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1、Proc. of the 6th R.O.C. Symp. on R&M (2005)报告名称 ： 加速寿命试验(ALT)电子产品应用实例简介 实例一 工业用CPU控制器模块(工研院机械所) 实例二 电动机车充电器(工研院机械所) 实例三 8025 无刷直流风扇 实例四 STN液晶显示模块 指导教师 : 张 起 明 博士 学 生 : 丁 嘉 仁 学 号 : 9314828 日 期 : 民国94年6月 20日 加速寿命试验(ALT)电子产品应用实例简介丁嘉仁 9414828交通大学机械所博士班(工研院机械所)摘 要可靠度为确保质量之重要手法及指针，以往传统的质量技术较着重于产品使用初期的质量，虽
2、然可改善制程质量，但对于设计质量、维修质量等有密切关联的寿命质量却无法提供有效的评估与确认。随着现代科技的快速进步与发展，一些高科技电子产品(如3C产品、机电产品、光电产品等.)的使用寿命亦愈来愈长，制造商或生产者为了确保产品质量能于保固期内能符合消费者之需求，生产者为了确实做到产品可靠、容易适用及产品安全，必须针对产品作一系列的可靠度试验，以了解产品真实的可靠度为何，而加速寿命试验（Accelerated Life Test；ALT）为可靠度试验的其中最为普遍及重要的项目。加速寿命试验其作法在于选择适当的环境应力加速其失效，快速了解产品质量的信息，以供产品进行适当的改善，达到质量保证的目的，
3、其做法既省时又经济是目前值得推广的可靠度技术，综观当前世界经济竞争特性，高质量仍是在经济不景气中求胜之不二法门。一般寿命试验是于既定的环境下评估产品使用寿命，但耗时较久，且须投入大量的金钱，而产品可靠度信息又不能实时加以改善，以致于失去许多商机与竞争力。利用加速寿命试验方式则能在较短的时间及较低之成本下得到产品重要之可靠度信息，以助产品改善质量。加速寿命试验的施加环境应力基本上条件是不能破坏产品原有的特性，通常电子、信息产品的加速条件，主要为温度，其次为电压、功率及湿度等。 本报告收集并参考工研院进行之研究及业界经常使用加速衰变测试方法来进行产品寿命的预估之若干实例加以简介，其中包含本人现职之
4、工研院机械所于开发电动机车之充电器及商用工业CPU模块控制器为例，另引用文献针对计算机散热风扇及目前国内当红之LCD 显示器产品之寿命进行加速试验研究进行简介。期待国内未来相关产品发展，除了兼具美观及操作方便外，质量之良窳亦是决胜关键，如能藉由若干之相关研究，以提升产品之质量竞争力，将更有助于建立国内品牌产品在国内外消费者心目中之良好形象。关键词：加速寿命试验Introduction Accelerated Life Test Method in ElectronicParts Life TestingJerry TingMIRL,ITRIKeywords：Accelerated Life T
5、est 1. 前言产品的可靠度信息一般而言是经由寿命试验推估而来的，然而现今在原料科技及制造技术均有长足进步的情况下，许多产品均可维持数年甚至数十年不坏，若以传统的寿命试验，将无法在短时间内获得足够的数据供产品寿命的推估。因此乃有加速试验的研究。对产品寿命长短的评估，一般而言有三种方法，一是将产品投入实际操作，让产品在正常的操作环境中，自然耗损，直到寿命终止，并有计划的记录相关数据，据以推估该产品的寿命，这种做法在产品开发计划中有诸多缺点，如需耗费相当长的时间、数据收集追踪困难、成本无法估计、最重要的是在可靠性未知的情况下将产品交给用户使用是不负责任的做法，可能严重损害设计及生产者的信誉。一是
6、收集类似产品的数据，加以适当的筛选统计归纳整理，据以推估该产品的寿命这种做法的前题是需有相类似的产品，且该产品有进行寿命预估工作，且数据可取得。另一则为加速试验加速试验是在实验室中以一合理的实验计划，将产品置于一较设计正常使用环境更严苛的情况下操作，加快其损耗的速度，使产品在短时间内即达到寿命终止，据以推估产品在正常操作时的寿命，这种方法对新产品的开发而言有，是一较可行的方法。比较上述三种方法的优缺点如下表表1.1 产品寿命预估方法上述加速试验的主要目的是希望在极短的时间内获得产品的可靠度信息包括产品的平均失效间隔时间(Mean Time Between FailureMTBF) 寿命(LIF
7、E)等。加速试验利用故障模式效应分析(Failure Mode Effect AnalysisFMEA)产品使用环境研究或其他方法找出产品在正常使用时所遭遇可能影响寿命的因素从中选择一个或两个关键的影响因素提高其强度水平使产品在该条件下运作将会加快失效的发生及寿命的终结。进行加速寿命试验时必须确保失效模式不受试验条件而影响。由于电子、信息产品(零件、成品和系统)失效模式一般符合指数分布，故通常执行温度加速试验。2. 加速寿命试验原理2.1加速试验步骤任何产品皆有其寿命探讨产品的寿命即代表确认产品之质量。对存如汽车电视等成熟之产品制造商经常已有丰富的寿命相关资料可提供其寿命预估依据。然而对新产品
8、开发而言此方面的数据必须仰赖研发人员自行建立故要在短时间内预估新产品的寿命，加速寿命试验是非常有效率且普遍的手法。由于现代产品的多样化， 使得产品的生命周期均非常的短暂， 故如何在短时间内求得产品的寿命状况，必须仰赖对于产品施以较严苛之应力值，使产品在短时间内发生失效， 以获知失效分布情形， 再透过回归数理分析， 及加速寿命试验的模式， 求出正常使用之寿命与时间的关系。图1.1加速寿命试验概念示意图加速试验进行之步骤主要包含 (1)加速寿命试验模式选定(2)试验应力(stress)筛选及分析：一般可藉由失效模式分析来筛选重要应力(3)加速因子决定(4)失效定义及加速寿命实验(5)实际寿命转换(
9、6)结果分析针对上述步骤得知，在进行加速寿命试验之前必需对产品的特性有充份的了解包含该产品的性能退化机制及失效模式的定义等，如次方能慎选加速应力及定义产品的失效模式。E / K )E / K )在进行加速寿命试验前， 必先决定严苛应力等级，如何来判断其应力等级是否过大而导致失效模式异常， 所以必须要有下列的假设(2.1)1. 假设环境应力相对增大后，对于产品的物理性质并没有改变。2. 假设可以在不同环境下， 所求得各个失效分布间， 彼此必存在有某相似的统计分布的特性。3. 假设在重复试验下，也就是在相同的环境条件下， 所求得的失效数学模式应该一致。4. 依据能量不灭的物理假设， 若是使用条件太
10、过于恶劣，则会改变其物质本身的物理结构。5. 在一定严苛应力范围中， 其失效分布假定为韦氏分布时， 其形状参数为一定值， 且将寿命值与应力之关系， 绘至对数图纸中， 亦呈一直线的关系。当我们要进行可靠度试验，最重要的是如何取得合适的加速因子，若未经实验而直接代入已知值之加速因子时，须考虑其加速因子之来源是否合理、正确；否则将引导错误之可靠度推算。以一般电子、信息业而言，零件类的可靠度模式及加速模式几乎都可以从美军规范或相关文献查得，甚至可以自行试验分析，得其数学经验公式。2.2加速寿命试验之应力模式一般所使用的加速寿命测试方式，是对于产品施予较严苛应力，再依其失效情况来推估正常使用应力下之寿命
11、分布，在所施予严苛应力的种类分为热应力、非热应力与复合应力，本节将加速寿命试验模式分成单应力模式与复合应力模式两类来探讨。2.2.1单应力模式(1)Arrhenius 模式Arrhenius模式俗称阿氏曲线，广泛的被使用在加速的应力条件为温度，或是失效时间呈现指数分配型态的应力条件，不同温度条件下的寿命，Arrhenius反应率Kr、特征寿命L与加速率AF模式如下 其中E (EA) 活化能eV(电子伏特)K：Boltzmanns 常数8.61710-5 eV/KT 绝对温度(+273.16)A 常数AF :加速因子活化能(E)可由两组实验结果寿命值估算，或查表部份产品(零组件)之活化能可参考1
12、0之Table 12.1，一般当试验的温度差度差距范围不大时，则E均可设定为常数。在早期故障约为0.20.6eV 间，而正常有用期接近1.0eV，若衰老期将大于1.0eV。(2)Eyring 模式Eyring 模式主要用在分析机械方面的试验样本衰退情况，Eyring 模式扩充Arrhenius 模式，引进温度以外的应力如湿度、电压、机械应力等于反应式中，其使用之限制条件亦假设产品之失效时间符合指数分布。Eyring 模式是量子力学为基础建立出来的数学式，考虑温度为其加速的变量，或者是其他非热应力的加速变量，例如湿度。Eyring 模式特征寿命L 与加速率AF 模式如下其中 A 及B依产品特性及
13、试验方法决定的常数k浦滋曼常数8.61710-5 eV/KT绝对温度(+273.16) 一般电灯、液晶显示组件、电容器、电气机器的绝缘材料之电压与寿命之关系，树脂封闭式半导体或液晶显示组件之温度与寿命之关系等，也都适用Eyring模式 (3)反乘幂法则模式（Inverse Power Law Model）若应力条件不是温度或当产品之寿命与加速环境应力（V）之关系属反乘幂法则时，例如考虑振动效应等，其寿命试验模式为其中A 及M 依产品之特性或试验方法等决定2.2.2 复合应力模式(1) Combination 模式Combination 模式是由Arrhenius 模式和反乘幂法则模式所组合的新
14、模式，常使用在包含有温度和电压或者是一个非热应力的情形下，特征寿命与加速率AF模式如下 则应力(T0V0)时之寿命0 及应力(T1V1)时之寿命1 间的加速因子为K = 0/ 1 = (V1/V0) 1exp(E/k )(1/T0)- (1/T1) (2.9)(2) Combined-Stress 模式Combined-Stress 模式是组合了两种应力特别是电压和温度，特征寿命L 模式如下A：每一种电容器的调整系数，调整此系数，使此模式达到最恰当的失效率；B：形状参数； S：对于电压的操作比例； Ns：应力常数；NT*：最大比例温度； G、H：加速常数(3) Generalized Eyri
15、ng 模式Generalized Eyring 模式是一种包含两种应力的函数，例如温度与非温度的应力，特征寿命L 与加速率AF 模式如下(2.2)ABCD：常数依产品特性及试验方法决定(4)温度-湿度（Temperature-Humidity；TH）模式温度-湿度模式是在加速条件为温度和湿度时使用，它是由Arrhenius 和 Eyring 模式所组成，可再分为三种模式分别如下：.第一种模式主要是用来评估塑料封装晶体管和集成电路的失效比率，其反应率Kr 如下：A,B：经验常数； T*+H：温度（ ）和相对湿度百分比的和.第二种模式主要是用在集成电路上，而他主要的退化原因是湿度而不是温度，其反应率Kr 如下：A,B：经验常数； VP：空气中蒸气压力的含水量.第三种模式则是建立在Eyring 模式上，主要的加速参数是温度和湿度，其特
