加速寿命试验是指增加应力使样品在短时间内失效，以预测正常工作条件或储存条件下的可靠性，但不改变被测样品的失效分布的方法。 如果加速寿命和实际寿命的失效模式相同，则可以采用加速寿命试验。 高加速寿命测试不用于确定产品的寿命。 与高加速寿命测试相比，加速寿命测试的优点之一是我们不需要任何环境设备。

1 简介

加速寿命测试的统一定义由Merom航展中心于1967年首次提出。加速寿命测试是基于合理的工程和统计假设，利用与物理失效规律相关的统计模型来测试超出正常应力水平的加速度。 一种测试方法，可将环境下获得的信息进行转换，以获得产品在额定应力水平下的可再现特性的数值估计。 简而言之，加速寿命试验是在保持失效机理不变的情况下，通过增加试验应力来缩短试验周期的寿命试验方法。 加速寿命测试采用加速应力水平进行产品寿命测试，从而缩短测试时间，提高测试效率，降低测试成本。

进行加速寿命测试必须确定一系列参数，包括（但不限于）：

测试持续时间、样本数量、测试目的、所需置信度、所需精度、成本、加速因子、现场环境、测试环境、加速因子计算、威布尔分布斜率或β参数（β<1表示早期失效，β>1表示磨损-输出失败）。 使用加速寿命测试方法确定产品寿命的关键是确定加速因子，有时这是最困难的。

一般采用以下两种方法。

2种方法

(1)现有模型。 现有模型包括：模型、模型、模型等。使用现有模型比用实验方法确定加速因子节省时间，需要的样本较少，但不太准确，模型变量的赋值也比较复杂。

（2）通过实验确定模型（需要大量的测试样本和时间）。 如果没有合适的加速模型，则需要通过实验推导加速因子。 首先，将样品分为3个应力等级：高应力、中应力、低应力。 制定测试计划以确保在每个应力水平下发生相同的故障机制。 这是一种更准确的确定加速因子的方法，但需要更长的时间和更多的样本。

3种

根据试验应力的加载方式，加速寿命试验通常分为恒定应力试验、阶跃应力试验和顺序应力试验三种基本类型，如图1所示。它们分别代表三种基本加速寿命的应力加载历史测试。

图1

(1) 恒定应力测试（-：CST）

其特点是施加在产品上的“负载”水平保持恒定，并且高于产品在正常条件下承受的“负载”水平。 测试是将产品分成几组同时进行。 每个组可以相应地具有不同的“负载”级别，直到每个组中一定数量的产品出现故障。 恒应力试验的应力加载时间历程如图2(a)所示。

(2) 升级-: SUST

本次测试中对产品施加的“负载”是在不同时间段施加不同级别的“负载”，级别呈阶梯式上升。 每个时间段的“负荷”水平均高于正常情况下的“负荷”水平。 因此，每个时间段都会有一些产品失效，而没有失效的产品会在下一个时间段继续承受更高级别的测试，以此类推，直到在最高应力级别也检测到足够的应力。 直到失败次数（或一定的测试时间）。 阶跃应力测试的应力加载时间历程如图2(b)所示。

(3) 渐进应力加速寿命试验（：PST）

顺序压力测试方法与步进压力测试基本类似。 不同之处在于，顺序压力测试中加载的压力水平随时间不断增加。 图2(c)显示了最简单的顺序应力加载情况，即试验应力随时间线性上升的加载过程。

图2

4个条件

如果加速寿命和实际寿命的失效模式相同，则可以采用加速寿命试验。 但实际上，有时故障模式相同但故障机理（）不同，或者即使故障机理相同，如果故障判定条件或使用条件发生变化，加速度也会发生变化。 在长期的研发和改进过程中，产品设计或制造方法可能会发生变化，客户的使用条件可能会发生变化； 或者采用规定的技术方法生产的产品也可能会受到不可控因素的影响，导致失效机理的改变，从而可能导致无法利用加速寿命试验。

例如，电子管的寿命满足该关系，因此可以提高阴极温度并进行加速寿命测试。 假设电视机用布朗管的阴极温度达到额定值的100%，可以进行加速倍数为2.2～3倍的加速寿命试验。 但无论是阴极温度低于额定温度，还是在不从阴极引出电流的情况下使用电子管，其寿命都会显着缩短。 两者的失效模式都是电子发射失效，但不同之处在于失效机理。 电子管的电子发射特性经常由于阴极活性材料的减少而劣化。 但如果阴极温度降低，管内不纯气体的作用也会使电子发射特性恶化； 如果在不通电的情况下工作，阴极内部生成的中间层化合物会增加电阻，也会使电子发射特性恶化，因此即使用于确定寿命的失效模式相同，失效机制也不同。 因此，电子管在决定实施加速寿命试验的方法之前，必须检查实际使用过程中阴极温度的偏差、间歇工作等情况。

5个范围

除上述问题外，在规划加速寿命试验时还必须综合考虑以下问题，以选择加速寿命试验的条件并确定其适用范围：

(1) 不同大小的施加应力可能会导致不同的失效模式。 在这种情况下，应力加速法的使用受到限制。

(2)由于应力大小不同或机械工作条件不同，失效发生时间与施加应力强度之间的关系可能不同。 在加速寿命试验计划开始时，应注意该应力加速的适用范围。 问题。

(3)在几种不同的试验方法和不同的失效分析基准中，可以选择加速因子较大的方法，以较短的试验时间来评价寿命的有效性。

(4)产品在现场使用时，应力变化较大，失效情况可能因用户不同而不同； 或即使同一反应机理发生故障，其分布也很不均匀，因此用实验数据来推断实际使用寿命时，应尽可能指定累计故障率进行估算，以免出现错误。由于数据不足进行分析。

6 高加速寿命试验与加速寿命试验的比较

正如前面关于加速寿命测试的特征所描述的，高加速寿命测试不用于确定产品的寿命。 由于我们关心的是使产品尽可能可靠，因此可靠性大小的测量并不重要。 然而，对于有磨损时间的机械产品来说，尽可能准确地了解其使用寿命非常重要。

一个重要的优势是能够快速发现影响外场使用的缺陷。 典型的高加速寿命测试只需 2-4 天即可完成，我们发现最终会成为现场问题的缺陷的成功率非常高。

如上所述，关于加速寿命测试的特点，加速寿命测试相对于高加速寿命测试的优点之一是我们不需要任何环境设备。 通常，台架测试就足够了。 在许多情况下，测试可以在用户的​​设施中进行。 另一个好处是测试可以同时确定产品的寿命，这是高加速寿命测试无法实现的。

以上我们对加速寿命测试的概念有了一定的了解。 我们来比较三种加速寿命测试方法：

加速寿命试验分为恒定应力加速寿命试验、阶跃应力加速寿命试验和顺序应力加速寿命试验。 将一定数量的样品分成若干组，对每组施加高于额定值的固定应力，达到规定的失效次数或规定的失效时间后停止，称为恒应力加速寿命试验（以下简称恒应力加速寿命试验）。作为恒定压力测试））； 应力随时间逐步增加的试验称为阶跃应力加速寿命试验（以下简称阶跃试验）； 应力随时间连续增加的试验称为顺序应力加速寿命试验（以下简称顺序试验）。

顺序添加试验可以看作是极限很小的阶梯应力步骤。

加速寿命试验常用的模型有()模型、Allan()模型以及以电应力为加速变量的加速模型。 实际中该模型应用最为广泛，本文主要介绍基于该模型的实验。

该模型反映了电子元件的寿命与温度的关系，本质上是一个化学变化的过程。方程表达式为

式中：dM/dt为化学反应速率； E为活化能（eV）； k为玻尔兹曼常数0.8617×10-4 eV/K； A是常数； T 是绝对温度 (K)。 式⑴可改写为：

在公式：

式中：F0为累积失效概率； t(F0)是产品达到某一累积失效概率F(t)所需的时间。计算b后，则

式（2）是一个基于方程的方程，反映了器件寿命与绝对温度T之间的关系。它是一个以温度T为加速度变量的加速度方程。 它是元件可靠性预测的基础。

实验方法

1.恒应力加速寿命试验

目前应用最广泛的加速寿命试验是恒定添加试验。 恒应力加速寿命试验方法已被IEC标准采用[1]。 其中3.10加速试验程序包括样品循环试验的要求、热加速电气耐久性试验的试验程序等，可操作性很强。 常量添加法引起的失效因素比较单一，准确度较高。 国外在异质结双极晶体管（HBT）、CRT阴极射线管、伪高电子迁移率晶体管开关（PHEMT）、多层陶瓷片式电容器等不同材质的电子元件方面已做了相关研究。

等人。 对 GaAs 和 InP PHEMT 单片微波集成电路 (MMIC) 放大器进行恒定添加测试 [2]。 下面仅介绍GaAs PHEMT，InP PHEMT同上。 对于GaAs PHEMT MMIC，共提取84个测试样品，分为三组，每组28个。 环境温度为T1=255℃、T2=270℃、T3=285℃。 所有参数均在室温下测量。 当失效准则为44GHz时，|Δ S21|>1.0 dB。 三组测试结果如表1所示。测试数据服从对数正态分布。 表中的累积失效百分比、中位寿命和对数标准差（σ）均由测试数据获得。 其中，累计失败百分比=每组失败次数/（每组样本总数+1）； 中位寿命是故障率为50%时的寿命，可以通过在对数正态概率纸上绘制寿命-累积故障百分比图得到：σ≈lgt(0.84)-lgt(0.5)。

由表1、图1可以利用软件得出基于恒应力加速寿命试验的结果。 图中的直线是根据三个已知数据点通过最小二乘乘法拟合的，表示为y=a+bx。计算得到

y=-12.414+8.8355x，

代入通道温度T0=125℃，求其对应的x0，

x0=1000/（273+125）=2。

平均无故障时间=lg-1y(x 0)=6.1×109h

拟合后直线的斜率b为8.8355×10 3 ，则活化能

Ea=2.303bk≈1.7 eV

因此，当沟道温度为125℃时，GaAs的MTT估计大于1×108h，激活能为1.7eV。

2. 阶跃应力加速寿命试验

在升压测试过程中，首先对样品施加接近正常值的应力。 达到规定的时间或失效次数后，将应力增加一级并重复测试。 通常，至少执行三个压力级别。 阶跃应力测试条件如表2所示。

Frank Gau 和 Peter 进行了分步实验 [3]。 气温从150℃到270℃分六级电子技术基础实验，每70小时升高25℃； 通道温度比环境温度高约30℃。 总测试时间约为400小时。 根据模型[4]

式(3)可变形为

将方程（4）视为

y=a+bx，

在公式：

然后根据测试数据——某个参数的变化量（本次测试选择了Idss、Ron等）做温度的倒数，

现在：

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

测试得到器件在一定高温下的MTTF（T1），样品在125℃下的寿命大于107 h。 该结果与恒压测试结果一致。

3. 顺序应力加速寿命试验

顺序相加测试的加速效率最高，但由于其统计分析非常复杂且测试设备昂贵，其应用受到限制。 这方面的报道也较少。

北京工业大学李志国教授报道了微电子器件的多失效机制可靠性和寿命外推模型[5]。 他的学生李杰等人报道了一种快速确定微电子器件失效激活能和寿命测试的新方法[6]。

测试期间，对器件施加以一定速率β升高的斜坡温度，保持电流密度j和电压V不变。 制作ln(T-2ΔP/P0)和1/T曲线，找到曲线的线性段，通过线性拟合得到直线。 假设直线的斜率为S，则器件的失效激活能E=-kS。得到激活能E后，可以推断出一定使用条件下的元件寿命。

李志国老师和他的学生利用上述方法对pnp双极型晶体管进行了顺序加法实验。 初始温度T为443K，升温速率β=1K/8h，t时刻的结温为T=T0+βt+ΔT。 电应力：VCE=-27V，IC=18.5mA； 测试条件：VCE=-10V，IC=30mA，室温下测量； 失效判据：hFE漂移ΔhFE/hFE≥±20%。 样品#372的测试数据如图2所示。

鉴于图2中曲线a段最接近使用温度，最能反映正常工况下的失效机理，我们选取​​a段数据，利用Excel软件制作ln(T -2ΔhFE/hFE )和1/T曲线，并进行线性拟合得到斜率为S的直线，则器件的失效激活能为E=-kS=0.7 eV。 由图2的a段推算，样品的hFE降解20%所需的测试时间如图3所示。根据GJB/Z299C-200x表5.1.1-5c，可以计算出结正常使用时样品温度约为60°C。

式⑸可改写为

代入T=585 K，得到τ372#=1.2×10 7 h。 该结果与1.92×107 h的经验数据相当。

测试方法比较

1.加速寿命试验的实施

恒定添加试验一般需要1000h左右，总共需要数百个样品，并且要求不少于3个应力水平。 每个应力下的样品数量不少于10个留学之路，特殊产品数量不少于5个。每个应力下的样品数量可以相等，也可以不相等。 对于高应力，可以安排更多的样品。

逐步测试只需要一组样品。 最好至少安排4级应力，且每级应力的失效次数不少于3次电子技术基础实验，这样才能保证数据分析的合理性。 此外，James A.在步骤加法实验中对具体操作提出了一些有价值的建议[7]。 例如，测试应力的起始点选择在元件正常工作上限附近。 最高应力点的选择应参考以往的试验经验或已知的部件失效模式来设定。 应力起点至最高点分为3~6段； 测试前需要确定应力步长的最小值和最大值。

对于顺序添加试验的样品数量没有明确的规定。 分步添加和顺序添加测试只需几百小时，取几十个样品甚至更少、只需一组样品即可完成测试。

目前应用最广泛的方法是恒定添加试验，但其试验时间较长，样品数量较多。 相比之下，逐步添加和顺序添加测试在这方面具有优势。 当样品价格昂贵、数量有限或只有一台加热装置时，分步添加和顺序添加测试无疑是最佳选择。

2.加速寿命试验的应用

恒加测试已在航空、机械、电子等多个领域得到成熟应用。

阶跃试验常作为恒应力加速寿命试验的初步试验，以确定器件所能承受的应力最大值。 例如，金凌[8]在GaAs红外发光二极管的加速寿命试验中，采用升压试验来确定器件所能承受的最高温度，然后进行恒升试验，以避免出现问题。在常量添加测试中正常使用期间不会发生。 失效机制。 步进测试也可用于缩短测试时间。 已有将恒定添加试验与分步添加试验相结合的做法，以缩短试验时间[9]。

序贯添加试验的优点是时间短，但准确性不高，且序贯添加试验的实施需要设备能够提供满足要求的应力并实时记录样品失效情况。 例如，冷世明等人在固体钽电容器加速寿命试验中，采用自主研发的JJ-1渐近电压发生器控制直流稳压电源提供时序电压。 电容测量和漏电流测量分别使用HP的4274A和414。 型漏电流测量仪，并用可靠性数据采集系统记录故障时间。

再比如，北京工业大学李志国教授等人在高频小功率晶体管的顺序相加测试中也搭建了一套完整的测试系统。 系统由温度控制器、热电偶、样品加热平台组成温度应力控制系统； 偏置电源、万用表、负载电路板组成电应力偏置系统； 使用4155C半导体参数测试仪和QT16晶体管特性绘图仪完成测试。

结论

如今，电子产品更新换代的速度越来越快，既快速又准确的加速寿命测试方法受到研究人员的热切期待。 我相信这个愿望很快就会实现。