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加速壽命試驗是指增加應力使樣品在短時間內失效，以預測正常工作條件或儲存條件下的可靠性，但不改變被測樣品的失效分布的方法。 如果加速壽命和實際壽命的失效模式相同，則可以采用加速壽命試驗。 高加速壽命測試不用于確定產品的壽命。 與高加速壽命測試相比，加速壽命測試的優點之一是我們不需要任何環境設備。

1 簡介

加速壽命測試的統一定義由Merom航展中心于1967年首次提出。加速壽命測試是基于合理的工程和統計假設，利用與物理失效規律相關的統計模型來測試超出正常應力水平的加速度。 一種測試方法，可將環境下獲得的信息進行轉換，以獲得產品在額定應力水平下的可再現特性的數值估計。 簡而言之，加速壽命試驗是在保持失效機理不變的情況下，通過增加試驗應力來縮短試驗周期的壽命試驗方法。 加速壽命測試采用加速應力水平進行產品壽命測試，從而縮短測試時間，提高測試效率，降低測試成本。

進行加速壽命測試必須確定一系列參數，包括（但不限于）：

測試持續時間、樣本數量、測試目的、所需置信度、所需精度、成本、加速因子、現場環境、測試環境、加速因子計算、威布爾分布斜率或β參數（β<1表示早期失效，β>1表示磨損-輸出失敗）。 使用加速壽命測試方法確定產品壽命的關鍵是確定加速因子，有時這是最困難的。

一般采用以下兩種方法。

2種方法

(1)現有模型。 現有模型包括：模型、模型、模型等。使用現有模型比用實驗方法確定加速因子節省時間，需要的樣本較少，但不太準確，模型變量的賦值也比較復雜。

（2）通過實驗確定模型（需要大量的測試樣本和時間）。 如果沒有合適的加速模型，則需要通過實驗推導加速因子。 首先，將樣品分為3個應力等級：高應力、中應力、低應力。 制定測試計劃以確保在每個應力水平下發生相同的故障機制。 這是一種更準確的確定加速因子的方法，但需要更長的時間和更多的樣本。

3種

根據試驗應力的加載方式，加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、階躍應力試驗和順序應力試驗三種基本類型，如圖1所示。它們分別代表三種基本加速壽命的應力加載歷史測試。

圖1

(1) 恒定應力測試（-：CST）

其特點是施加在產品上的“負載”水平保持恒定，并且高于產品在正常條件下承受的“負載”水平。 測試是將產品分成幾組同時進行。 每個組可以相應地具有不同的“負載”級別，直到每個組中一定數量的產品出現故障。 恒應力試驗的應力加載時間歷程如圖2(a)所示。

(2) 升級-: SUST

本次測試中對產品施加的“負載”是在不同時間段施加不同級別的“負載”，級別呈階梯式上升。 每個時間段的“負荷”水平均高于正常情況下的“負荷”水平。 因此，每個時間段都會有一些產品失效，而沒有失效的產品會在下一個時間段繼續承受更高級別的測試，以此類推，直到在最高應力級別也檢測到足夠的應力。 直到失敗次數（或一定的測試時間）。 階躍應力測試的應力加載時間歷程如圖2(b)所示。

(3) 漸進應力加速壽命試驗（：PST）

順序壓力測試方法與步進壓力測試基本類似。 不同之處在于，順序壓力測試中加載的壓力水平隨時間不斷增加。 圖2(c)顯示了最簡單的順序應力加載情況，即試驗應力隨時間線性上升的加載過程。

圖2

4個條件

如果加速壽命和實際壽命的失效模式相同，則可以采用加速壽命試驗。 但實際上，有時故障模式相同但故障機理（）不同，或者即使故障機理相同，如果故障判定條件或使用條件發生變化，加速度也會發生變化。 在長期的研發和改進過程中，產品設計或制造方法可能會發生變化，客戶的使用條件可能會發生變化； 或者采用規定的技術方法生產的產品也可能會受到不可控因素的影響，導致失效機理的改變，從而可能導致無法利用加速壽命試驗。

例如，電子管的壽命滿足該關系，因此可以提高陰極溫度并進行加速壽命測試。 假設電視機用布朗管的陰極溫度達到額定值的100%，可以進行加速倍數為2.2～3倍的加速壽命試驗。 但無論是陰極溫度低于額定溫度，還是在不從陰極引出電流的情況下使用電子管，其壽命都會顯著縮短。 兩者的失效模式都是電子發射失效，但不同之處在于失效機理。 電子管的電子發射特性經常由于陰極活性材料的減少而劣化。 但如果陰極溫度降低，管內不純氣體的作用也會使電子發射特性惡化； 如果在不通電的情況下工作，陰極內部生成的中間層化合物會增加電阻，也會使電子發射特性惡化，因此即使用于確定壽命的失效模式相同，失效機制也不同。 因此，電子管在決定實施加速壽命試驗的方法之前，必須檢查實際使用過程中陰極溫度的偏差、間歇工作等情況。

5個范圍

除上述問題外，在規劃加速壽命試驗時還必須綜合考慮以下問題，以選擇加速壽命試驗的條件并確定其適用范圍：

(1) 不同大小的施加應力可能會導致不同的失效模式。 在這種情況下，應力加速法的使用受到限制。

(2)由于應力大小不同或機械工作條件不同，失效發生時間與施加應力強度之間的關系可能不同。 在加速壽命試驗計劃開始時，應注意該應力加速的適用范圍。 問題。

(3)在幾種不同的試驗方法和不同的失效分析基準中，可以選擇加速因子較大的方法，以較短的試驗時間來評價壽命的有效性。

(4)產品在現場使用時，應力變化較大，失效情況可能因用戶不同而不同； 或即使同一反應機理發生故障，其分布也很不均勻，因此用實驗數據來推斷實際使用壽命時，應盡可能指定累計故障率進行估算，以免出現錯誤。由于數據不足進行分析。

6 高加速壽命試驗與加速壽命試驗的比較

正如前面關于加速壽命測試的特征所描述的，高加速壽命測試不用于確定產品的壽命。 由于我們關心的是使產品盡可能可靠，因此可靠性大小的測量并不重要。 然而，對于有磨損時間的機械產品來說，盡可能準確地了解其使用壽命非常重要。

一個重要的優勢是能夠快速發現影響外場使用的缺陷。 典型的高加速壽命測試只需 2-4 天即可完成，我們發現最終會成為現場問題的缺陷的成功率非常高。

如上所述，關于加速壽命測試的特點，加速壽命測試相對于高加速壽命測試的優點之一是我們不需要任何環境設備。 通常，臺架測試就足夠了。 在許多情況下，測試可以在用戶的??設施中進行。 另一個好處是測試可以同時確定產品的壽命，這是高加速壽命測試無法實現的。

以上我們對加速壽命測試的概念有了一定的了解。 我們來比較三種加速壽命測試方法：

加速壽命試驗分為恒定應力加速壽命試驗、階躍應力加速壽命試驗和順序應力加速壽命試驗。 將一定數量的樣品分成若干組，對每組施加高于額定值的固定應力，達到規定的失效次數或規定的失效時間后停止，稱為恒應力加速壽命試驗（以下簡稱恒應力加速壽命試驗）。作為恒定壓力測試））； 應力隨時間逐步增加的試驗稱為階躍應力加速壽命試驗（以下簡稱階躍試驗）； 應力隨時間連續增加的試驗稱為順序應力加速壽命試驗（以下簡稱順序試驗）。

順序添加試驗可以看作是極限很小的階梯應力步驟。

加速壽命試驗常用的模型有()模型、Allan()模型以及以電應力為加速變量的加速模型。 實際中該模型應用最為廣泛，本文主要介紹基于該模型的實驗。

該模型反映了電子元件的壽命與溫度的關系，本質上是一個化學變化的過程。方程表達式為

式中：dM/dt為化學反應速率； E為活化能（eV）； k為玻爾茲曼常數0.8617×10-4 eV/K； A是常數； T 是絕對溫度 (K)。 式⑴可改寫為：

在公式：

式中：F0為累積失效概率； t(F0)是產品達到某一累積失效概率F(t)所需的時間。計算b后，則

式（2）是一個基于方程的方程，反映了器件壽命與絕對溫度T之間的關系。它是一個以溫度T為加速度變量的加速度方程。 它是元件可靠性預測的基礎。

實驗方法

1.恒應力加速壽命試驗

目前應用最廣泛的加速壽命試驗是恒定添加試驗。 恒應力加速壽命試驗方法已被IEC標準采用[1]。 其中3.10加速試驗程序包括樣品循環試驗的要求、熱加速電氣耐久性試驗的試驗程序等，可操作性很強。 常量添加法引起的失效因素比較單一，準確度較高。 國外在異質結雙極晶體管（HBT）、CRT陰極射線管、偽高電子遷移率晶體管開關（PHEMT）、多層陶瓷片式電容器等不同材質的電子元件方面已做了相關研究。

等人。 對 GaAs 和 InP PHEMT 單片微波集成電路 (MMIC) 放大器進行恒定添加測試 [2]。 下面僅介紹GaAs PHEMT，InP PHEMT同上。 對于GaAs PHEMT MMIC，共提取84個測試樣品，分為三組，每組28個。 環境溫度為T1=255℃、T2=270℃、T3=285℃。 所有參數均在室溫下測量。 當失效準則為44GHz時，|Δ S21|>1.0 dB。 三組測試結果如表1所示。測試數據服從對數正態分布。 表中的累積失效百分比、中位壽命和對數標準差（σ）均由測試數據獲得。 其中，累計失敗百分比=每組失敗次數/（每組樣本總數+1）； 中位壽命是故障率為50%時的壽命，可以通過在對數正態概率紙上繪制壽命-累積故障百分比圖得到：σ≈lgt(0.84)-lgt(0.5)。

由表1、圖1可以利用軟件得出基于恒應力加速壽命試驗的結果。 圖中的直線是根據三個已知數據點通過最小二乘乘法擬合的，表示為y=a+bx。計算得到

y=-12.414+8.8355x，

代入通道溫度T0=125℃，求其對應的x0，

x0=1000/（273+125）=2。

平均無故障時間=lg-1y(x 0)=6.1×109h

擬合后直線的斜率b為8.8355×10 3 ，則活化能

Ea=2.303bk≈1.7 eV

因此，當溝道溫度為125℃時，GaAs的MTT估計大于1×108h，激活能為1.7eV。

2. 階躍應力加速壽命試驗

在升壓測試過程中，首先對樣品施加接近正常值的應力。 達到規定的時間或失效次數后，將應力增加一級并重復測試。 通常，至少執行三個壓力級別。 階躍應力測試條件如表2所示。

Frank Gau 和 Peter 進行了分步實驗 [3]。 氣溫從150℃到270℃分六級電子技術基礎實驗，每70小時升高25℃； 通道溫度比環境溫度高約30℃。 總測試時間約為400小時。 根據模型[4]

式(3)可變形為

將方程（4）視為

y=a+bx，

在公式：

然后根據測試數據——某個參數的變化量（本次測試選擇了Idss、Ron等）做溫度的倒數，

現在：

擬合后，可直接讀取斜率b并乘以k即可得到活化能。 本文估算Ea=1.4eV，則MTTF(T0)=MTTF(T1)×exp[Ea(T1-T0)/kT1T 0]

測試得到器件在一定高溫下的MTTF（T1），樣品在125℃下的壽命大于107 h。 該結果與恒壓測試結果一致。

3. 順序應力加速壽命試驗

順序相加測試的加速效率最高，但由于其統計分析非常復雜且測試設備昂貴，其應用受到限制。 這方面的報道也較少。

北京工業大學李志國教授報道了微電子器件的多失效機制可靠性和壽命外推模型[5]。 他的學生李杰等人報道了一種快速確定微電子器件失效激活能和壽命測試的新方法[6]。

測試期間，對器件施加以一定速率β升高的斜坡溫度，保持電流密度j和電壓V不變。 制作ln(T-2ΔP/P0)和1/T曲線，找到曲線的線性段，通過線性擬合得到直線。 假設直線的斜率為S，則器件的失效激活能E=-kS。得到激活能E后，可以推斷出一定使用條件下的元件壽命。

李志國老師和他的學生利用上述方法對pnp雙極型晶體管進行了順序加法實驗。 初始溫度T為443K，升溫速率β=1K/8h，t時刻的結溫為T=T0+βt+ΔT。 電應力：VCE=-27V，IC=18.5mA； 測試條件：VCE=-10V，IC=30mA，室溫下測量； 失效判據：hFE漂移ΔhFE/hFE≥±20%。 樣品#372的測試數據如圖2所示。

鑒于圖2中曲線a段最接近使用溫度，最能反映正常工況下的失效機理，我們選取??a段數據，利用Excel軟件制作ln(T -2ΔhFE/hFE )和1/T曲線，并進行線性擬合得到斜率為S的直線，則器件的失效激活能為E=-kS=0.7 eV。 由圖2的a段推算，樣品的hFE降解20%所需的測試時間如圖3所示。根據GJB/Z299C-200x表5.1.1-5c，可以計算出結正常使用時樣品溫度約為60°C。

式⑸可改寫為

代入T=585 K，得到τ372#=1.2×10 7 h。 該結果與1.92×107 h的經驗數據相當。

測試方法比較

1.加速壽命試驗的實施

恒定添加試驗一般需要1000h左右，總共需要數百個樣品，并且要求不少于3個應力水平。 每個應力下的樣品數量不少于10個留學之路，特殊產品數量不少于5個。每個應力下的樣品數量可以相等，也可以不相等。 對于高應力，可以安排更多的樣品。

逐步測試只需要一組樣品。 最好至少安排4級應力，且每級應力的失效次數不少于3次電子技術基礎實驗，這樣才能保證數據分析的合理性。 此外，James A.在步驟加法實驗中對具體操作提出了一些有價值的建議[7]。 例如，測試應力的起始點選擇在元件正常工作上限附近。 最高應力點的選擇應參考以往的試驗經驗或已知的部件失效模式來設定。 應力起點至最高點分為3~6段； 測試前需要確定應力步長的最小值和最大值。

對于順序添加試驗的樣品數量沒有明確的規定。 分步添加和順序添加測試只需幾百小時，取幾十個樣品甚至更少、只需一組樣品即可完成測試。

目前應用最廣泛的方法是恒定添加試驗，但其試驗時間較長，樣品數量較多。 相比之下，逐步添加和順序添加測試在這方面具有優勢。 當樣品價格昂貴、數量有限或只有一臺加熱裝置時，分步添加和順序添加測試無疑是最佳選擇。

2.加速壽命試驗的應用

恒加測試已在航空、機械、電子等多個領域得到成熟應用。

階躍試驗常作為恒應力加速壽命試驗的初步試驗，以確定器件所能承受的應力最大值。 例如，金凌[8]在GaAs紅外發光二極管的加速壽命試驗中，采用升壓試驗來確定器件所能承受的最高溫度，然后進行恒升試驗，以避免出現問題。在常量添加測試中正常使用期間不會發生。 失效機制。 步進測試也可用于縮短測試時間。 已有將恒定添加試驗與分步添加試驗相結合的做法，以縮短試驗時間[9]。

序貫添加試驗的優點是時間短，但準確性不高，且序貫添加試驗的實施需要設備能夠提供滿足要求的應力并實時記錄樣品失效情況。 例如，冷世明等人在固體鉭電容器加速壽命試驗中，采用自主研發的JJ-1漸近電壓發生器控制直流穩壓電源提供時序電壓。 電容測量和漏電流測量分別使用HP的4274A和414。 型漏電流測量儀，并用可靠性數據采集系統記錄故障時間。

再比如，北京工業大學李志國教授等人在高頻小功率晶體管的順序相加測試中也搭建了一套完整的測試系統。 系統由溫度控制器、熱電偶、樣品加熱平臺組成溫度應力控制系統； 偏置電源、萬用表、負載電路板組成電應力偏置系統； 使用4155C半導體參數測試儀和QT16晶體管特性繪圖儀完成測試。

結論

如今，電子產品更新換代的速度越來越快，既快速又準確的加速壽命測試方法受到研究人員的熱切期待。 我相信這個愿望很快就會實現。