IoT创业：产品生产之老化测试

Posted 2021-06-26 简一商业

老化测试的意义和目的

 

随着电子技术的发展，电子器件的集成化程度越来越高、结构越来越细微、工序越来越多、制造工艺越来越复杂，这样在制造过程中会产生潜伏缺陷。

 

对于一个性能良好的电子产品，不但要求具备较高的性能指标，而且还要有较高的稳定性，通过老化可以筛选出电子元器件故障。

 

在电子产品加工过程中，由于经历了复杂的加工工序，同时使用了大量的元器件物料，即便你的设计再好，也将引入各种缺陷。

 

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：

• 缺陷指那些导致产品不能正常工作的缺陷，例如，短路、断路。
• 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，例如，焊锡不足，产品虽然可以用，但轻微振动可能就会使焊点断路

明显缺陷可通过常规检验手段（在线检测 ICT、功能测试 FT 等）加以发现，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。

 

通过高温老化可以使元器件的缺陷、焊接和装配等生产过程中存在的隐患提前暴露，提前鉴别和剔除产品工艺引起的早期故障。

 

老化还有一个更重要的目的（和测试一样）：

 

通过老化使产品加工工艺不断改进，使产品品质不断改进，改进到不需要老化为止。

 

老化结合可靠性测试，并与失效分析相结合，即对老化过程中失效的器件进行根本原因（ROOT CAUSE）分析：

• 确定器件的失效是物料选择的问题；
• 还是设计应用不当；
• 还是生产加工过程造成的损伤，并进一步改进；
• 经过2-3个循环，产品稳定下来，就可以逐步减少老化时间直至取消。

 

2、老化的定义

 

严格意义上来讲，老化是指采用高温方法对产品施加环境应力。

 

而环境应力筛选（ ESS：Environment 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、恒定高温等。

 

所以，老化是属于环境应力筛选的一种。

 

但现在很多公司已经把“老化”这个词的意义扩展了，老化就等同环境应力筛选，环境应力筛选俗称为老化。

 

老化是通过对电子产品施加加速环境应力，如，温度应力、电应力、潮热应力、机械应力等，促使潜在缺陷加速暴露成故障，达到发现和剔除潜在缺陷的目的。

 

老化不能损坏好的部件或引入新的缺陷，老化应力不能超出设计极限。

3、老化的原理

 

老化的理论基础是电子产品的故障率曲线，简称浴盆曲线。

 

# 1 - 早期失效期

 

元件在开始使用时，它的故障率很高，但随着元件工作时间的增加，故障率迅速降低。

 

故障率曲线属于递减型，这个阶段产品故障的原因大多由于设计、材料、制造、安装过程中的缺陷造成的。

 

为了缩短这一阶段的时间，产品在投入运行之前进行试运行，以便于及早发现、修正和排除缺陷。

 

# 2 - 偶然失效期

 

这一阶段的特点是故障率较低，而且比较稳定，故障率曲线属于恒定型，这段时间是产品的有效寿命期，人们总希望延长这一时期，即在容许的费用内延长使用寿命。

 

# 3 - 耗损失效期

 

这一阶段的故障率随时间的延长而急速增加，故障率曲线属于递增型。

 

到这一阶段，大部分元件开始失效，说明元件的耗损已经严重，寿命即将终止，若能够在这个时期到来之前维修设备，替换或维修某些耗损的部件，就能将故障率降下来延长使用寿命，推迟耗损失效期的到来。

 

老化是以剔除早期故障为目标，其理想的老化点为图中的 D 点，D 点的选择主要靠经验数据。

 

图中的 A、B、C 表示老化程度的不同，A 点表示老化不足，老化后仍有较大比率的缺陷流入市场，而 E 点则是过老化，这样增加了老化成本，缩短了产品使用寿命。

 

 

4、产品老化方案

 

1）常温通电老化

 

常温 25℃ 下，产品通电并加负载进行老化，根据产品特点确定老化时间，一般选择 48-72 小时，此方案对功耗较大的产品经常采用。

 

2）加热通电老化

 

将产品在一定的环境温度下，通电老化，根据产品特点确定老化时间，一般选择 24-36 小时，温度通常选用 40℃-45℃。

 

此方案对产品中，部分器件耐温较低（低于50℃）经常采用。

 

3）加热通电老化（高温）

 

将产品在一定的环境温度下，通电老化，根据产品特点确定老化时间，一般选择 12 小时，温度通常选用 60℃-65℃。此方案在产品老化中采用较多。

 

主要有以下优点：

 

• 老化时间短，节约时间；
• 老化工作温度较高，能充分暴露出产品中的一些不足，包括器件质量、焊接质量等；
• 配合一些通电动态试验，能监控整个老化过程中的工作状态是否正常。

 

5、产品老化示例

 

你根据产品实际要求，决定采用加热通电（高温）老化的方式，并针对老化过程中的失效器件进行失效分析及可靠性分析，有两点好处：

• 一方面，可以改进以及提升产品可靠性；
• 另一方面可以为生产时所需要的老化方案积累数据。

 

老化流程如下：

 

# 1 - 试验箱条件

 

高温试验是为了验证产品在高温情况下其使用、运输及贮存的能力。

 

所以在实际测试的过程中需要模拟高温条件进行试验，你要确保满足外部温度环境可调的要求。

 

对试验箱需有如下要求：

• 需要明确试验箱温度测量范围，温度波动度，空间温度差等主要指标；
• 试验样品的尺寸和数量相比，试验箱应该足够大，试验样品能够完全纳入试验箱的工作空间。

 

# 2 - 老化等级

 

GB/T 2424.2-2008 提供了如下所示的时间严酷等级标准：

• 2h；
• 16h；
• 72h；
• 96h；
• 168h；
• 240h；
• 336h；
• 1000h；

 

若试验的时间过短，试验效果会打折扣。若试验的时间过长，则会消耗更多的人力成本和时间成本。

 

基于目前试验效果和试验成本的考虑，测试时间选择 72 小时。

 

 

# 3 - 测试方案

 

1）初始检验

 

初始检验分为两部分：

 

产品生产的常规测试以及上机测试，所有进行高温试验的产品均需要通过以上两种测试方可开始高温试验。

 

初始检验的必要性：

 

初始检验的目的是为保证进行高温测试的产品本身是合格的，不会因为存在不合格产品而影响高温试验的结果。

 

生产的常规测试，主要是对产品的基本功能进行了验证，上机测试则模拟了产品出厂前进行的相关测试。

 

生产常规测试：

 

高温试验所使用产品需要按照实际生产流程进行，所有产品均需要具有唯一序列号。

 

序列号共包括三个部分：

 

• 物料编码；
• 生产批次号；
• 序号。

 

生产的常规测试按照“生产测试方案”进行初始测试，并出具测试报告，保证整个测试过程具有可追溯性。

 

2）老化测试方案

 

烧入测试程序，并搭建好测试平台。为了保障所得试验数据具有统计学意义，需个准备至少 10 套进行抽测。

 

将产品放入高温试验箱，上电开始运行，记录放入时间。

 

关闭试验箱并开始升温，设定目标温度，记录开始升温时间以及温度达到目标温度的时间。

 

目标温度达到后开始进行试验，试验持续时间为 72 小时，白天工作时间需要两小时检查一次并记录温度及产品运行状态。

 

夜间运行时实验室应有人值班，4 小时检查一次并记录温度及产品运行状态。

 

试验持续时间满足 72 小时后，试验箱开始复温，复温方式采取自然冷却方式，复温至常温后产品停止供电，时间应至少持续一个小时，结束测试。

 

试验完成后需要对产品进行性能检测，冷却 2 小时后进行生产的常规测试。

 

生产的常规测试按照“生产测试方案”进行，并出具测试报告，以及与初始检验的测试结果进行对比，判断高温试验前后是否产生变化。

 

 

作者：卫Sir，公众号：简一商业

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