電子裝備貯存失效研究現(xiàn)狀分析

鄒 峰（江蘇省自動化研究所，連云港 222061）

電子裝備貯存失效研究現(xiàn)狀分析

鄒 峰
（江蘇省自動化研究所，連云港 222061）

針對國內(nèi)外電子裝備貯存可靠性研究歷史進(jìn)行了闡述，對貯存失效相關(guān)的貯存剖面、貯存失效機理、貯存可靠性評估模型和方法進(jìn)行歸納總結(jié)，并最終得出電子產(chǎn)品貯存失效研究的幾點結(jié)論。

電子裝備；貯存失效；研究現(xiàn)狀

引言

通常，在裝備全壽命周期研制需求中，會明確系統(tǒng)中的電子產(chǎn)品在長期貯存之后可靠性仍可滿足要求。很多裝備具有“長期貯存，一次使用”的特點，但要保證“召之即來，來之能戰(zhàn)，戰(zhàn)之能勝”，就必須具有很高的貯存可靠性水平[9]。而在目前的裝備研制條件下，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增大，其組成的各個構(gòu)件也表現(xiàn)出多種類、大數(shù)量的趨勢，從而在貯存的階段出現(xiàn)了多種失效模式和失效機理。從上個世紀(jì)開始，有關(guān)裝備的貯存可靠性和貯存失效機理的研究就從未中斷過，而這個領(lǐng)域的發(fā)展也使裝備充分發(fā)揮了其作戰(zhàn)效能。

1 貯存可靠性研究現(xiàn)狀

早在1970年左右，美國和俄羅斯等國家就對產(chǎn)品的非工作可靠性（含貯存可靠性）進(jìn)行了廣泛和深入的研究，在自然貯存、加速貯存以及貯存可靠性試驗方法的研究等相關(guān)工作上具備了較高的水平[8]。

1976年，美國陸軍針對某型裝備開展了貯存性能的研究工作，在十年時間內(nèi)，對裝備貯存期間的性能進(jìn)行持續(xù)測試，并對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了深入地分析。到上世紀(jì)80年代中期，由美國伊利諾斯理工學(xué)院所提出的技術(shù)報告（AD-A158843）中，給出了利用元器件貯存失效率預(yù)計模型及歷史數(shù)據(jù)確定產(chǎn)品可靠性隨貯存周期變化影響的方法。目前該方法被認(rèn)為是不工作可靠性預(yù)計方面的權(quán)威而得到廣泛應(yīng)用[8]。1984年，美國出版了MILSTD-85555C標(biāo)準(zhǔn)，對導(dǎo)彈的貯存壽命和貯存條件提出了要求。1985年，美國的Romney航空發(fā)展中心發(fā)布了Affection on the Reliability of Device during Non-operation，首次提出了對電子產(chǎn)品的貯存可靠性的計算問題。提出的公式與MIL-HDBK-217, Reliability Prediction Hand of Electronic Device and Component during Non-operation的內(nèi)容基本一致。在1995年，美軍標(biāo)又對導(dǎo)彈的貯存可靠性的各項要求進(jìn)行了細(xì)化[1]。

裝備貯存可靠性評定方法可分為工程評定法和統(tǒng)計評定法。國外針對不同的試驗數(shù)據(jù)種類，通常利用以下方法評定貯存可靠性：

1）在如：MIL-HDBK-217E等標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，利用元件計數(shù)法或應(yīng)力分析法；

2）利用修正系數(shù)法等方法修正失效率變化系數(shù)；

3）利用實時測試和加速試驗結(jié)合的方式開展貯存研究，綜合評定。

國內(nèi)貯存可靠性相關(guān)工作開展的較晚，借鑒美軍標(biāo)制定了GJB/Z 108A-2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計手冊》，可以指導(dǎo)電子產(chǎn)品、光學(xué)儀器等的貯存可靠性研究。對電子、光電類產(chǎn)品及其封裝工藝也進(jìn)行了相應(yīng)的研究[2]。但是，在裝備交付使用后發(fā)現(xiàn)了大量貯存相關(guān)的問題，所采取的大多數(shù)工作均屬于事后補做，對設(shè)計缺乏指導(dǎo)作用，且研究還未形成完整有效的技術(shù)體系，尚有很大的提升空間。

2 貯存剖面

貯存剖面的制定對貯存相關(guān)研究具有基礎(chǔ)性指導(dǎo)作用，文獻(xiàn)[3]指出貯存剖面制定必須要滿足的要素包括：溫度、濕度、檢測方式、檢測周期、電磁參數(shù)等。

文獻(xiàn)[11]對于艦載導(dǎo)彈給出了貯存的定義：除“使用”之外的全部事件，即從裝備交裝后，到裝備使用（在此即是指導(dǎo)彈發(fā)射飛行）或裝備報廢之間的整個過程，其中主要包括了庫房儲存、運輸/裝卸和戰(zhàn)備值班共3個階段。其貯存期壽命剖面如圖1所示。

針對貯存環(huán)境因素，文獻(xiàn)[11]根據(jù)某型艦載導(dǎo)彈實際監(jiān)測記錄以及參考英軍標(biāo)Def Stan 00-35、北約組織標(biāo)準(zhǔn)STANAG 4370 以及美軍標(biāo)MIL-STD-810G，給出典型的環(huán)境描述方式，如表1所示。

圖1 導(dǎo)彈貯存期壽命剖面[12]

3 貯存失效機理

文獻(xiàn)[10]指出電子元器件的貯存失效機理大多屬于密封失效、腐蝕失效、鍵合/貼裝失效、工藝缺陷等。

針對電子產(chǎn)品的故障，文獻(xiàn)[5]指出濕度引起的電子產(chǎn)品故障占各環(huán)境因素引起故障的19 %，文獻(xiàn)[4]通過濕熱實驗考察了濕熱環(huán)境中的濕度因素對某型塑封器件貯存過程中的吸濕行為、封裝表面狀態(tài)以及電性能的影響。文獻(xiàn)[13]指出裝備電子產(chǎn)品貯存失效主要包括金屬件銹蝕、阻尼器軟化變形和電性能故障三類。電子產(chǎn)品電性能故障危害最大，主要由于電子元器件失效。阻尼器軟化變形，主要由于阻尼器所用的橡膠材料老化。金屬件銹蝕，則與產(chǎn)品所處的濕度環(huán)境有關(guān)。

文獻(xiàn)[6]對國產(chǎn)半導(dǎo)體器件進(jìn)行了長期貯存失效模式，失效機理分析。提出了在北方實驗室環(huán)境條件下存在直流放大倍數(shù)(HFE)退化、內(nèi)引線開路、外引線可焊性失效三種失效模式。

文獻(xiàn)[7]指出機電氣動二通電磁閥，存在外部和內(nèi)部泄露兩種故障模式。外部泄漏的失效機理為：橡膠材料老化蠕變，密封不良導(dǎo)致泄漏。內(nèi)部泄漏的失效機理為：彈簧長期處于壓縮狀態(tài)后蠕變，使得張力下降；同時橡膠密封墊老化變硬，造成密封端面之間的不密和而引起密封性能變差，是主要失效機理。

文獻(xiàn)[10]給出了元器件常見貯存失效模式及原因，如表2、表3所示。

經(jīng)分析可得，電子元器件貯存失效均包括與溫度和其它環(huán)境應(yīng)力、芯片缺陷、工藝缺陷、芯片復(fù)雜度等有關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效，以及與封裝、鍵合有關(guān)的外部結(jié)構(gòu)失效。外部結(jié)構(gòu)失效居多，包括封裝漏氣、引線焊接、外引線腐蝕斷裂等，是由于元器件外殼、封裝工藝存在缺陷，在溫度、濕度等的作用下出現(xiàn)的失效。

表1 貯存環(huán)境因素及其成因

4 貯存可靠性的評估模型和方法

貯存可靠性在文獻(xiàn)[1]中被定義為產(chǎn)品在經(jīng)過某一規(guī)定的貯存期后，能成功完成其規(guī)定功能的能力，此處規(guī)定的功能還需明確單元的工作時間。

文獻(xiàn)[8]給出的貯存可靠性的定義為：在規(guī)定的貯存條件下，在規(guī)定的時期內(nèi)，經(jīng)過t時間貯存后，產(chǎn)品滿足規(guī)定功能的能力。

表2 國內(nèi)典型電子元器件的貯存失效模式及原因

從特征參數(shù)的角度出發(fā)，研究基于性能退化的貯存可靠性評估方法，是可靠性工程的一個特殊的領(lǐng)域，目前研究的主要方面包括：

1）時間序列分析和生存性分析方法

2）隨機過程和失效物理分析方法

3）參數(shù)漂移方法

4）二項式數(shù)據(jù)分析方法

5）周期檢測的貯存可靠性模型

6）分狀態(tài)的貯存失效率獲取模型

7）加速壽命試驗方法

8）極限應(yīng)力試驗

9）標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)評估預(yù)計法

10）自然貯存試驗法

11）故障內(nèi)插法

表3 國外典型電子元器件的貯存失效模式及原因

5 結(jié)束語

通過對目前電子裝備貯存失效研究現(xiàn)狀的分析，可得到如下的結(jié)論：

1）貯存可靠性的理論和方法研究方面取得了一定的進(jìn)展，尤其在貯存失效數(shù)據(jù)處理方面。但在實際應(yīng)用上并未有很多的創(chuàng)新；

2）對貯存失效率數(shù)據(jù)的收集很少。關(guān)于貯存壽命的失效數(shù)據(jù)和預(yù)測模型還不是很成熟；

3）由于電子產(chǎn)品與機械等產(chǎn)品的顯著區(qū)別，對其失效分布，貯存的失效機理還未建立貯存可靠性的完整理論。

4）器件在實際的貯存環(huán)境里，存在多種失效機理，對多失效機理的競爭理論研究相對較少。

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Research Status Analysis on Storage Failure of Electronic Equipment

ZOU Feng
(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061)

In this paper, the research history of storage reliability of electronic equipment is expounded. The storage failure-related storage profile, storage failure mechanism, storage reliability evaluation model and method are summarized. And finally this paper draws several conclusions about the study of electronic product storage failure.

electronic equipment; storage failure; research status

TN701

A

1004-7204（2017）01-0027-05

鄒峰(1975-)，男，江蘇省自動化研究所工程師，主要從事電子裝備設(shè)計研究。