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详尽的电源可靠性和性能测试——大电流测试模组与电源模块测试

发表时间:2021-07-12 17:16:35浏览量:130

电源产品的用户对可靠性和性能的要求越来越高。尽管单个组件的供应商可以放心地提供令人印象深刻的使用寿命和可靠性数据,但是当将大量单个组件组合到一个模块(例如电源)中时,对整体可靠性的复合影响可能会很大。...

电源产品的用户对可靠性和性能的要求越来越高。尽管单个组件的供应商可以放心地提供令人印象深刻的使用寿命和可靠性数据,但是当将大量单个组件组合到一个模块(例如电源)中时,对整体可靠性的复合影响可能会很大。对于产品可靠性而言,更重要的也许是组装过程的质量和可重复性。焊点,连接器和机械固定装置都是导致产品故障的潜在原因。在使用中,工作温度和其他环境因素也会影响电源的寿命和可靠性。 老化和各种其他形式的寿命和压力测试有助于提供数据,使电源制造商能够不断提高其产品的可靠性。经过正确分析并反馈到设计和组装过程中,累积的数据可用于优化测试和老化过程。

老化过程
已通过初始制造测试的电源老化过程的目的是清除“早夭率”,如众所周知的故障率与工作时间的“浴盆曲线”的第一部分所示(图1) 。这些早期的寿命故障可能是由于购买的组件内部潜在的固有故障,边际工艺错误或由于不适当的处理(例如ESD损坏)而在组件中引起的潜在故障。请注意,在可靠性测试领域没有绝对的标准。仅适用于大量人群的概率和置信度,因此无法保证所有婴儿死亡率都会被老化过程所捕获。

多年来,传统的电源老化方法涉及在较高的温度(通常是最高额定工作温度)下运行产品,其中潜在缺陷的出现速度被认为会加快。电源在满载条件下进行电源循环,输入电压以最大或最小电压运行,以提供最大电压应力或最大电流应力,具体取决于设计拓扑。
必须谨慎选择条件,因为某些拓扑中的某些组件在轻负载下会承受更大的压力,例如变频转换器中的缓冲网络。也可以应用一些技巧。例如,如果要使产品在强制通风下正常运行,则可以在静止空气中以轻载运行,并且仍可以达到最热组件的可比较温度应力水平。但是,如果没有强制空气的“散热”效应,则在这些条件下,其他组件的应力老化测试好的可能很小。
村田有时会根据产品拓扑使用一种技术,将产品老化到短路和开路之间循环的输出中。这可以施加适当的电流应力水平,同时在短路时使用内置的保护电路,并在断路时对许多组件施加高压应力水平。尽管短路或开路负载中的功率理论上为零,但实际上可以通过耗散几瓦的MOSFET来施加短路,这是一个很大的好处。 这种方法减轻了老化负载中浪费能源的实际问题。但是,由于该设备提供的总功率可能很低,因此自发热可能很低,因此某些类型的组件应力未应用此方法。升高的环境温度将部分补偿此问题,也许是利用老化负载产生的废热。
某些产品拓扑不适用于这种老化方法,例如那些定义不明确或严重折返的短路电流特性的拓扑。例如,如果在“硬”短路下输出电流减小到远小于额定最大输出电流,或者如果电源进入“HICCUP”模式,则老化应力水平可能太低而无法起作用。 设计和可靠性/质量工程师共同决定老化配置,以确保优化的筛选。被测单元的数据记录和分析对于确定是否以及何时发生故障很重要。如果所有故障都在48小时的预烧序列的前几分钟内发生,则有充分的理由缩短时间并增加吞吐量,同时节省能源。 老化后必须进行全面测试,以确保产品正常运行。这也可以显示是否存在间歇性问题。了解和使用老化数据来修改产品设计和制造过程可以提高可靠性和良率,因此Murata Power Solutions等公司使用老化数据来推动持续改进质量的过程。
老化测试的经验表明,尽管失败的原因并没有完全重叠,但热循环比恒定的环境升高导致更多的早夭率。因此,在每个极端温度下都需要有停留时间的热循环是首选方法。如图2所示,增加老化温度的变化率会在更少的周期内导致更多的故障。 请注意,随着热变化率的提高,可能会出现不同类型的故障,或多或少受此类型的应力影响,并且某些残余故障类型的发生不受影响。即使有可用的设备实现每分钟60°C或更高的热变化率,一些制造商也不会超过每分钟45°C的温度,以防止产生过多的热应力,例如,可能导致多层陶瓷电容器破裂( MLCC)。 在没有热循环室的情况下,以明智的选择循环时间在升高的环境下进行动力循环可达到热循环/停留过程的有效性。必须注意确保产品在通常的非典型老化环境中不会承受超出其额定值的压力。如果承受过大的压力,则可能会耗尽优质产品的显着使用寿命,而在最坏的情况下,否则可能会在优质产品中引发硬性或潜在性故障。
如果产品包含具有固有磨损机制的组件,例如电解电容器或光耦合器,则应评估其在老化后的剩余寿命是否足够。 在村田电源解决方案公司,预烧过程通常从24小时开始,并且在经过一定小时后没有发生故障的情况下,通过决策流程来缩短预烧时间。在给定的单位小时数内观察到的故障率,标准IPC-9592给出了减少老化时间的计划。 如果在多个生产版本中均未发生故障,则可以消除老化现象。但是,可能会争辩说,这消除了针对使用一组缺陷组件或发生过程异常的保证。
在批量生产已知早夭率较高的零件时,可能由于手动组装的程度,可以实施可变老化的方案,从而在预先计算的失效时间终止老化。批处理的自由操作已通过。 在给定早夭率的预期百分比,已知的失效率和分布类型,批次大小和百分比置信度的前提下,可以从统计表中找到该时间段,只需要保留一定数量的潜在故障即可。例如,考虑一批次的10,000个单位,过去每批次在老化温度下发现的平均失效时间(MTTF)为10小时,每批次有10个早夭的。在这种情况下,统计表显示必须经过13个小时的无故障时间才能达到90%的置信度,即仅保留一个潜在产品故障。这段时间延长到24小时,以达到90%的置信度,不会出现潜在的早夭型故障。
一些制造商在发现上述老化类型无法在合理的时间内消除电源早期使用中出现的所有故障之后,进一步进行了老化过程。而且,传统的老化测试不会引起运输和搬运过程中的震动和冲击而导致的早期故障。 为了解决这个问题,可以使用更具侵略性的高度加速应力筛(HASS),该应力筛通常施加超出产品额定值但在设计余量内的机械,热和电应力。该方法声称其加速系数比传统的老化试验高40倍,从而缩短了测试时间。
然而,问题在于应力水平如此之高,存在损坏具有硬故障或潜在故障的良好产品的风险。为了解决这个问题,设计了高度加速寿命测试(HALT)工艺,通过在极端温度,热循环,逐渐更高的振动水平以及随后的热力组合作用下使产品失效,从而确定产品的实际损坏极限。循环和振动。 在此测试期间,将确定电源的破坏极限。然后,将这些操作限制用于设置不太严重的HASS测试级别。 HALT在产品开发过程中也被广泛使用,以识别设计中的潜在弱点。进行HALT所需的测试设备通常必须在施加六轴线性和旋转随机振动的同时使温度在-55°C至125°C之间升高。这需要大量的资本投资,并且通常分包给专业的测试机构。某些厂商,例如村田,已经具有内部HALT设施。
如前所述,一旦通过逐步改进制造工艺将老化故障减少到一定水平,就可以完全放弃该过程。例如,如果最大故障范围从零到400ppm(取决于产品类型),则标准IPC-9592允许在一年或30,000单位小时后执行此操作。仅当制造过程完全可预测并且所购入材料的质量具有极低的潜在固有缺陷率时,才可以考虑这一点。换句话说,所购买的组件本身并没有表现出很高的早夭率,只有其固有的低水平潜在缺陷率。
尽管商品组件接近此质量水平,并且现代制造质量控制可以最大程度地减少过程变化,但仍然存在客户可能会看到一些早期寿命故障的真正风险。就损失商誉而言,其成本必须与老化成本进行权衡。请记住,客户仍然会在产品使用寿命中看到产品的固有故障率。 早夭造成的少量额外失败可能并不重要。例如,Murata Power Solutions的一种使用优质组件的产品是通过稳定,成熟的过程制造而成的,没有老化现象,并且现场平均故障时间(MTTF)超过2500万小时。这个数字来自六年内定期发货的437万个零件的总销售中的130个故障。在这种情况下,假定在任何给定时间段内为部件供电25%,实际上仅报告了10%的故障,并且所有装运的部件仍在现场。这表示迄今为止所有发货的产品的合格缺陷率为百万分之30,这是“无老化”模型的合理依据。请注意,一些制造商将缺陷率(dppm)视为交货时或交货短时间内的故障。
当然,定义一个时间很有意义,因为经过足够长的时间,任何电子产品的累积缺陷率都将接近百万分之一。 持续的可靠性测试通常仅在连续安装大量单元时才使用,并且可以估计产品在使用寿命内的固有可靠性,即MTBF。该数字的准确性取决于测试期间的故障率加速度,该加速度与实际故障率具有已知关系。 在婴儿死亡后,如果故障率保持不变,则“ Arrhenius”等式可以给出加速因子的值。该方程式起源于化学反应,因此从理论上讲,它需要了解所有失效模式的有效“活化能”。从历史上看,“经验法则”是每超过实际工作温度10°C,加速度系数就会增加一倍。例如,在70°C下运行50台六个月且无故障的设备可提供219,000个小时的运行时间。从统计表中,这表示在109个小时的运行中(4110 FIT)的4110个故障的故障率(λ)具有60%的置信度或10,502 FITs的90%的置信度。
在较低的温度(例如40°C)下,我们的经验法则是将加速因子提高到70°C为8,因此数字减少到514 FIT和1313 FIT。 FIT为λ#x 109,MTBF为1 /λ,因此这些数字分别表示置信水平为60%和90%时的预期MTBF为195万小时或760,000小时。没有失败的测试给出了有限的失败率,这似乎很奇怪。这是因为假定第一个故障即将发生。应该强调的是,实际故障率是衡量产品可靠性的最准确方法。
可以将计算出的MTBF与通过寿命测试获得的演示数据进行比较,以检查一致性。但是,根据用于组件的基本故障率和计算方法,计算可能会产生误导。 Murata Power Solutions的一项调查发现,由多个不同电源制造商计算出的同一电路的MTBF数字之间相差100倍以上。 MIL-HDBK-217F和Telcordia SR332等不同的标准也会给出不同的答案。此外,MIL标准还给出了两种不同的计算方法。一种方法是“零件数”,它提供了一种快速但保守的方法,另一种方法是“零件应力”法,它需要详细了解电气工作条件。后一种方法更现实。作为根据MIL-HDBK-217F进行“零件应力”计算的一个实例,通用二极管的每百万小时λP的故障率如下:
其中,λB是不同类型二极管的基本故障率,而?影响因素分别是温度,电应力,内部结构,制造质量和使用环境。对于在80°C的结温下工作,额定应力为其额定值的75%的肖特基功率二极管,冶金结合结构,塑料商业包装以及在“接地良好”的环境下工作,计算得出的零件失效率为: 需要注意的重要一点是,不能“测试”或“检查”质量和可靠性。老化测试最终是另一个检查过程,但充当过程控制和反馈的机制。老化中的故障以及现场故障会迅速进行故障分析和采取纠正措施,以确保对产品设计和过程进行集中和优化,以提供最佳的现场产品。研究表明,更高的工厂良率可提供更高的产品可靠性,更开心的客户以及更低的保修-退货成本。

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