電子元件的可靠性與可靠性試驗

高低溫濕熱試驗箱技術(shù)規(guī)格：

SEH-190 CE表示低溫度0℃ / CR表示低-20℃ / CL表示低-40℃ / CS表示低-70℃

可靠性是什么？  
關(guān)于可靠與不可靠
總能按要求完成工作——可靠！
有時能完成工作，有時不能完成工作——不可靠！
為什么有基本性能，還要評價可靠性？
為什么一批產(chǎn)品基本性能都經(jīng)測試合格,用一段時間后先會壞掉一部分?
為什么同一型號規(guī)格產(chǎn)品,基本性能值更高的,有時反而出現(xiàn)更多的壞品?
......
那是因為基本性能并沒有反映質(zhì)量的全部,產(chǎn)品還有一個固有屬性—可靠性!
可靠性表示產(chǎn)品連續(xù)穩(wěn)定工作的能力。產(chǎn)品基本性能直觀表征靜態(tài)質(zhì)量合格與否，還不能反映產(chǎn)品質(zhì)量的全貌、穩(wěn)定性。
產(chǎn)品質(zhì)量特性包括構(gòu)成產(chǎn)品質(zhì)量的一切外在的特征和內(nèi)在的特性：
電子元件的基本性能指標高，其可靠性不一定高。如果產(chǎn)品可靠性低，即使其初始技術(shù)性能再好也得不到發(fā)揮。 例如，陶瓷貼片電容器的介質(zhì)擊穿電壓較高的產(chǎn)品，很可能在高溫負載加速壽命試驗中失效率較高。 可靠性可以綜合反映產(chǎn)品的質(zhì)量。電子元件的可靠性是電子設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)，要提高設(shè)備或系統(tǒng)的可靠性必須提高電子元件的可靠性。
可靠性是電子元件重要質(zhì)量指標，須加以考核和檢驗。
可靠性的科學(xué)定義：元件、產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件、規(guī)定時間，完成規(guī)定功能的能力稱為可靠性。
規(guī)定條件工作條件：電壓、電流、功率環(huán)境條件：溫度、濕度、氣壓
同一規(guī)格元器件，工作環(huán)境條件不同，其可靠性不同。工作負荷重、環(huán)境惡劣條件下，產(chǎn)品可靠性下降，損壞概率上升。規(guī)定時間產(chǎn)品可靠性隨使用/存貯時間的延長而降低，*工作時間越長，表示產(chǎn)品可靠性越高。談及可靠性必須有時間長度（或使用次數(shù)），離開時間的可靠性無意義。規(guī)定功能“功能”就是產(chǎn)品的技術(shù)指標、技術(shù)要求。是正常工作的性能指標。
如何描述可靠性高低水平？ 別人問你工廠制造的產(chǎn)品可靠性如何,該怎樣回答？ 是的,大家都可以說自家產(chǎn)品可靠性很高，但是多高呢？！ 
其實,產(chǎn)品的可靠性是可以量化描述，可靠性量化指標使用的是統(tǒng)計概率意義上的數(shù)據(jù)。 對電子元件描述可靠性高低主要特征量有：可靠度、失概率、壽命。
可靠度R（t）電子元件在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率稱為可靠度。
r(t)：工作到t時刻失效數(shù)；
N0 : 試驗產(chǎn)品總數(shù)；例：投入10000只75KΩ的電阻器，以天為計量單位，使用一年后（365天）時，發(fā)現(xiàn)3只電阻器壞了，則一年的可靠度 :R(365)=(10000-3)/10000=0.9997失效率λ(t)產(chǎn)品在t時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。Nt：t時刻性能正常產(chǎn)品數(shù)； 
△ t：監(jiān)測的時間間隔；△r(t)：監(jiān)測的時間間隔△t內(nèi)失效產(chǎn)品數(shù)。 失效率的單位通常有三種表示方法：1/h  , %/1000h , Fit（非特）1Fit=10-9/h，每1000個產(chǎn)品工作1百萬小時之后，只有一個失效。電子元件失效率較低，常以Fit（非特）為單位。 例：投入1000000只貼片電容，使用1000小時后，發(fā)現(xiàn)3只電容器壞了，則失效率為:λ(t)=3/(1000000*1000)=3*10-9/h=3Fit壽 命平均壽命MTTF產(chǎn)品使用時失效時間的平均值，對電子元件因其壽命服從指數(shù)分布，所以MTTF=1/λ。
儲存壽命對某些電子元件，如液態(tài)電解電容器，即使在不工作的狀態(tài)下，其功能和可靠性也會隨時間的延長而下降，因此對這類產(chǎn)品儲存壽命是一個重要的指標。
 電子元件的失效服從指數(shù)分布，失效率為常數(shù)，可靠度與失效率的關(guān)系為:R(t)=e-λ(t)我國有可靠性指標電子元件按失效率大小分七級:
級別符號大失效率（1/h或1/10次）亞五級Y3╳10-5五  級W1╳10-5六  級L1╳10-6七  級Q1╳10-7八  級B1╳10-8九  級J1╳10-9十  級S1╳10-10
注：當工作壽命按次數(shù)計算時，單位為1/10次, %/1000次, 1Fit 電子元件失效率試驗所確定的失效率是基本失效率，是在產(chǎn)品技術(shù)標準條件下的失效率，不是產(chǎn)品實際使用條件下的失效率。
電子元件失效規(guī)律              大量的使用和試驗表明，電子產(chǎn)品失效與時間曲線的特征是兩端高、中間低，呈浴盤狀，如圖，通常稱為浴盤曲線。
早期失效
產(chǎn)品使用初期，失效率較高，并迅速下降。對電子元件這一階段的失效主要是設(shè)計不當、材料缺陷、制造缺陷和安裝不當引起的。在工作應(yīng)力的作用很快會暴露出來。
偶然失效
產(chǎn)品使用一段時間后，失效率會降到一個較低的水平，基本處于平穩(wěn)的狀態(tài)，失效主要由偶然因素所造成。偶然失效期是產(chǎn)品主要工作的時期。
耗損失效
產(chǎn)品使用相當長的時間后，失效率迅速上升，這是產(chǎn)品老化、疲勞、磨損、蠕變、腐蝕等原因所引起的，是產(chǎn)品的壽命“終了”，稱為耗損失效期。
對于實際電子產(chǎn)品，不一定都必須出現(xiàn)上述三個階段。高質(zhì)量等級產(chǎn)品的失效率曲線在其壽命期基本上是一條平穩(wěn)的直線，而低劣產(chǎn)品可能存在大量的早期失效或很快進入耗損失效期。
如產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝不合理，只出現(xiàn)早期失效期和耗損失效期，這是產(chǎn)品質(zhì)量過于低劣。
提高系統(tǒng)（或產(chǎn)品或元器件）在整個壽命周期內(nèi)可靠性的一門有關(guān)設(shè)計、分析、試驗的工程技術(shù)。可靠性試驗是可靠性工程的重要組成部分。
可靠性試驗                    
為了評價分析電子產(chǎn)品可靠性而進行的試驗稱為可靠性試驗。可靠性試驗可以測算產(chǎn)品可靠性指標，分析產(chǎn)品的失效原因。
可靠性試驗與例行測量測試的區(qū)別： 
例行測量：用儀器直接測量，判定性能參數(shù)是否滿足出廠指標。
可靠性試驗：用統(tǒng)計方法作定量分析，得出可靠性指標，不能直接測讀出來。
可靠性試驗時，對受試樣品施加一定的應(yīng)力，并監(jiān)測應(yīng)力作用下的樣品性能的變化，判斷產(chǎn)品是否失效。 
[應(yīng)力]對產(chǎn)品的功能有影響和各種因素，包括電壓、電流、機械力和環(huán)境等。
可靠性試驗分類：
按試驗地點和試驗方式分：
    現(xiàn)場試驗：工作現(xiàn)場測量
    模擬試驗：模擬實際工作狀態(tài)的試驗
    實驗室進行的試驗多屬模擬試驗。
 按試驗項目分類:
通常慣用的分類法，是把它歸納為四大類:
A. 環(huán)境試驗
B. 壽命試驗
C. 特殊試驗
D. 現(xiàn)場使用試驗

環(huán)境試驗
測試產(chǎn)品對環(huán)境條件的適應(yīng)能力，環(huán)境條件主要包括以下：
氣候條件：溫度、濕度、氣壓、潮熱、鹽霧
機械條件：振動、沖擊、離心
輻射條件：電場、磁場、電磁場、各種射線
生物條件：霉菌
電氣條件：雷擊、電暈放電
人為因素：運輸、使用、維護
電子產(chǎn)品依據(jù)工作環(huán)境，選擇顯著影響可靠性項目條件（單一或組合）進行環(huán)境試驗。
對電子元件常用的環(huán)境試驗項目有：
氣候試驗：密封性試驗、溫度循環(huán)試驗、熱沖擊試驗、氣壓試驗、潮熱試驗、鹽霧試驗。
機械試驗：振動、沖擊、離心、碰撞、跌落等
 壽命試驗
為測定電子元件在工作或貯存下壽命的長短所做的試驗。
將一定數(shù)量的產(chǎn)品放在特定的試驗條件下，記錄樣品的失效時間，并進行統(tǒng)計分析，評估可靠性數(shù)量特征。
于大部分電子產(chǎn)品，壽命是主要的一個可靠性特征量。因此，對電子元件，可靠性試驗往往指的就是壽命試驗。
 長期壽命試驗：1000小時以上的試驗時間
長期貯存壽命試驗：元件放在一定條件下（不放加電應(yīng)力）貯存，以確定貯存壽命和失效率。試驗時間3年左右，有的達10年。失效率低。 
長期工作壽命：產(chǎn)品置于一定的工作條件下進行工作，確定正常使用狀態(tài)下的壽命和失效率。累積失效率40%左右即可進行統(tǒng)計分析可靠性指標。 
加速壽命試驗
長期壽命耗時耗力，通訊衛(wèi)星用元器件工作壽命要求>5年，海底電纜增益晶體管工作壽命要求>20年！為了縮短試驗周期、減少樣品數(shù)量和試驗費用，常常采用加速壽命試驗，在不改變失效機理前提下，提高應(yīng)力，使元件加速失效，在較短的時間內(nèi)取得失效率壽命數(shù)據(jù)，推算正常狀態(tài)應(yīng)力條件下的可靠性特征量。
加速應(yīng)力可以是電氣的、機械的、物理化學(xué)的，或它們的綜合。 
一般以高于正常用應(yīng)力的固定恒定應(yīng)力進行試驗，本試驗方法簡單，普遍使用。
  特殊試驗
用特殊的設(shè)備或儀器進行試驗或檢查。
在可靠性篩選試驗中使用較多，主要用于非破壞試驗和失效樣品分析。
紅外熱譜檢測：檢測電子元件存在的雜質(zhì)缺陷。這些弱點產(chǎn)生局部過熱，紅外探測可分辯。
現(xiàn)場使用試驗
對模擬試驗正確與否加以證實和檢驗。
  可靠性篩選試驗                                      
采用外加應(yīng)力將電子元件成品中潛在的早期失效產(chǎn)品剔除，從而分選出具有高可靠性產(chǎn)品的試驗稱為可靠性篩選試驗。
 外加應(yīng)力可以是熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機械應(yīng)力或者幾種應(yīng)力的組合。 
 普通篩選：剔除低劣品
精密篩選：在普通篩選的基礎(chǔ)上進行二次篩選，剔除參數(shù)漂移大的產(chǎn)品，得到可靠性特別高的產(chǎn)品。
 可靠性篩選試驗方法
根據(jù)篩選性質(zhì)和應(yīng)力或工具不同，大致分為：
檢查篩選：目視或顯微鏡檢查篩選
              紅外線、 X射線非破壞檢查篩選
                超聲波非破壞檢查篩選
               測量特性值檢查篩選 
致密性篩選：濕度試驗篩選 
環(huán)境應(yīng)力篩選：振動加速度、沖擊加速度
溫度循環(huán)、熱沖擊
壽命篩選 ：高溫存儲、功率老化
 篩選項目和篩選應(yīng)力確定的原則
1、必須針對元件的質(zhì)量、使用環(huán)境、工作狀態(tài)等確定篩選條件。
2、要有大量的可靠性摸底試驗數(shù)據(jù)或現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)資料，確定與失效機理相應(yīng)的篩選項目、應(yīng)力和時間。
3、篩選方法對無缺陷品應(yīng)是一種非破壞試驗。
4、篩選參數(shù)據(jù)電子元件種類而不同
 篩選應(yīng)力大小及篩選時間的確定
應(yīng)力強度過大過小，時間過長或過短均帶來不好的結(jié)果，篩選應(yīng)力大小和作用時間的選取原則是：
①針對產(chǎn)品的主要失效機理確定；
②所用的應(yīng)力不破壞良好的產(chǎn)品，快速暴露有缺陷的產(chǎn)品；
③根據(jù)用途、成本、批量大小和設(shè)備等條件統(tǒng)一考慮：

④充分調(diào)查，收集數(shù)據(jù)，掌握產(chǎn)品的失效分布和失效機理，才能確定合理的篩選項目。
具體篩選應(yīng)力上限和篩選時間，須根據(jù)大量的可靠性摸底試驗數(shù)據(jù)確定。
 篩選方法的評價 
理想的篩選結(jié)果是次品數(shù)全部剔除，好品沒被剔除。
 評價方法
篩選淘汰率Q
Q=篩選剔除數(shù)/篩選總數(shù)*100% 
國外高可靠性產(chǎn)品的技術(shù)標準中，一般都規(guī)定了篩選淘汰率的上限值，如美國軍用標準中規(guī)定了各種元器件的篩選淘汰率：
紙介電容器5%
云母電容器8%
陶瓷電容器5%
碳膜和金屬膜電阻器為3%
 篩選效率
η=剔除產(chǎn)品失效數(shù)/總失效數(shù)=r/R
比值越大，早期失效產(chǎn)品被剔除得越多，篩選方法越好
 篩選效果
β=（λ－λ'）\ λ*100%
表征篩選前后,失效率下降的相對幅度
 可靠性篩選花費的時間和費用都是很大的，但對于新型電子元件和要求可靠性*的電子元件，可靠性篩選意義重大。特別是空間技術(shù)和軍事工業(yè)上用的電子元件均經(jīng)過嚴格科學(xué)的流程進行可靠性篩選。