電子可靠性試驗 導致電子產品失效的主要環(huán)境應力

環(huán)境應力篩選的目的是通過向產品施加合理的環(huán)境應力,將其內部的潛在缺陷加速變成故障,并加以發(fā)現(xiàn)和排除的過程,其目的是剔除產品的早期故障。電子產品的工作過程中，除了電載荷的電壓、電流等電應力外，環(huán)境應力還包括高溫和溫循、機械振動和沖擊、潮濕和鹽霧、電磁場干擾等。在上述環(huán)境應力的作用下，產品可能出現(xiàn)性能退化、參數(shù)漂移、材料腐蝕等，甚至失效。本文收集整理了一些資料，期望能對各位讀者有比較大的參閱價值。

一、 溫度應力

在任何環(huán)境下電子產品都會承受溫度應力，溫度應力的大小取決于所處的環(huán)境類型、產品結構和工作狀態(tài)，溫度應力包括穩(wěn)態(tài)溫度應力和變化溫度應力。 穩(wěn)態(tài)溫度應力，是指電子產品在某一溫度環(huán)境下工作或貯存時自身的響應溫度。當響應溫度超過產品所能承受的極限時，組件產品將無法工作在規(guī)定的電參數(shù)范圍內，可能導致產品材料軟化變形或絕緣性能下降，甚至過熱燒毀，對產品而言此時承受的是高溫過應力，高溫過應力在很短的作用時間內就能導致產品失效；當響應溫度未超過產品規(guī)定的工作溫度范圍時，穩(wěn)態(tài)溫度應力的作用則表現(xiàn)在長時間作用的效應上，溫度的長時間作用使產品材料逐漸老化、電性能參數(shù)漂移或超差，最終導致產品失效，對產品而言此時承受的溫度應力是長期溫度應力。電子產品承受的穩(wěn)態(tài)溫度應力來自產品所處的環(huán)境溫度載荷和自身功耗產生的熱量，例如，由于散熱系統(tǒng)故障、裝備高溫熱流泄漏會導致部件溫度超出允許溫度的上限，部件承受的是高溫過應力；在貯存環(huán)境溫度長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，產品承受的是長期溫度應力。可以通過步進高溫烘烤試驗確定電子產品的耐高溫極限能力，通過穩(wěn)態(tài)壽命試驗（高溫加速）評價電子產品在長期溫度下工作的壽命。 

變化溫度應力，是指電子產品處于變化溫度狀態(tài)時，由于產品各功能材料的熱膨脹系數(shù)的差異，導致材料界面承受因溫度變化所產生的一種熱應力。當溫度變化劇烈時，可能使產品在材料界面發(fā)生瞬間爆裂而失效，此時產品承受的是溫變過應力或稱溫度沖擊應力；當溫度變化較為緩慢時，變化溫度應力的作用表現(xiàn)為長時間的作用效應，材料界面不斷承受溫變下產生的熱應力，局部微區(qū)可能出現(xiàn)微裂損傷，這種損傷逐漸積累，最終導致產品材料界面開裂或破損失效，此時產品承受的是長期溫變應力或稱溫度循環(huán)應力。電子產品承受的變化溫度應力來自產品所處環(huán)境的溫度變化和自身的開關工作狀態(tài)。例如，在從溫暖的室內搬到寒冷的室外、在強烈的太陽輻射下、突然降雨或浸到水中、飛機從地面到高空的快速溫度變化、寒帶環(huán)境的間斷工作、太空中朝陽和背陽的變化、微電路模塊的再流焊和返工等情況下，產品承受的是溫度沖擊應力；在自然氣候溫度的周期變化、間斷工作狀態(tài)、設備系統(tǒng)本身的工作溫度變化、通信設備通話量變化導致設備功耗波動的情況下，產品承受的是溫度循環(huán)應力?？梢酝ㄟ^熱沖擊試驗評價電子產品在遭受溫度巨變時的抵抗能力，通過溫度循環(huán)試驗評價電子產品在高低溫交替變化條件下長時間工作的適應能力。

二、 機械應力

電子產品承受的機械應力包括機械振動、機械沖擊、恒定加速度（離心力）三種應力。 機械振動應力，是指電子產品在環(huán)境外力的作用下圍繞某一平衡位置進行往復運動所產生的一種機械應力。機械振動按其產生的原因分類有自由振動、強迫振動、自激振動；按機械振動的運動規(guī)律分類有正弦振動、隨機振動，這兩種振動形式對產品產生的破壞力不同，后者破壞力度更大，因此振動試驗考核大部分采用隨機振動試驗。

機械振動對電子產品的影響包括由振動引起產品的變形、彎曲、裂紋、斷裂等，長期處于振動應力作用下的電子產品，將使結構界面材料因疲勞而出現(xiàn)開裂，發(fā)生機械疲勞失效；若發(fā)生共振則導致過應力開裂失效，使電子產品發(fā)生瞬間結構破壞。電子產品承受的機械振動應力來自工作環(huán)境的機械載荷，例如，飛機、車輛、船舶、空中飛行器和地面機械結構的旋轉、脈動、振蕩等環(huán)境機械載荷，特別是在產品非工作狀態(tài)下的運輸中和作為車載或機載部件在工作狀態(tài)下的運行中都難免承受機械振動應力?？梢酝ㄟ^機械振動試驗（特別是隨機振動試驗）評價電子產品在工作過程中受到重復性機械振動的適應能力。 機械沖擊應力，是指電子產品在環(huán)境外力的作用下與另一物體（或構件）發(fā)生單次相互直接作用，導致產品在瞬間發(fā)生力、位移、速度或加速度的突然變化所產生的一種機械應力，在機械沖擊應力的作用下，產品能在極短的時間內釋放轉移相當大的能量，使產品遭受嚴重破壞，如導致電子產品誤動作、瞬間開路/短路以及組裝封裝結構的開裂、斷裂等。與振動的長時間作用所帶來的累積損傷不同，機械沖擊對產品的破壞表現(xiàn)為能量的集中釋放，所以機械沖擊試驗量級較大、沖擊脈沖持續(xù)時間較短，造成產品破壞的峰值即主脈沖的持續(xù)時間只有數(shù)毫秒至數(shù)十毫秒，主脈沖之后的振動衰減很快。

這種機械沖擊應力的大小由峰值加速度和沖擊脈沖持續(xù)時間共同決定，峰值加速度的大小反映了施加給產品的沖擊力的大小，而沖擊脈沖持續(xù)時間的長短對產品的影響則與產品的固有頻率有關。電子產品承受的機械沖擊應力來自電子設備和裝備機械狀態(tài)的劇烈變化，例如，車輛緊急制動和撞擊、飛機的空投和墜落、炮火的發(fā)射、化學能爆炸和核爆、導彈爆炸等帶來的強烈機械沖擊力，由于裝卸、運輸或現(xiàn)場工作而造成的突然受力或突然移動也會使產品承受機械沖擊力。可以通過機械沖擊試驗評價電子產品（如電路結構）在使用和運輸中受到非重復性機械沖擊的適應能力。 恒定加速度（離心力）應力，是指電子產品在運動的載體上工作時由于載體運動方向連續(xù)變化而產生的一種離心作用力。離心力是一種虛擬的慣性力，它使旋轉的物體始終保持著遠離旋轉中心的趨勢，離心力與向心力大小相等、方向相反，一旦由合外力形成并指向圓心的向心力消失，旋轉物體將不再旋轉而是沿此刻旋轉軌跡的切線方向飛出，對產品而言此刻便發(fā)生了破壞。離心力的大小與運動物體的質量、運動速度和加速度（旋轉半徑）有關，對于焊接不牢固的電子元器件，在離心力的作用下會發(fā)生因焊點脫開而導致的元器件飛離現(xiàn)象，使產品失效。電子產品承受的離心力來自電子設備和裝備在運動方向上連續(xù)變化的運行狀態(tài)，例如，運行的車輛、飛機、火箭以及導彈變向等，使得電子設備及內部元器件要承受重力以外的離心力作用，其作用時間從幾秒到幾分鐘不等，以火箭、導彈為例，一旦變向完成則離心力消失，再次變向離心力又再次作用，可能形成長期不斷作用的離心力?？梢酝ㄟ^恒定加速度試驗（離心試驗）評價電子產品特別是大體積表貼元件焊接結構的牢固性。

三、潮濕應力

潮濕應力，是指電子產品在一定濕度的大氣環(huán)境中工作時所承受的潮濕應力。電子產品對濕度非常敏感，一旦環(huán)境的相對濕度超過30%RH，產品金屬材料就有可能受到腐蝕，電性能參數(shù)可能漂移或超差。例如，在長期高濕條件下，絕緣材料吸潮后絕緣性能下降，造成短路或高壓電擊；對于接觸性電子元件，如插頭、插座等，其表面附著水分的情況下容易發(fā)生腐蝕，生成氧化膜，使得接觸性器件電阻增大，嚴重時將造成電路不通；嚴重潮濕環(huán)境下，霧氣或水汽會使繼電器觸點動作時出現(xiàn)火花，無法再動作；半導體芯片對水汽更為敏感，一旦芯片表面水汽超標，其布線Al的腐蝕會變得極為迅速；為避免電子元器件被水汽腐蝕，采取包封或氣密封裝技術使元器件與外界大氣和污染隔離。電子產品承受的潮濕應力來自電子設備和裝備工作環(huán)境中附著材料表面的水汽和滲入元器件內部的水汽，潮濕應力的大小與環(huán)境濕度的高低有關。我國東南沿海地區(qū)是濕度較高的地區(qū)，特別是春夏季節(jié)，相對濕度最高達到90%RH以上，潮濕影響是一個不可回避的問題?？梢酝ㄟ^穩(wěn)態(tài)濕熱試驗、耐濕試驗評價電子產品在高濕條件下使用或貯存的適應性。

四、鹽霧應力 

鹽霧應力，是指電子產品在由含鹽微小液滴構成的大氣彌散環(huán)境中工作時材料表面所承受的鹽霧應力。鹽霧一般來自海洋氣候環(huán)境、內地鹽湖氣候環(huán)境，其主要成分為NaCl和水汽，Na+和Cl-離子的存在是導致金屬材料被腐蝕的根本原因。當鹽霧附著在絕緣體表面時，將使其表面電阻降低，而絕緣體吸收鹽溶液后，它的體電阻將降低4個數(shù)量級；鹽霧附著在運動的機械部件表面時，由于腐蝕物的產生增大了摩擦系數(shù)甚至會出現(xiàn)運動部件被卡死的狀況；盡管采取了包封和氣密封裝技術以避免半導體芯片的腐蝕，但電子器件的外引腳不可避免經常因鹽霧銹蝕而失去作用；印制電路板（PCB）的腐蝕物可以把相鄰的布線短路。電子產品承受的鹽霧應力來自大氣環(huán)境中的含鹽霧氣，在沿海地區(qū)或船舶、艦艇上，大氣中含有很多鹽分，這對電子元器件的封裝帶來嚴重影響?？梢酝ㄟ^鹽霧試驗加速腐蝕的方式評價電子封裝耐鹽霧的適應性。

五、電磁應力

電磁應力，是指電子產品在電場和磁場交互變化的電磁場中所承受的電磁應力。電磁場包含電場與磁場兩個方面，其特性分別用電場強度E（或電位移D）和磁通密度B（或磁場強度H）表示。在電磁場中，電場和磁場密切相關，時變的電場會引起磁場，時變的磁場會引起電場，電場與磁場相互激勵導致電磁場的運動而形成電磁波。電磁波能夠在真空或物質中自傳播，電場和磁場同相振蕩且相互垂直在空間以波的形式移動，移動中的電場、磁場、傳播方向三者相互垂直，在真空中電磁波的傳播速率為光速（3×10 ^8m/s）。通常電磁干擾關注的電磁波是無線電波和微波，電磁波頻率越高電磁輻射能力越大。對電子組件產品而言，電磁場的電磁干擾（EMI）是影響組件電磁兼容性（EMC）的主要因素，這種電磁干擾源來自電子組件內部元器件之間的相互干擾和外部電子設備的干擾，對電子組件的性能和功能可能造成嚴重影響。例如，DC/DC電源模塊內部磁性元件若對電子器件產生電磁干擾，將直接影響輸出紋波電壓參數(shù)；射頻輻射對電子產品的影響會通過產品外殼直接進入內部電路，或被接口線端轉化為傳導騷擾，進入產品內部?？梢酝ㄟ^電磁兼容性試驗和電磁場近場掃描檢測評價電子組件的抗電磁干擾能力。

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