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电子元器件湿热试验资料大全

作者: 范 陶朱公 编辑: 瑞凯仪器 来源: 可靠性杂坛 发布日期: 2019.12.07

    一、概述

     湿热试验包括稳态湿热试验和耐湿试验,对电子元器件可靠性考核一般进行耐湿试验。
    目前,与元器件相关的耐湿试验常用标准有以下几种:
    GJB 360B—2009《电子及电气元件试验方法》中涉及湿热试验的有“稳态湿热试验”和“耐湿试验”。
    GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》中涉及“耐湿试验”。
    在GJB 128A—1997《半导体分立器件试验方法》中涉及有“耐湿试验”。
    其试验目的是评定电子元器件材料的耐湿性能。
    耐湿试验的目的是用加速方式评估元器件及其所用材料在炎热和高湿条件(典型的热带环境)下抗退化效应的能力。
    大多数炎热条件下退化现象是直接或间接地由于有缺陷的绝缘材料吸附水蒸汽,或由于金属和绝缘材料表面变湿而引起的。这种现象会产生多种类型的退化,其中包括金属的腐蚀、材料成分的变化及电特性变坏。
    耐湿试验与稳态湿热试验不同,它采用温度循环来提高试验效果,其目的在于提供一个凝露和干燥的交替过程,使进入密封外壳内的水汽产生“呼吸”作用,从而使腐蚀过程加速。在高温下,潮气的影响将更加明显,增强试验效果。
    试验包括一个低温子循环,凝结水汽引起的应力会使裂缝加宽,它能使在其他情况下不宜发现的退化作用加速显现。这样,通过测量电特性(包括击穿电压和绝缘电阻)或进行密封试验就可以揭示该退化现象。

网盟彩票 表1说明了温湿度引起的常见物理现象。

温湿度引起的常见物理现象1

温湿度引起的常见物理现象2

    二、湿热试验方法与技术

    1.试验条件

网盟彩票     就 GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》中涉及“耐湿试验”,进行如下探讨。样品应进行10次连续循环,每次循环按照图1进行。

每次循环按照图

图1 湿热循环图
    2.试验设备
    耐湿试验的设备包括能满足图 1所示的循环和公差要求的温-湿箱,试验设备主要有湿热试验箱。高低温湿热试验箱步入式高低温湿热试验提供一定的高温高湿环境以及有测量电性能参数的电测量系统。
    3.试验程序
    按图1的要求对样品进行试验。样品的安装方式应使它们能暴露在试验环境中。
    (1)预处理。在安置样品进行耐湿试验之前,器件引线应承受弯曲应力,其条件应符合方法GJB 548B—2005的试验条件B1的规定。如果在另一试验中样品已进行了所要求的预处理,则不必重复引线弯曲。
    (2)初始检测。在第一次循环的第一步之前,应在室温环境条件下或按照规定进行初始测量。当有规定时,初始测量前器件应在干燥箱内进行预处理,从干燥箱取出后的 8h 内完成初始测量。初始检测是预处理后,试验样品应在试验的标准大气条件或有关标准规定的条件下达到温度稳定之后,进行外观检查、电性能及机械性能检测。
    (3)循环次数。样品应进行10次连续循环,每次都按图1进行。在完成规定的循环次数之前(不包括最后一次循环),如发生了不多于一次的意外试验中断(如电源中断或设备故障),可重做该循环,试验可以继续进行。若在最后一次循环期间出现意外的试验中断,除要求重做该循环外,还要求再进行一次无中断的循环。任何中断超过 24h,都要求从头至尾重做试验。
    (4)第 7 步子循环

网盟彩票     在 10 次循环中,至少有 5 次循环期间内要进行低温子循环。在开始第 7 步后,至少 1h 但不超过 4h,将样品移出潮湿箱,或降低箱内温度,以便进行低温子循环。在低温子循环期间,样品应在

低温子循环

    ℃和不控制湿度的条件下,图 1所示至少保持3h。若不使用另一个低温箱,应注意保证样品在整个周期内保持在上述温度在低温子循环后,样品恢复为25℃,相对湿度(RH)至少为80%,并一直保持到下一个循环的开始。
    (5)试验样品的安装。试验样品在不包装,不通电,“准备使用”状态或按有关标准规定的状态置于高低温湿热试验箱(步入式高低温湿热试验室)中。试验样品之间应有一定距离,不能相互接触。
    (6)极化电压和电负载。若适用,极化电压为直流 100V 或按有关标准的规定,负载电压由有关标准规定。
    (7)试验
    ① 24h循环。
    步骤一 试验箱(室)内的温度应在 2.5h 内从 25℃±2℃升至 65℃±2℃。在此期间,相对湿度为90%~100%。
    步骤二 在温度为65℃±2℃及相对湿度为90%~100%条件下保持3h。
    步骤三 试验箱(室)温度应在2.5h内降至25℃,相对湿度为80%~100%。
    步骤四 从第 8h 开始,试验箱(室)温度应在 2.5h 内从 25℃升至 65℃±2℃。在此期间,相对湿度为90%~100%。
    步骤五 在温度为65℃±2℃及相对湿度为90%~100%条件下保持3h。
    步骤六 试验箱(室)温度应在2.5h内降至25℃±2℃,相对湿度为80%~100%。
    步骤七 在温度为25℃±2℃,相对湿度为90%~100%条件下持续至第24h循环结束。
    ② 低温及振动辅助循环。本辅助循环试验,适用于前9个循环中的任意5个循环。
    在 24h 循环进行到第 16h(步骤七结束)时,试验箱温度应在 25℃±2℃、相对湿度为90%~100%条件下至少保持1h,但不超过4h。
    步骤八 低温 4h,将样品移出潮湿箱,或降低箱内温度,以便进行低温子循环。在低温子循环期间,样品应在-10℃±2℃和不控制湿度的条件下,如图 1所示至少保持 3h。若不使用另一个低温箱,应注意保证样品在整个周期内保持在低温-10℃±2℃子循环后,样品应恢复为25℃,相对湿度(RH)至少为80%,并一直保持到下一个循环的开始。
    虽然没有规定箱内的温度变化率,但是,在温度变化过程中,样品不应受到箱内加热体的直接热辐射。箱内的空气每分钟的换气量至少等于箱的容积的 5 倍。紧靠样品的各点和箱体内表面上的稳态温度容差为所规定温度的±2℃。对质量不大于 11.4kg 的样品,在试验箱间的转移时间应少于2min;若使用一箱法,则应在15min内达到-10℃。
    (8)最终测量。在最后一次循环的第 6 步之后(或在第 10 次循环期间完低温子循环,则在第7步之后),器件应在室温环境条件下放置24h,然后按GJB 548B—2005方法1003的试验条件 A 进行绝缘电阻测试,或在 25℃下进行规定的终点电测试。电测试可以在放置的24h 期间进行,但是,对于测量失效的样品,在 24h 放置期间不得进行其他试验(如密封试验)。绝缘电阻测试或在 25℃终点测量应在器件移出试验箱后的 48h 内完成。进行绝缘电阻测试时,测得的电阻值不得小于 10MΩ,并且应记录测试结果,其数据作为终点数据的一部分提交。如果把封装外壳设计成与芯片基板电连接,则不必进行绝缘电阻测试,而应在器件移出试验箱后的48h内完成规定的25℃终点电测试。还应进行目检和任何其他规定的终点电参数测量。
    (9)元器件出现下列情况应视为失效
    ① 规定的标志全部或部分脱落、褪色、弄脏、模糊或达到不可辨认的程度。该检查应在正常室内照明和放大1~3倍下进行。
    ② 当放大 10~20 倍观察时,任何封装零件(即封盖、引线或盖帽)的镀涂或底金属被腐蚀的面积超过5%,或封装零件被腐蚀透。
    ③ 引线脱落、折断或局部分离。
    ④ 因腐蚀而导致引线之间或引线与金属外壳之间搭接在一起。
    ⑤ 终点电测试或绝缘电阻测试不合格。
    4.湿热对电子产品产生的劣化效应
    湿热对电子设备影响的途径主要有两种:一种是表面受潮(吸附式),它通常是由凝露和表面吸附引起的;另一种是体积受潮(即吸入式),它是由水蒸气扩散和吸收现象所引起的。但有时吸附在设备表面的水分达到一定程度,也会促进体积受潮。由于方式的不同,引起的效应也不同,吸附式以引起设备的非机械特性变化为主。吸入式可使设备发生机械特性和非机械特性的变化。
    (1)腐蚀作用。腐蚀作用是湿热的主要效应,主要是加速电解和电化学反应,直接侵蚀设备的保护镀层,造成表面劣化。腐蚀后,结构强度减弱,机械性能也发生劣化,活动部分卡死,表面电阻增大,造成电接触不良。
    (2)物理性能的影响。对湿气敏感的吸湿材料,如某些塑料零件、纸、纸胶板等,在湿热的条件下发生膨胀和形变,导致尺寸的改变,功能的破坏,降低了物理强度。
    (3)电性能的改变。由于水分子的沉积,绝缘材料吸湿后电性能和热性能受到损坏,使电气材料及元器件电参数发生变化。如绝缘电阻下降,泄漏电流增大,介电常数增大,介质损耗角也增大。耐压强度下降,在高电压下易出现飞弧,绝缘体发生短路、漏电、击穿等现象,严重影响电性能,造成工作不稳定,直接缩短设备使用寿命。

    三、强加速稳态湿热试验概述

    强加速稳态湿热试验(HAST)是通过施加严酷的温度、湿度和偏置条件来加速潮气穿透外部保护材料(灌装或密封)或外部保护材料和金属导体的交接面。此试验应力产生的失效机理通常与“85℃/85%RH”稳态湿热偏置寿命试验相同。试验方法可以从“85℃/85%RH”稳态寿命试验或本试验方法中选择。在执行两种方法时,“85℃/85%RH”稳态寿命试验的结果优先于强加速稳态湿热试验。此试验方法应被视为破坏性试验。
    强加速稳态湿热试验常用的标准有 GB/T 4937.4—2012 半导体器件机械和气候试验方法第4部分:强加速稳态湿热试验(HAST)。
试验需要一台能连续保持规定的温度和相对湿度的压力容器,同时提供电连接,试验时给器件施加规定的偏置条件。
    在上升到规定的试验环境和从规定的试验环境下降过程中,压力容器应能够提供受控的压力、温度和相对湿度条件。推荐记录每一次试验循环的温度分布,以便验证应力的有效性。受试器件应以最小化温度梯度的方式安装。受试器件应放置在箱体内距箱体内表面至少3cm,且不应受到发热体的直接辐射,安装器件的安装板应对蒸汽循环的干扰最小。
    应认真选择安装板和插座的材料,将污染物的释放减到最少,将由于侵蚀和其他机理造成的退化减到最少。
    对试验设备(插线柜、试验板、插座、配线储存容器等)的离子污染进行控制,以避免试验样品受到污染。
    试验时应使用室温下电阻率最小为1×10-4Ω ·m的去离子水。

    四、强加速稳态湿热试验方法与技术

网盟彩票     试验条件由温度、相对湿度和器件上施加规定偏置的持续时间组成。典型的温度、相对湿度和持续时间如表2所示。

典型的温度、相对湿度和持续时间

    表2
    根据下列准则施加偏置:
    (1)最小功率耗散;
    (2)尽可能多地交替施加引出端偏置;
    (3)芯片上相邻的金属线之间的电压尽可能一样;
    (4)在工作范围内的最高电压;

    (5)可采用两种偏置中任意一种满足上述原则,并取严酷度较高的一种。选择持续偏置或循环偏置的标准和是否记录芯片温度超过试验箱环境温度的差值按表3中的规定。

差值按表3

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