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温度、湿度引起的应力对电气·电子产品失效中的影响

来源:首页 | 时间:2015-11-16

  温度、湿度引起的应力对电气电J子产品失效中的影响The Function o门nemperature MoistureStress heFailure Electrical&ElectronicPr oductS PaDer Co“:0—05 江南计算技术研究所印制板质量检测 中心 电线年毕、lk于厦门大学电子工程系,先后从事过仪器计莆,电 了元器件质帚测试检验放电f、电气产品和部件的环境可 靠性试验工作。 2003年起从事军川印制板质晕检测与印制板可靠性研究工作。 摘要 奉文简要介绍了环境试验中温度、湿度应力d电气-电子产品使用中影响可靠 性的基本原理,比较丁高温试验、湿热试验、冷热冲击试验对电子兀器件、印制l a路板等材料的不同影响情况,分析介绍了塑封、}导体器什腐蚀、印刷电路板离 子迁移、印刷电路板焊接龟裂的丈效机理。关键词活性能量 相对湿度绝对湿度 子迁移THB HAssAbstmct Th】s Paper。nenyln【m ducesmemnd…ta】pnnclple ofteInperature andmo七urc st…IntheusP electnca】&e】eunlc pmduc“whlchmauencemem】】abiIj【vm nvl四entalexoe…ntallons ltalmcompamst he dmmnt efkcb of“巾一tempemtumk5t,humld heaI cesl coJdmo【bfowtentowa—selecl册nlccomponents,州:BS and()thermatenal Hnallu1t amlvzes Ihe hj】…echanIsmof ch…osIonof plastI。Packagedcomponcnb e】on删gmIlonofPCB…dthe轴lder energvfe】 a洲ols【六bsolutem01s r七on…l£ranon chapo fPCBsKey words ac【1ve THB HASS1.引言 环境试验 在发展初期主要是模拟地球上的自然环境来展开的。但是,现在的环境试验已脱离 了当初的模拟试验的范畴,基本上被认为是人为的加速试验(Accelerat ed test)。在『JIS 8115可靠性用语J中也把加速试验定义为『以缩短试验时间为目的,在比基准更严格的条件下进行试验j。 环境试验大致可分为 “气候环境试验”、“机械环境试验”和“综合环境试验”。与气候有关的环境试验包括 温度,湿度与压力等环境应力试验,而机械环境试验则包括冲击和振动等环境应力 试验,如图1: 图1环境试验类型 在本文中将主要配合军用印制板质量检测中心 引进的德国砸^譬.S湿热试验箱(wKll—180,40)和温度(冷热)冲 击试验箱(TSl30)的应用介绍温度、湿度应力在电气电子部(产)品可靠性 中的作用。表1湿热试验箱(wKll—1 80/40)技术指标 表2温度冲击 试验箱(Tsl 30)技术指标 试验橱容积 approx. 90L试验橱 容积 approx. 30L试验橱尺寸 试验橱尺寸 approx.430mm approx.580mm pprox.500mm approx.450mm 00mm冷热温度工作范围 +180 温度范围(工作时) approx. 60~+220最高温度 一40 最低温度apprOx pprox.一lO~一80平均降温速率 3.Ok/min 平均升温速率apprOX 温度恒定度 approx. 1k 温度偏离(in time) 4.Ok/min apprOx. 转换时间 (spatial) O.1~0.5 10secs0.5~2.0k 最大试验重量 approx. 20kg 热气候工作范围418最低温度 结露温度范围 +4~+94适度 偏离 10~蜊%rh 温度恢复(10kg lcs) ljmlns l~3% rh 时间 由图2中可见,在各种应力影响之中温度和湿度环境应力所引发的失效 占所有环境应力引发失效的约60%左右。 图2环境应力和失效的关系 摘自Hu ghe s航空公目l美国)技术贵料2温度和湿度的物理与化学性质 温度是热能 的一个指标, 芒奉身并推物质.所以它不能直接进行化学反应。热时而传^,时而 离开物质,或者存物质的物理化学反应的过程中生成、消失,使构成物质的分子的 运动时Im激烈、时而缓慢。结果使化学反应速度加速或者减慢。 湿度则指空气中 水蒸气的含有量,湿度是干燥空气和水(水蒸气)结合到何种程度的一个指标,随 着各个时期温度的高低不同发生各种各样的变化。而水则是在我们的生活温度范罔 内能变化成各种各样形态的特异物质。当物质的温度升高,构成物质的分了的运动 也更趋活跃。相反,温度变低,分子的运动就变慢。如果接近极端低温273附 近的温度范阐M,几乎所有分子运动都停止了。 相对湿度是指在某温度下定的体秘 中所含有的水蒸„t的质量w与相同温度下相同体积的气体中含有的饱和水蒸气的 质母w、比,或者指某_温艘下气体中所含水蒸气的压力e与相同温度下饱自I水 蒸气压e,之比。单位为%RH。 相对湿度计算公式 H:兰100: 二一1 00(%只日、 H:相对湿度 w:在定温度下 定的体积中古有的水蒸气的质量 在相同温度下相同体积的气体中能含有的饱和水蒸气的质量。e:在某一温度下气 体中所含有的水蒸气的压力。 e。:在相同温度下的饱和水蒸气压力。 单位: RH)绝对湿度是指1m3气体中所含的水蒸气的质量。单位为g/m3 绝对湿 度计算公式: D。盖、蔫‰志训朋3,D:绝对湿度 H:相对湿度 e:温度 在相同温度下的饱和水蒸气压。举个例子,当e=85,H=100%RH,根 据上述公式可知D=3509/m3而如果在1m3的容积中全部充满水,水的质 量为1000kg,所以当H=100%RH时,其所含水的绝对质量与全部充满 水时的质量比为(350106)100%=O.035%,所以我们平时讲的 H=loo%RH时,其所含水的绝对质量实际是很少的。 在进行环境试验后,特 别在探讨电气电子部品的故障分析和寿命这个课题时,活性能量一直是关键点,这 是由于零部件性能劣化与化学反应程度有密切的关系。以下用图3对活性能量的原 理进行归纳说明。 图3活性能量和反应过程 即物质A、B的反应产生生成物 (A.B),在此我们把反应物A、B进入活性状态(A+B)所需的能量(Ea), 称之为这个反应的活性能量(Activation energy)。也就是说, 反应物质A、B所携带的能量与活性状态(A+B)的能量之差即为活性能量。这 种活性状态的能量直接释放出能量 (Ea+QkJ),就生成为稳定的生成物 (A.B)。这时Ea就在反应中的内部化学变化中被消耗,Q为向外部放热(发 热反应)。同时(Ea+QkJ)在逆反应时也有活性能量。Q在这种情况下,相 当于为了给不具备一定能量的分子具备达到进行反应能力的外部热量,Q即为达到 一定分解状态所需的热量(吸热反应)。所以此时活性能量为Eb。通常化学反应 必须在超越活性能量这个界限的情况下,才能进行合成和分解。在现实环境中,单 纯的水分量还不足以产生故障的,但因水有和其他热能等因素的结合、使周围的物 质产生化学反应的这点性质,这常常是电气电子产品发生故障现象的主要原因。3 与温度、湿度应力有关的主要试验方法介绍在产品的可靠性设计中,必须选择好与 产品实际使用环境条件相符的试验条件和类型,对个别应力的组合的效果进行充分 地分析。认识到在进行加速试验时,单单对试验施加严酷的试验条件是不够的。必 须把“试验设计”、“试验执行”及“试验分析”作为一个整体来综合考虑。420 场环境中发生的故障。通常是由于产品所放置的场所,周围环境(温度、湿度、振动、雨水、耐气候、电压变动、浪涌电压等),使用条件,季节,高度,压力以及 在使用时由于产品本身的内部特性形成的环境条件等复合条件引起的。即便是同一 产品,由于市场环境条件、制造条件、产品构成的特性,其可靠性和安全性有时会 出现很大的差异。换句话说,故障是由于在产品(或者是零部件材料)的特定部位 应力、热、电流、电场强度等集中、变动以及断续,和在设计制造过程中形成的特 性(材料、构成零部件、加工方法、机器的构造)等因素造成的。它与环境试验以 及条件等的影响关系如表l所示。 认为能承受比基准更严格试验的产品即认为在使 用环境下更具有可靠性也是不全面的,事实上,即使能承受最为严酷的试验条件的 产品,在普通的环境下发生故障的例子也常可见到。例如,印制板基材中聚酯等酯 类树脂在仪仪受到常温应力作用时,即使在150下其寿命也有数万小时。其吸 水率范围为0.1%左右,即使吸水,其物性也基本不变。但是温度和湿度同时作 用时,例如20100%RH的条件下,有27年寿命的产品,在35loo% RH的条件下其寿命仅为3天。 从定性的观点观察产品的故障现象,一般是在产品 所使用的材料物质固有的劣化原因和从外部来的物理的化学的要因相组合时开始 发生。产品受到自身及周围的各种环境的影响,劣化速度能加速,在反应物质消耗 并产生稳定的生成物的途中,产品自身的性能劣化或停止。造成故障的原因是多种 多样的,其中温度和湿度(水分)为起因的现象是电气电子产品的可靠性中最基本 的。环境试验的实质性工作就是在试验条件下,观察产品的耐性,使产品的弱点早 期曝露,对其弱点进行改良。当然,改良后的确认试验的必要性是必不可少的。表 3与温度,湿度应力有关的环境试验的目的以及它与试验条件等的影响关系 代表性 的试验条件 环境试验 目的 影响 及有关标准与设备温度 耐寒 调查电子零部件、 机器 一851~室温 f|1于膨胀收缩造成的热特性的、性 的耐寒性和低温储 GJBl621.7—93《技术侦察机械性的变形,软化、脆化的促进、 性。观察由于结冰造润滑性的低下、密封、龟裂、水分装备通用技术条件环境适 体积膨胀后的特性的结冰 应性要求和试验方法》 劣化、功能性能劣 GJB36 0.20—87《电子及电 化、由于收缩形成的机 气元器件试验方法》 械性特性 温度冲击试验箱(TSl30) 促进氧化、扩散等的化学反应。膨 室温~300 耐热性调查电子零部件、机器 胀、软化、氧化、粘度低下、龟裂、 的热性 变化。调查有源 扩散、液体泄漏 元件在高温下的动作 或者通电后的劣化特 观察润滑特性的劣由于膨胀收缩造成的变形、剥 一65~150口 温度循环 离、龟裂、由于内部水分的蒸发引程序自动运转 调查电子零部件、机器 起的龟裂、 疲劳、加工面的开裂以 的耐热性应力。对汽 及机械性的变位造成的电气特性 飞机等用的零部件的变化基本同上 进行筛选。加速使用环 境利用热容每较大的 造型零部件等的龟裂、端子密封部 一65~150口 热冲击 液体在短时间内评价 的评价、剥离、机械性的变形等 试样的移动为5秒 热应力的影响 程序自动运转 察由于热膨胀系数不同引起的尺寸变化, 以及伴随而来的材料 特性和密闭性的变 调查电子零部件、机器绝缘低下、促进腐蚀的电解、结露、 5%RH~95%RH性的湿度引起的劣化特 膨胀、漏泄电流增加、变形、特性 0%RH~40%RH性。评价绝缘材料的吸 变化、弯曲 GJBl621.7— 93《技术侦察 湿特性、储藏、低温度 装备通用技术条件环境适 条件下的干燥特? 应性要求和试验方法》 除了加速结露特性、吸 呼吸作用、结露、结冰、IM 0~80口湿度循环 湿特性,其他同上 20%RH~95%RH 结露循环 评价 由、于伴随温湿度 IM、腐蚀、短路、绝缘不良、涂 .35~85〕 变化发生 结露造成的 膜层的剥离 60%RH~90%RH 对材料、零部件、装置 切换时 的特性变化和耐热冲温度稳定20秒 击特性 HAST(PCT) 耐热 特性的加速试验 IC等模型的龟裂、密封不良、封口 125=/85%RH(1 21二,100%) 观察湿度的浸透扩 的剥离、粘接特性、变形、腐蚀、 可以 进行饱和、不饱和试验 散造成的影响 绝缘劣化、开裂、粘和剥离 焊接耐热 观察 电子零部件的焊 焊锡龟裂、卷线〕 接性能、 强度以及耐热 的热特性变化、绝缘物的软化、变 GJB360.20—87《电 气元器件试验方法》。3.1高低温试验的应力影响 Hughes航空公司(美国)技术资料中可以看出,温度应力与失效之间存在着密切的关系。下表4给出了温度应力引发失效的主要类型。 失效环境应力条 敏感元件和材料温大分类 中分类(原凶) 失效模式 抗拉强度老度 老化 度+时间塑料、树脂 绝缘老化 化学变化 热分解 温度 颦料、树脂 高温 软化、 熔化、汽 老化 扭曲 温度 金属、塑料、热保险丝 化、升华 氧化层的结 高温氧化 温度+时间 连接点材料 热扩散(金属化引线断裂 温度+时间 异金属连接部 合物结构)中级破 温度、电压、电子 半导体 热点 非均质材料、 (剩余的热燃塑料(例如带有维尼龙和聚氨酯油漆的木 燃烧 加热+烘干+时 质芯片)短路、绝缘性 高温(200一400)穿刺 非内在的高温(400—1000) 的卤化物422 温度(0.5Tm)+电 断开引线断 例如钨、铜、铝(特别是集成电路 迁移电迁移 流(密度为 引线) 蔓延 金属 疲劳、 损坏 温度+应力+时问 弹簧、结构元件 塑料 疲劳、损坏 温度+应力+时间 簧、结构元件体心立方晶体(例如铜、钼、钨)和密排 低温 金属 损坏 低温 塑料损坏 低温+低湿度 弹性的非晶体(例如苯乙烯、丙烯酸甲酯) 焊剂 噪声、连接彳i特别是连接到印刷电路板上的元件(例如 ‟低温 流动 开关、连接器件)1889年,瑞典物理学家阿伦纽斯(S.T.加 Thenius)发现了速度常数K的对数(Log K)和绝对温度T(=273 +t口)的倒数(1厂r)之间的关系如图4的线性关系。这个关系作为反应速度 理论,在故障解析时对物质之间的化学反应解析及对加速系数的推算时被广泛应用。 足=幺=蔫=ex恻麦一划 现在讨论产品寿命时,一般采用“0口规则”的表达方 式。具体应用时表达为“10口规则”,也就是可以这样认为,当周围环境温度上升 10口时,产品寿命就会减少一半;当周围环境温度上升20时,产品寿命就会 减少到四分之一。这种规则简洁的说明了温度是如何影响产品寿命(失效)的。因 此,人们也利用了升高环境温度的方法以加速失效现象发生的原理进行各种加速寿 命老化试验。3.2湿热试验的应力影响 潮湿是导致电子设备失效的主要环境应力 之一,高温高湿条件作用于试验样品时,可以构成水气吸附、吸收和扩散作用。许 多材料在吸湿后膨胀、性能变坏、引起物质强度降低及其他主要机械

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