联开关试验电路的特点是,被测器件与激励电源相并联,因此每个被试器件都能单独由外加的开关电压来驱动,每个被试器件的输出端均可接一模拟最大值的负载,从而克服了串联开关老化的缺点。

高温动态老化的试验条件一般是在最高额定工作温度和最高额定工作电压下老化168240 h。例如:民用器件通常为几小时,军用高可靠性器件可选择100168 h,宇航级器件可选择240 h甚至更长的周期。

六、元件的老化

1.电阻元件老化试验一般按照规范的要求施加功率和温度环境,要特别注意的是老化是否有散热的要求。

2.电容器老化试验一般采用高温电压老化。这种方法是:在电容器最高额定工作温度下施加额定电压,持续96100 h,以剔除因介质有缺陷而造成击穿和短路的产品。例如,有机薄膜电容器介质中的针孔、疵点和导电微粒,在高温电压老化中会导致电容器短路失效;有严重缺陷的液体钽电解电容器在高温电压老化时,流经缺陷处的短路电流很大,使产品温度骤然升高。电解质与焊料迅速气化,使压力达到足以使产品遭到破坏的程度。

对于没有潜在缺陷的电容器,高温电压老化能消除产品中的内应力,改善介质性能,提高电容器的容量稳定性。高温电压老化能使介质有缺陷的金属化纸介(或塑料箔膜)电容器产生“自愈”,恢复其性能。