环境压力筛查

教程

作者：Lloyd W. Condra，Hanse Environmental, Inc.

环境应力筛选（ESS）是应用最广泛的加速可靠性测试方法之一。它能诱发潜在缺陷，这些缺陷只有在施加应力后才能被检测到。潜在缺陷是在产品制造过程中引入的，因为设计相关的缺陷本应在设计阶段通过可靠性增强测试进行检测和消除。

图 1展示了 ESS 的概念。ESS 仅对存在早期缺陷率区域的产品有效，如图 1 中初始故障率递减所示。最佳 ESS 时间点为 t0，因为此时所有早期缺陷均已被筛选掉。

如果ESS在t0之前结束，产品仍然存在早期失效缺陷，这些缺陷最终会被产品用户发现。如果ESS在t0之后结束，则会在不改善故障率的情况下浪费产品的使用寿命。

即使在 t0 之后，失败率也可能不为零。但是，t0 之后发生的失败并非早期死亡失败，必须用 ESS 以外的方法处理。

人们曾多次尝试制定标准的ESS流程，但由于ESS流程与产品密切相关，因此最有效的流程是基于对产品、其潜在缺陷以及导致这些缺陷的应力的深入了解。^1,2,3,4 有效的ESS流程能够生成有价值的数据，这些数据可用于改进产品以及筛选缺陷。然而，如果仅仅将ESS视为客户或市场提出的要求，则无法充分发挥其优势。

基于合规性的方法将ESS视为一种照本宣科的流程，产品在标准应力水平下，经受标准时间的测试。这种方法很少关注失效机制、失效的时间分布，以及如何利用失效数据改进产品。基于合规性的ESS除了满足客户的要求外，几乎没有其他益处。

基于合规性的ESS用户可能会产生不必要的费用。表1和表2展示了一家航空航天电子设备制造商实施的典型ESS方案。

从失效物理的角度来看，这些条件实际上完全相同，只需稍作修改，即可在同一个环境试验箱中进行测试。然而，由于基于合规性的方法无法将这种程度的理解融入到整个过程中，因此每个条件都按照既定方案实施，并且每个条件都需要一个单独的试验箱。

ESS的失效物理方法基于对产品中潜在缺陷类型、失效机制以及导致这些缺陷的应力的理解。5,6,7 ESS 的条件被设定为诱发这些缺陷，并且数据被用于确定其原因和分布。

故障数据会传递给相应的设计和制造人员，并用于改进产品。如果设置和操作得当，基于故障物理的ESS流程可以非常经济高效。

设置 ESS 流程

ESS工艺是针对特定产品的，因为每种产品都有其自身潜在的缺陷，而且施加的ESS应力对每种产品的影响也不同。尽管ESS工艺必须针对每种产品单独设置，但产品和应力方面存在许多共同特征，使得许多ESS工艺具有相似性。

ESS（电子稳定系统）中施加的应力预计会引发制造缺陷，但这些应力未必与产品在使用过程中实际遇到的应力相同。电子产品中最常见的两种ESS应力是温度循环和振动，它们可能依次施加，也可能同时施加。

在储能系统（ESS）运行期间，对电子设备进行监控至关重要。这是在极端条件下检测故障的唯一方法。更重要的是，储能系统运行过程中产生的应力会造成在常温常压下测试无法检测到的可逆损伤。这种损伤本身就是一种潜在缺陷，储能系统运行过程实际上可能导致早期现场故障。

减少或消除ESS

由于ESS属于检验步骤，它不会为产品增加价值，因此应尽快减少或取消。但这需要合理的论证，而论证需要相关数据。

必须建立生态系统服务系统（ESS），以便提供可用于减少或消除污染的数据。以下八个步骤说明了应该采取哪些措施：

1. 收集 ESS 过程中的故障率数据。

故障数据不仅要在ESS流程的开始和结束时收集，而且要在整个流程中持续收集。仅仅知道发生了故障是不够的；必须记录故障发生的时间。所有ESS尝试的数据，无论是否发生故障，都必须收集并记录。

2. 绘制故障率随时间变化的曲线图。

图 1 所示的图表类型。如果故障率随时间推移而降低，则可以通过适当的产品改进来降低故障率。

如果曲线保持不变，或者随时间推移而增加，则 ESS 工艺可能无效，原因可能是不存在导致婴儿死亡的缺陷，或者使用了错误的应激方式或应激水平。在这种情况下，应修改或停止使用 ESS 工艺，并实施其他产品改进方法。

ESS可在制造流程的任何阶段进行。表2列出了电子设备在组件、子组件、组件和系统层面用于ESS的一些应力类型示例。⁸表3列出了可通过温度循环和振动检测的缺陷类型。

选择特定的ESS应力水平是为了在相对较短的时间内诱发相关缺陷，同时又不会显著缩短非缺陷部件的使用寿命。对于电子设备，温度循环范围的下限通常为-40℃至-50℃，上限为+75℃至+85℃。

温度变化率也很重要。图 2展示了温度变化率对表面贴装晶体管翘曲的影响。⁷ 选择合适的振动水平可能颇具挑战性，尤其当缺陷对多种频率敏感时。

一般来说，多轴重复冲击振动比单轴振动更有效、更高效。同时施加温度循环和振动也比单独或依次施加这两种应力更有效。

3. 分析故障并按故障机制进行分类。

所有故障都必须进行分析，以便采取纠正措施。令人惊讶的是，许多储能系统运行竟然没有任何结构化的方法来分析故障，并将分析结果提供给能够采取适当纠正措施的人员。

4. 绘制每种失效机制的失效率随时间变化的曲线图。

完成上述步骤后，必须将步骤 2 中的标准应用于每种失效机制。同样，只有失效概率递减的失效机制才能使用 ESS 进行攻击。

5. 改进产品。

如果不利用ESS生成的数据来改进产品（包括设计、组件、材料和工艺），就无法减少或消除ESS流程。如果负责ESS流程的人员与负责产品设计和制造的人员并非同一人，那么两组人员之间保持良好的沟通至关重要。

6. 收集和分析 ESS 数据，以改进产品。

如果已采取适当措施改进产品，那么故障率与时间曲线中早期失效阶段的面积应该会减小。这可能是由于曲线斜率降低，或是达到恒定故障率所需时间缩短所致。

7. 修改 ESS 条件以反映新的故障率。

随着失效机制的消除，引发这些失效机制的应力也可能随之消除。如果失效机制在更短的时间内发生，则ESS过程的持续时间也可能缩短。

在某些情况下，可能需要引入额外的应力或提高应力水平才能检测到未预料到的失效机制。如果出现这种情况，必须注意避免引入无关的失效。

8. 根据需要减少或取消 ESS。

如果ESS流程设置得当，并且收集和有效利用了正确的数据，就能持续改进产品。最终，ESS流程可以大幅减少甚至完全取消。此外，还可以通过将全筛改为抽样筛来降低ESS的频率。

ESS 的有效性最终必须从经济角度进行评估。该分析基于实施 ESS 的成本、现场故障成本以及现场故障的发生频率。^{7,9,10,11,12,13,14} ESS 的成本包括资本设备成本、实施该流程的经常性成本、故障分析和修复成本，以及将新故障引入产品的风险。其益处在于降低现场故障成本。

ESS的有效性

参考文献中包含许多成功应用环境应力测试 (ESS) 的案例。AT&T 将其流程称为环境应力测试 (EST)，以强调该公司利用测试结果改进产品。¹⁵ 该流程结合了温度阶跃应力测试和 -20°C 至 +70°C 之间的温度循环测试，用于电路板组件。

图 3显示了 EST 过程中故障次数与循环次数的关系图。根据图 3 中的数据，研究人员得出结论：最佳温度循环次数为 16 次。

除了出货质量的提升，研究人员还追踪了现场不合格结果。他们报告称，与未接触EST的产品相比，接触过EST的产品质量提高了五倍。

尽管一些ESS从业者认为该流程应始终对100%的产品进行测试，但EST流程的样本实施已取得成功。¹⁵

一种用于激光二极管的两阶段ESS工艺包括：在组装前于165℃和10 kA/cm2下进行2小时的稳态老化，以及在组装后于70℃下进行150小时的第二次稳态老化。结果表明，未经筛选的激光器的平均寿命约为600小时，而筛选后的激光器的平均寿命约为6000小时。

在另一项关于激光二极管的研究中，AlGaAs激光二极管经过了一种环境稳定化（ESS）处理，即在惰性气氛中通电运行。¹⁷ 结果如表5所示。同样，经过ESS处理的产品的运行可靠性得到了显著提高。

如果产品的故障率极低，则ESS工艺的设计和运行可能相当复杂。McClean曾报道过一种名为高加速应力审核的技术，用于筛选印刷电路板组件。¹⁸ 筛选应力包括温度循环和振动，并在过程中施加功率。顾名思义，该测试是抽样进行的。

正如这些例子所示，ESS流程的开发和运行必须高度定制化，以适应被筛选的产品。ESS最大的优势或许在于，设计和制造产品的人员能够获得关于产品的实践知识和经验。因此，将ESS流程委托给可靠性部门或第三方筛选机构并非明智之举，因为这些机构修改设计或制造流程的能力有限。

ESS的替代方案

仅当产品存在早期失效期时，ESS才有效。如果产品不存在早期失效期，则必须采用其他方法。其他一些也涉及施加应力的方法包括持续可靠性测试（ORT）、持续加速寿命测试和定期重新认证。

ORT（工况恢复试验）定期抽取少量样品（例如，不到总产量的1%），在接近或略高于工作范围的应力下进行试验，试验时间从几天到几周不等。所有失效案例都会被分析，数据用于改进产品。试验结束后，未失效的样品将作为常规产品发货。

持续加速寿命试验与ORT类似，区别在于其应力更高，且试验会持续进行直至样品失效。由于这是一种破坏性试验，因此样品量可能比ORT略小，尤其是在产品价格昂贵的情况下。

定期复审是指定期（通常每年一到两次）重复进行资格认证程序或其简化版本。这种测试方法起源于美国的一些军用标准。由于定期复审涉及的样品批次范围有限，且成本较高，因此其应用正在逐渐减少。

概括

ESS 的总体目标是确保产品一旦通过质量检验，在生产阶段的各个部件之间就不会出现不受控制的偏差。施加应力对于检测某些无法通过功能或外观观察发现的缺陷至关重要。

开发和运行有效的ESS工艺的唯一现实方法是采用失效物理学方法。这需要了解产品，并掌握缺陷类型以及导致这些缺陷产生的应力类型。

几乎可以肯定的是，开发高效的ESS流程必然需要大量的试错；但一旦掌握了基本知识，就可以将其应用于各种产品。在大多数已实施ESS的案例中，它已被证明能有效降低产品总成本。

参考

1. MIL-STD-2164 (EC)，电子设备军用标准环境应力筛选流程。

2. DoD-HDBK-344（美国空军），电子设备的环境应力筛选。

3. 《环境压力筛选指南》，技术报告编号 AD-A206，美国陆军，弗吉尼亚州贝尔沃堡，1989 年 1 月。

4. 《集结环境压力筛选指南》，环境科学研究所，1990 年 3 月。

5. Pecht, M. 和 Lall, P.，“一种基于失效物理的烧蚀方法”， ASME 冬季年会论文集， 1993 年。

6. Lambert, RG，“随机振动筛选选择标准的案例历史”， 《环境科学杂志》， 1985 年 1 月至 2 月，第 19-24 页。

7. Smithson, SA，“有效性和经济性——ESS决策的衡量标准”，环境科学研究所会议记录， 1990年。

8. Mandel, CEN, Jr.，“环境应力筛选”，电子材料手册，第 1 卷，ASM International，Materials Park, OH，1989 年，第 875-876 页。

9. Smith, WB 和 Khory, N.，“集成电路老化是否仍然是一个有意义的研究方向？”，IEEE第 38 届电子元件会议论文集， 1988 年，第 507-510 页。

10. Pantic, D.，“集成电路老化对获得高可靠性部件的好处”， IEEE可靠性学报，第R-35卷，第1期，1986年，第3-6页。

11. Shaw, M.，“确定最佳老化期”，质量与可靠性工程国际，第 3 卷，1987 年，第 259-263 页。

12. Huston, HH、Wood, MH 和 DePalma, VM，“老化有效性 - 理论和测量”，IEEE国际可靠性物理研讨会论文集， 1991 年，第 271-276 页。

13. Suydo, A. 和 Sy, S.，“利用加速因子原理开发老化时间缩短算法”，IEEE国际可靠性物理研讨会论文集， 1991 年，第 264-270 页。

14. Trindade, DC，“烧屏磨损机制能否实现？：缺陷子群体的可靠性建模——案例研究”，IEEE国际可靠性物理研讨会论文集， 1991年，第260-263页。

15. Parker, PT 和 Harrison, GL，“利用环境压力筛选提高质量”， AT&T 技术期刊， 1992 年 7 月至 8 月，第 10-23 页。

16. Chik, KD 和 Devenyi, TF，“屏蔽对 AlGaAs/GaAs 半导体激光器可靠性的影响”， IEEE 电子器件学报，第 35 卷，第 7 期，1988 年 7 月，第 966-969 页。

17. Tang, WC, Altendorf, EH, Rosen, HJ, Web, DJ 和 Vettiger, P.，“通过在惰性气氛中进行高功率老化延长未镀膜 AlGaAs 单量子阱激光器的寿命”， 《电子快报》，第 30 卷，第 2 期，1994 年 1 月 20 日，第 143-145 页。

18. McClean, H.，“故障率极低的产品的加速应力测试”，环境科学研究所会议录， 1992 年。

作者简介

劳埃德·康德拉 (Lloyd Condra) 在担任汉斯环境公司 (Hanse Environmental, Inc.) 顾问期间撰写了本文。如今，他是波音公司西雅图分部的首席工程师。此前，他曾就职于AT&T贝尔实验室、美敦力公司和埃尔德克公司。康德拉先生毕业于利大学，拥有材料工程硕士学位，并著有两本技术参考书。汉斯环境公司地址：密歇根州阿勒根市哈伯德街235号，邮编：49010，电话：(269) 673 8638。