CÁC Ý NIỆM VỀ PHÉP THỬ NGHIỆM GIA TỐC 1. Mở ñầu Thử nghiệm gia tốc là nén thời gian và tăng tốc cơ chế hỏng hóc trong một khoảng thời gian thử nghiệm hợp lý ñể ñánh giá cơ chế hỏng hóc của sản phẩm. Phương tiện duy nhất ñể có ñược gia tốc thời gian là tạo stress lên chế ñộ hỏng hóc tiềm tàng. ðây là hỏng hóc về ñiện và cơ học. Hình 1 minh họa ý niệm về thử nghiệm gia tốc. Hỏng hóc xuất hiện khi yếu tố stress vượt quá sức bền của sản phẩm. Sức bền trong sản phẩm thường phân bố và giảm cấp dần theo thời gian. Stress kích thích yếu tố lão hóa (trong hình 1 thì ñó chính là vùng giao nhau giữa phân bố ñộ bền và phân bố stress) và tạo khả năng xuất hiện hỏng hóc trong thời gian ngắn nhất. ðiều này cho phép dùng một số lượng mẫu thử ít hơn và gia tăng khả năng tìm ra hỏng hóc. Thử nghiệm stress làm gia tăng yếu tố không tin cậy và giúp phát hiện nhanh hỏng hóc. Các thử nghiệm gia tốc tuổi thọ thường giúp tạo dự báo. Dự báo thuờng bị giới hạn với số mẫu thử bé, nên là sai khi ứng dụng kết quả này vào thử nghiệm tuổi thọ cho toàn bộ khối lượng sản phẩm. Rất khó ñể thiết kế và thực nghiệm một cách hiệu quả khi chưa tìm ra ñủ số lượng hỏng hóc cần thiết, ño lường ñược tất cả các bất ñịnh trong dự báo. Yếu tố stress ñôi khi không hiện thực, ñiều may mắn là khi gia tăng mức stress thì thường tạo ra yếu tố bất thường trong hỏng hóc, nhất là khi tuân thủ các chỉ dẫn cần thiết. 2. Hướng dẫn chung nhất nhằm ngăn ngừa yếu tố bất thường trong hỏng hóc từ phép thử nghiệm gia tốc Yếu tố bất thường trong hỏng hóc có thể xuất hiện khi thử nghiệm vượt quá khả năng chịu ñựng của vật liệu dùng trong thiết kế. Câu hỏi ñuợc ñặt ra là: Hướng dẩn như thế nào ñể thiết kế ñược thử nghiệm gia tốc thích hợp và ước lượng ñược hỏng hóc? Câu trả lời là: Quyết ñịnh ñòi hỏi phải ñược cấp quản lý và kỹ thuật ñể có thể ra quyết ñịnh ñúng. ðể quyết ñịnh, nên tham khảo hướng dẫn sau: 1. Luôn tham khảo thêm tài liệu ñể biết ñược các tiến bộ trong lĩnh vực thử nghiệm gia tốc 2. Tránh yếu tố gia tốc stress tạo tính “phi tuyến,” trừ khi yếu tố stress này là hợp lý trong ñiều kiện sản xuất. Thí dụ, các pha thay ñổi về vật liệu từ chất rắn sang chất rắn, các pha chuyển trạng thái hóa học “phi tuyến” (thí dụ, yếu tố phi tuyến do hàn, thay ñổi về intermetallic v.v, ); tia lửa ñiện trong vật liệu là yếu tố phi tuyến về ñiện; vật liệu bị gãy so với vật liệu có tính uốn dẽo là yếu tố phi tuyến cơ học. 3. Thử nghiệm ñược thiết kế theo hai hướng: cho phép stress cao hay không cho phép stress, nhằm tạo hay không tạo nên yếu tố phi tuyến do stress. Trong thiết kế thử nghiệm gần ñây, nhóm thiết kế kỹ thuật cùng thời (concurrent engineering) xem lại mọi hỏng hóc và quyết ñịnh xem hỏng hóc là bất thường hay là không. Tiếp ñến họ quyết ñịnh là nên hay không nên giải quyết vấn ñề này. Một số quyết ñịnh bảo thủ có thể xuất hiện khi sửa chữa một số hỏng hóc có tính bất thường này. ðiều này không ñáng quan tâm khi thời gian và tiền bạc sửa chữa ñược mọi vấn ñề. Khó khăn xuất hiện khi hỏng hóc bình thường mà lại ñược ghi nhận là bất thường và không ñưa ñến tác ñộng hiệu chỉnh lại. 3. Thừa số gia tốc thời gian Thừa số gia tốc (A) ñược ñịnh nghĩa bằng phương trình toán học (1) trong ñó t là tuổi thọ của chế ñộ hỏng hóc trong ñiều kiện sử dụng bình thường và t' là tuổi thọ trong ñiều kiện có gia tốc: t t A ′ = (1) Thử nghiệm gia tốc ñược thiết kế ñể tạo hỏng hóc trong một khung thời gian ngắn, nên tuổi thọ trong ñiều kiện bình thường dài hơn nhiều lần so với tuổi thọ trong ñiều kiện gia tốc, nên A luôn rất lớn hơn 1. Thí dụ, một thừa số gia tốc là 100 cho thấy là 1 giờ trong ñiều kiện môi trường gia tốc tăng cường thì bằng 100 giờ trong ñiều kiện hoạt ñộng bình thường. Thừa số gia tốc ñuợc mô tả ở ñây mô tả yếu tố nén thời gian. Thừa số gia tốc còn ñặt theo thừa số về thay ñổi tham số. Ứng dụng quan trọng nhất là dùng ước lượng yếu tố nén thời gian thử nghiệm bằng thừa số gia tốc thời gian. Các thừa số gia tốc thường ñược mô hình hóa. Thí dụ, một số chế ñộ hỏng hóc bị ảnh hưởng của nhiệt ñộ, thí dụ các quá trình hóa học và khuếch tán, con ñược gọi là tốc ñộ phản ứng Arrhenius ñược cho bởi:       − = TK E BRate B a exp (2) trong ñó: B = hằng số ñặc trưng cho cơ chế hỏng hóc của sản phẩm và ñiều kiện thử nghiệm (xem phụ lục 1) E a = năng lượng kích hoạt tính theo electron-volts (eV) của chế ñộ hỏng hóc T = nhiệt ñộ tuyệt ñối (tính theo ñộ Kelvin), and K B = hăng số Boltzmann (8.6173 × 10 –5 eV/°K). ðây là một biểu thức nhiệt ñộng học, dùng khi xử lý vĩ mô yếu tố ñộng học của hỏng hóc, ñược tuân thủ trong thế giới vi mô trong ñó các phản ứng cơ bản ñược thực hiện dựa trên mô hình Arrhenius. Các phần tử có một số xác suất ñể vượt qua ngưỡng năng lượng mức Ea và trở nên tích cực trong phản ứng ñang thực hiện. Khi dùng càng nhiều phần tử cơ bản, thì hiện tượng tai biến (catastrophic) xuất hiện tại một số ñiểm trong thế giới vĩ mô. Tốc ñộ ñược giả sử tỉ lệ nghịch với thời gian xuất hiện. Thí dụ, nếu thực nghiệm ñược thực hiện tại hai nhiệt ñộ T1và T2, thì thời gian hỏng hóc liên quan ñến tốc ñộ tại các nhiệt ñộ này là: )( )( 2 1 1 2 TRate TRate t t = (3) K ế t h ợ p ph ươ ng trình 1, 2, và 3 ñể có th ừ a s ố gia t ố c nhiêt ñộ             −== 121 2 11 exp TTK E t t A B a T (4) Mô hình ñầy ñủ ñược vẽ ở hình 2. ðể ước lượng thừa số gia tốc, thì cần biết ñược tham số năng lượng kích hoạt E a hay giả sử về các chế ñộ hỏng hóc ñặc thù. Thông thường, thông tin quá khứ cung cấp giá trị của E a , hay có ñược từ thực nghiệm (xem thí dụ 2). 4. Các ứng dụng ñể thử nghiệm gia tốc ðể ước lượng thời gian thử nghiệm nén và kế hoạch thử nghiệm cần có yêu cầu về mẫu thử, cả mô hình gia tốc và phân tích thống kê (xem thí dụ 7). Phần này trình bày tổng quan về thử nghiệm gia tốc theo ñó cơ chế hỏng hóc tiềm tàng và mô hình gia tốc. Thử nghiệm thẩm tra về gia tốc trong vi ñiện tử ñược thiết kế ñể tăng cường bốn dạng cơ chế/chế ñộ hỏng hóc, ñó là: 1) cơ chế cơ nhiệt (thí dụ, gãy ñóng gói, kết nối ohmic, tính toàn vẹn của bond/lead, vấn ñề tản nhiệt chưa ñúng, yếu tố mõi của kim loại, v.v, ) 2) cơ chế cơ nhiệt không liên quan ñến ẩm (e.g., metal interdiffusion, intermetallic growth problems such as Kirkendall voiding, electromigration, MOS gate wear-out, etc.), 3) cơ chế cơ nhiệt có liên quan ñến ẩm (thí dụ, ảnh hưởng ñiện tích bề mặt, ảnh hưởng rò ion, dendrite growth, chì bị ăn mòn, ăn mòn do ñiện, v.v, ), và 4) cơ chế cơ học (thí dụ, mechanical attachments, package integrity, mõi, etc.). Kết hợp các thử nghiệm gia tốc này ñòi hỏi phải có stress ñúng cho từng cơ chế hỏng hóc. Các thử nghiệm thường gặp nhất là chu trình nhiệt (Temperature Cycle), tuổi thọ vận hành ở nhiệt ñộ cao (HTOL: High-Temperature Operating Life), nhiệt có tăng cường ẩm ñộ (THB: Temperature-Humidity-Bias), và rung ñộng, ñược trình bày trong phần dưới ñây. Chu trình nhiệt tăng cường cơ chế cơ nhiệt; HTOL tăng cường cơ chế hóa - nhiệt không có hơi nước; THB nhấn mạnh cơ chế hóa nhiệt có liên quan ñến hơi ẩm; và rung ñộng nhấn mạnh các yếu tố hỏng hóc cơ học. Hơn nữa, nhiều linh kiện trong quá trình sản xuất còn phải chịu nhiều yếu tố stress khác. Thí dụ, linh kiện dán bề mặt phải chịu quá trình solder-reflow. Như thế, ñể cung cấp một qui trình thẩm tra thực tế trước khi thử nghiệm ñộ tin cậy trong thử nghiệm với stress, linh kiện cần ñược xử lý sơ (pre- conditioning) ñể kích thích yếu tố stress này. Trường hợp linh kiện SMT, dùng thử nghiệm sơ bộ về solder-reflow, với ñặc tính thường dùng như JESD22-A113. 5. Mô hình gia tốc tuổi thọ dùng nhiệt ñộ cao Trong thử nghiệm tuổi thọ dùng nhiệt ñộ cao, linh kiện ñược ñưa lên nhiệt ñộ cao trong một thời gian dài. Thường giả sử là yếu tố chủ ñạo về nhiệt gia tốc cơ chế hỏng hóc tuân theo quan hệ Arrhenius. Mô hình Arrhenius trong phương pháp HTOL ñược vẽ ở hình.2. Hàm Arrhenius rất quan trọng, nó không chỉ ñược dùng trong ñộ tin cậy ñể mô hình cơ chế tốc ñộ hỏng hóc có liên quan ñến nhiệt ñộ, nhưng còn ñược dùng ñể biểu diễn nhiều hiện tượng nhiệt ñộng vật lý (xem chương 14). Trong phương trình 2, ta thấy là thừa số này phụ thuộc theo dạng hàm mủ với năng lượng kích hoạt. Như tên gọi, thì quá trình hỏng hóc xuất hiện khi có ñủ năng lượng nhiệt vượt qua năng luợng ngưỡng E a . Khi nhiệt ñộ tăng, thì dễ dàng ñể vượt qua ngưỡng này và xác suất xuất hiện hỏng hóc trong một thời gian ngắn. Như thế, tham số này diễn ñạt một giá trị ñặc tính có liên quan ñến quá trình hỏng hóc do tác ñộng nhiệt lượng kích hoạt Mỗi quá trình hỏng hóc ñều có liên quan với ngưỡng năng lượng Ea. Trường hợp khi ước lượng thừa số gia tốc mà chưa biết giá trị này của cơ chế hỏng hóc tiềm tàng, thì nên dùng giá trị cố hữu. Thí dụ, trị 0.7 eV thuờng ñược dung trong cơ chế hỏng hóc của IC và thường ñược xem là chuẩn công nghiệp dùng trong ước lượng thời gian thử nghiệm (xem thí dụ 1 và 7). Giá trị bé ñưa ñến ước lượng lố (over-estimate) về thời gian thử và/hay kích thước mẫu cần thiết ñể khớp với mục tiêu thử nghiệm. Ngoài ra còn yếu tố quan trọng nữa là nhiệt ñộ hoạt ñộng và nhiệt ñộ stress. Các ước lượng có thể tạo sai lầm. Thí dụ, ñể ñánh giá ñúng thời gian nén trong thử nghiệm, thì cũng cần quan tâm ñến yếu tố tăng nhiệt ñộ của mối nối. ðiều này ñược minh họa trong thí dụ sau. ▼ Thí dụ 1 Dùng mô hình HTOL Bài toán: Ước lượng thời gian thử nghiệm ñể kích thích tuổi thọ 10 năm trong thử nghiệm HTOL. Năng lượng kích hoạt dùng trong chế ñộ hỏng hóc tiềm tàng chưa biết. Giả sử là giá trị cố hữu của năng luợng kích hoạt là 0.7 eV. Nhiệt ñộ mối nối của linh kiện tăng và ño ñược là 15°C cao hơn môi trường xung quanh. Nhiệt ñộ thử nghiệm là 110°C, và nhiệt ñộ ñịnh mức là 40°C. Lời giải: Nhiệt ñộ mối nối cao hơn 15°C, nên nhiệt ñộ hiện tại và nhiệt ñộ thử nghiệm là : T Use = 15°C+40°C = 55°C T Stress =15°C+110°C = 125°C Theo hình 2, thừa số gia tốc là A T = exp{(0.7 eV/8.6173 × 10–5eV/°K)× [1/(273.15 + 55) –1/(273.15 + 125) °K]} = 77.6 Từ phương trình 1, thời gian thử nghiệm ñể kích thích tuổi thọ 10 năm (87,600 hours) là: Test Time = Life Time/AT = 87600/77.6 = 1,129 hours 5.1 Ước lượng năng luợng kích hoạt Thử nghiệm ñược thực hiện nhằm xác ñịnh năng lượng kích hoạt cho cơ chế hỏng hóc. Trường hợp này, linh kiện ñược thử nghiệm ñộc lập với ít nhất hai nhiệt ñộ khác nhau. Lý tưởng nhất, nên dùng nhiều hơn ba giá trị nhiệt ñộ, kết quả ñược vẽ trên trục ñồ thị semi-log, rồi dùng phương pháp khớp dữ liệu bình phương - tối thiểu. Thí dụ, quá trình nghiên cứu ñộ tin cậy trong hình 6.8 trong ñó dùng ñồ thị semilog ñể biểu diễn mô hình tuyến tính hóa trong hình 2. Tức làm nếu ta vẽ (MTTF: Mean-Time-To-Failure) trên trục semilog theo 1/T, rồi tùy theo phương trình ñộ dốc của E a /K B , và năng lượng kích hoạt có thể ñược xác ñịnh như mô tả trong thí dụ dưới ñây. ▼ Thí dụ 2 Xác ñịnh năng lượng kích hoạt Bài toán: MTTFs tại 250°C và 200°C lần lượt là 731 và 10,400 giờ, như trong hình 6.8. ðiều này cho thấy năng lượng kích hoạt là 1.13 eV và MTTF tại 125°C là 1.95×0 –6 giờ như trong hình vẽ. Lời giải: Dùng phương trình 4 ñể tìm E a : Năng lương kích hoạt là: { } { } 12 12 /1/1 / TT MTTFMTTFL KE n Ba − = (6) Tiếp ñến, cần xác ñịnh thừa số gia tốc tại 125°C. Phương pháp trong thí dụ 1 cho: T Use =125°C T Stress =200°C A T = Exp {(1.133 eV/8.6173×10 –5 eV/°K)×[1/(273.15+125) –1/(273.15+200) °K]} = 187.6 Từ phương trình 1, MTTF (tại 125°C) = MTTF (tại 200°C)×A T = 10400×187.7 = 1.951×10 –6 giờ. ðáp số hơi khác so với hình 6.8 do yếu tố sai số làm tròn. 6. Mô hình gia tốc chu kỳ công tác dùng nhiệt -ẩm ñộ cao Trong THB, linh kiện thử nghiệm ñược ñặt trong môi trường stress nhiệt ñộ cao có ẩm ñộ trong thời gian thử nghiệm. Thí dụ, thử nghiệm THB thường dùng là thử nghiệm 1000 giờ trong ñiều kiện nhiệt ñộ 85°C và ẩm ñộ tương ñối 85%. Một trong những mô hình thông dụng nhất là mô hình Peck 1989 (xem phần phụ lục 3) cho ở hình 3. Một biến thể ñược cung cấp trong chương 14, phần 5.2. Trong ñó, bao gồm quan hệ giữa yếu tố tuổi thọ và nhiệt ñộ (mô hình Arrhenius) và quan hệ giữa tuổi thọ và ẩm ñộ (mô hình Peck), sau cho tích của hai thừa số riêng biệt này là thừa số gia tốc chung cho toàn hệ thống. ▼ Thí dụ 3 Dùng mô hình THB Bài toán: Thực hiện thử nghiệm THB tại ñiều kiện ẩm ñộ tương ñối là 85%RH và nhiệt ñộ 85°C, tìm thừa số gia tốc tương ñối tại ñiều kiện môi trường ẩm ñộ tương ñối 40%RH và 25°C, giả sử năng lượng kích hoạt là 0.7 eV và hằng số ẩm ñộ là 2.66? Cần thử nghiệm với bao nhiêu giờ ñể mô phỏng tuổi thọ 10 năm? Cần thử nghiệm với bao nhiêu giờ trong phòng HAST (xem chương 5) ñể mô phỏng tuổi thọ 10 năm trong ñiều kiện ẩm ñột tương ñối 85%RH và nhiệt ñộ 110°C? Lời giải: Thừa số gia tốc nhiệt ñộ là A T = exp{(0.7 eV/8,6173×10 –5 eV/°K)×[1/(273,15 + 25)–1/(273,15 + 85)°K]} = 96 Thừa số gia tốc ẩm ñộ là A H = (85%RH/40%RH) 2.66 = 7.43 Vậy, thừa số gia tốc ẩm ñộ nhiệt ñộ là A TH = 96 ×7.43 = 713 Thời gian thử nghiệm ñể mô phỏng 10 năm (87.600 giờ) là: Test time = (87.600 giờ/713) = 123 giờ Thừa số gia tốc nhiệt ñộ trong thử nghiệm HAST là A T =exp{(0.7eV/8,6173×10 –5 eV/°K)×([1/(273,15+25) –1/(273,15 + 110)°K]} = 421,8 Thừa số gia tốc ẩm ñộ giống như phần ñầu của bài toán, tức là: A TH = 421,8 ×7,43 = 3132,2 Thời gian thử nghiệm HAST tương ñương với 10 năm là HAST test time = (87.600 giờ/3.132) = 28 giờ Ban ñầu khi Peck ñề nghị mô hình này, ông ta ñã quan sát báo cáo về ñiều kiện tuổi thọ-nhiệt ñộ, trong ñiều kiện 85°C/85%RH của linh kiện ñóng võ epoxy. Ông nhận ñược nhiều sự ñồng thuận về mô hình này. Các giá trị dữ liệu khớp với trị ñịnh mức của E a từ 0.77 ñến 0.81 và trị danh ñịnh của m từ 2.5 ñến 3.0. Một nghiên cứu của Texas Instruments (xem phụ lục 4) về giám sát PEM về tuổi thọ-ẩm ướt cho thấy năng lượng kích hoạt vào khoảng 0.9 eV. Các xu hướng trên cho thấy năng lượng kích hoạt càng cao thì tương ứng với việc cải thiện ñộ tin cậy cho chất bán dẫn. 7. Mô hình gia tốc chu kỳ nhiệt ñộ Trong phương pháp chu kỳ nhiệt ñộ, linh kiện thử nghiệm phải chịu ñựng chu kỳ thay ñổi nhiệt ñộ từ cực cao xuống cực thấp. Yếu tố tăng cường có chu kỳ này liên quan ñến vấn ñề dãn và co của vật liệu do nhiệt ñộ. Mô hình Coffin-Manson ñược dùng nhiều trong thử nghiệm công nghiệp dạng này. (xem phụ lục1). ðây là mô hình ñơn giản ñược dùng ước lượng thừa số gia tốc trong chu kỳ nhiệt ñộ (xem hình 4). Một dạng khác của mô hình ñược trình bày ở chương 14, phần 4.2. Thừa số gia tốc phụ thuộc hỏng hóc ñược ước lượng là nguyên nhân của yếu tố mõi của luật Coffin-Manson cho lực căng theo chu kỳ hỏng hóc. Các giá trị 2 ñến 4 ñã ñược xem là tiêu biễu cho giá trị K. Các giá trị này tùy thuộc vào từng thiết kế. Giá trị từ 2.5 thường ñược dùng cho yếu tố mõi của mối hàn, trong khi 4 thường ñược dùng cho hỏng hóc do kết nối của IC. Giá trị dưới (2.5) là giá trị tốt cho ước lượng vừa phải. ▼ Thí dụ 4 Dùng mô hình chu kỳ nhiệt ñộ Bài toán: Ước lượng nhiệt ñộ cần cho thử nghiệm dùng chu kỳ nhiệt ñộ ñể mô phỏng tuổi thọ 10 năm với nhiệt ñộ giữa –55°C và 150°C. Ước lượng là nhiệt ñộ tại hiện trường là từ–5°C ñến 25°C hai lần trong ngày. Giả sử chu kỳ nhiệt ñộ vừa phải là hàm mủ của 2.5. Lời giải: ðầu tiên, dùng biểu thức trong hình 4 ñể tìm thừa số gia tốc nhiệt ñộ A TC = (∆T Stress /∆T Use ) K = (205°C/30°C) 2.5 =122. Trong 10 năm, linh kiện sẽ có 2×365×10 = 7300 chu kỳ Như thế, theo hình 4, số chu kỳ cần thiết ñể mô phỏng là N Stress = N Use /A TC = 7300/122 = 60 chu kỳ 8. Mô hình gia tốc rung ñộng Trong phương pháp này, linh kiện ñược gắn trên một bàn rung và phải chịu rung ñộng ngẫu nhiên hay rung ñộng dạng sin. Dạng rung ñộng ngẫu nhiên thường ñược dùng nhiều theo mức mật ñộ phổ công suất (PSD: Power Spectral Density) (xem hình 5). Hình mô tả dạng PSD thử nghiệm liên hệ với từng môi trường sử dụng. Hàm PSD mô tả phân bố năng lượng của rung ñộng theo tần số. Thời gian nén ñược thực hiện liên quan ñến mức PSD dùng thử nghiệm hay khi sử dụng. Có thể ước lượng ñược thời gian nén sau khi thiết lập mức và dạng của mật ñộ phổ. Mô hình nén thời gian truyền thống (MIL-STD 810E) là mô hình theo luật lủy thừa. Chương 14 trình bày một dạng khác của mô hình này. Khi ứng dụng mô hình này, thì cần hiểu ñược cơ chế hỏng hóc, do trong môi trường rung ñộng dạng ngẫu nhiện, ñể chế ngự ñược cộng hưởng tác ñộng lên tuổi thọ mõi của vật liệu. Ở ñây, biên ñộ rung tối ña và yếu tố stress xuất hiện. Tuy nhiên, hỏng hóc do mõi không phải luôn chế ngự ñược dùng chế ñộ cộng hưởng cơ bản. Trong thực tế, nhiều ñiểm stress ñỉnh trong môi trường sử dụng xuống dưới ngưỡng mõi của vật liệu, trong khi một số ñỉnh khác lại vượt qua ngưỡng mõi. Cần thấy là thử nghiệm dùng dạng mô hình này, ñược xem là cố hữu. Tuy nhiên, do hầu hết hư hỏng do mõi ñều xuất hiện tại ñiểm ñỉnh stress trong môi trường sử dụng cũng như thử nghiệm, do ñó không nên vượt quá mức ñộ vừa phải này. Hình 5 cho PSD với ñơn vị là G 2 /Hz. Bình phương của mức tăng cường G tại tần số cộng hưởng thì tỉ lệ trực tiếp với mức PSD (W~G 2 ), nên mô hình ñược ñặt theo tải stress G theo yếu tố ngẫu nhiên hay công hưởng sin ñều ñược.Trong mô hình này, tham số mõi có liên quan ñến ñộ dốc thực nghiệm của stress lên chu kỳ của dữ liệu hỏng hóc. Yếu tố giải thích này thay ñổi phụ thuộc theo tuổi thọ mõi của vật liệu. Thí dụ, giá trị của b≈5 thường ñược dùng trong bo mạch ñiện tử. Tuy nhiên, giá trị vừa phải dùng cho tham số mõi thường vào khoảng 8 (thí dụ, Mb= 4). Trong MIL STD-810E (514.4-46) ñề nghị b= 8 cho tải ngẫu nhiên. ▼Example 9.5 Dùng mô hình rung ñộng Bài toán: Ước lượng thời gian thử nghiệm cần ñể mô phỏng tuổi thọ 10 năm tại hiện truờng cho một sản phẩm lắp ghép ñược thử nghiệm ở mức Level 4 PSD dùng ñiều kiện rung ngẫu nhiên, như hình 5 . Ước lượng ñơn vị lắp ghép này sẽ hoạt ñộng trong ñiều kiện xấu nhất với mức Level 1 dùng rung ñộng ngẫu nhiên là 1% của tuổi thọ sản phẩm. Phần còn lại của lắp ghép là tương ñối ôn hòa so với rung ñộng. Lời giải: Dùng biểu thức trong hình 6 ñể tìm thừa số gia tốc rung ñộng. Do mức Level 4 có PSD là 0.12 G 2 /Hz, thì mức Level 1 là 0.03 G 2 /Hz. Do ñó A V = (W Stress /W Use ) Mb = (0.12/0.03) 4 = 256. Trong 10 năm, linh kiện sẽ chịu ảnh hưởng của mức rung ñộng Level 1 là vào khoảng: 87.600 ×0,01 = 876 hours. Từ ñó, theo hình 6, số chu kỳ thử nghiệm ñể mô phỏng là T Stress =T Use /A V = 876/256 = 3.5 giờ 9. Mô hình gia tốc chuyển dịch ñiện tử Chuyển dịch ñiện tử (electromigration) là cơ chế hỏng hóc có nguyên nhân là yếu tố dẫn ñiện vi ñiện tử với ñiều kiện mật ñộ cao của dòng hay là sự kết hợp của nhiệt ñộ cao và mật ñộ dòng ñiện. Chế ñộ hỏng hóc thường gặp nhất là hở ñường dẫn ñiện. Cơ chế hỏng hóc này ñến từ mật ñộ dòng ñiện lớn tạo nên dòng ñiện tử dày ñặc trong ñường dẫn ñiện vi ñiện tử. Thông thường, thuật ngữ “gió ñiện tử: electron wind” ñã ñược dùng trong quá khứ ñể chỉ cơ chế thưa tạo nên hỏng hóc. Kim loại ñạt ñến giai ñoạn mà va chạm (collision) giữa ñiện tử và nguyên tử film và hỏng hóc trở thành tai biến. ðiện tử thưa từ vị trí hỏng hóc ñược xem là chủ yếu. Tốc ñộ va chạm gia tăng theo ñiểm mà nguyên tử của phim kim loại rò theo hướng dòng ñiện tử. Kết quả là do các vùng không ñồng ñều trong kim loại kết hợp với sự vận ñộng của kim loại. Thông thường, phương trình Black (xem tham khảo 6 và 7) ñược dùng dự báo về MTTF do dịch chuyển ñiện tử. Thừa số gia tốc chuyển dịch ñiện tử do phương trình Black, xem hình 7. Nhiều giá trị của tham số phuơng trình Black cho n và E a ñã ñược báo cáo. Khi dùng giá trị thấp hơn, ước lượng càng trở nên vừa phải. Nhiều thực nghiệm ñã ñược thực hiện với ñiều kiện tăng cường khác nhau và giá trị của n ñã ñược báo cáo trong tầm từ 2 và 3.3 và E a là giữa 0.5 ñến 1.1 eV. ▼ Thí dụ 6 Dùng mô hình dịch chuyển ñiện tử Bài toán: Một thí nghiệm về dịch chuyển ñiện tử ñược thực hiện trong dây dẫn nhôm tại nhiệt ñộ 185°C và mật ñộ dòng ñiện là 3 ×10 5 A/cm 2 là MTTF là 2000 giờ. Ước lượng MTTF tại ñiều kiện sử dụng là 100°C và mật ñộ dòng ñiện là 2 ×10 5 A/cm 2 . Dùng tham số ước lượng vừa phải E a = 0.5 eV và n = 2.0. Lời giải: ðầu tiên, thừa số gia tốc nhiệt ñộ là: A T = exp{(0.5eV/8,6173×10 –5 eV/°K)×[1/(273.6+100) –1/(273.6 + 185)°K]}= 17.9 Mật ñộ dòng ñiện là Ac= (3 ×105A/cm 2 /2× 105A/cm 2 ) 2 = 2.25 Tích số tạo thừa số gia tốc dịch chuyển ñiện tử A J =A T A c = 17,9 ×2,25 = 40.3 Trị MTTF trong ñiều kiện sử dụng ñược ước lượng là: MTTF Use =MTTF Stress ×A J = 2000 ×40,3 = 80.600 hours = 9,2 năm 10. Qui hoạch thử nghiệm gia tốc không hỏng hóc Có nhiều dạng thử nghiệm gia tốc. Các thử nghiệm có dùng ñiều kiện gia tốc về môi trường ñược gọi là thử nghiệm gia tốc. Hai dạng thông dụng nhất dùng trong công nghiệp là thử nghiệm tai biến (catastrophic) và thử nghiệm không hỏng hóc. Trong phương pháp thử nghiệm tai biến gia tốc, mục tiêu thường là ước lượng tốc ñộ hỏng hóc tại ñiều kiện sử dụng. Các thí dụ dùng ước lượng MTTF trong ñiều kiện vận hành ñược cho ở thí dụ 7. Chú ý là trong từng trường hợp, dùng giá trị vừa phải của tham số mô hình thí dụ như năng lượng kích hoạt. Thí dụ 2 minh họa phương thức ước lượng năng lượng kích hoạt trong mỗi chế ñộ hỏng hóc, khi tính toán ñộ tin cậy của quá trình. Chương 4 ñã thảo luận về DMT (Design Maturity Testing) là một dạng thử nghiệm không hỏng hóc. Mục tiêu chủ yếu của thử nghiệm DMT là nhằm xác ñịnh khi nào thiết kế thỏa mãn ñược mục tiêu về ñộ tin cậy cho trước. Cần dùng trong thử nghiệm gia tốc kích thước mẫu có ý nghĩa thống kê. Phần này ñã ñược giới thiệu ở 4.6. Trong chương 8, có một thí dụ nhằm cung cấp một biểu diễn về gia tốc so với qui hoạch mẫu thống kê. ▼ Thí dụ 7 Thiết kế dùng thử nghiệm gia tốc không hỏng hóc. Bài toán: Kế hoạch thử nghiệm gia tốc DMT không hỏng hóc nhằm chứng tõ là IC ñóng võ plastic thỏa mãn ñuợc mục tiêu ñộ tin cậy 400 FITs (Mục tiêu 4, Hình 3) với mức tin cậy 90%. Ước lượng kích thước mẫu cần có và thời gian thử nghiệm nhằm chứng tõ là linh kiện này có dạng thử nghiệm không hỏng hóc với chế ñộ hỏng hóc HTOL, THB, và TC. Dùng thừa số gia tốc tìm ñược trong các thí dụ 1, 3, và 4 trong thiết kế của bạn. Lời giải: Một thử nghiệm DMT ñầy ñủ cho linh kiện này thì bao gồm thử nghiệm không gia tốc. Hình 5 minh học ý tưởng này và chương 4 ñã mô tả chi tiết về thử nghiệm DMT. Nhằm thiết kế phần thử nghiệm gia tốc này, ñầu tiên phải ước lượng thời gian kéo dài thực tế của thử nghiệm. Thí dụ, ta ñịnh mục tiêu là thử nghiệm sẽ kéo dài trong 1000 giờ cho các thử nghiệm HTOL và THB, và với khoảng 100 chu kỳ nhiệt ñộ. Sau khi ñã ñịnh ñược thời gian này, ta cần ước lượng về kích thước thống kê có ý nghĩa tại mức tin cậy 90%. Ta giả sử là mỗi thử nghiệm ñược dùng cho các chế ñộ hỏng hóc khác nhau. Tức là, mỗi thử nghiệm nằm trong một phần của chế ñộ hỏng hóc. Kế hoạch phân phối vị trí ñuợc mô tả trong phần 2, trong ñó các dạng chế ñộ hỏng hóc THB-, TC-, và HTOL lần lượt ñược thiết lập với 20%, 30%, và 50% trong ñộ tin cậy tổng. Dùng kế hoạch này thì 400 FITs lần lượt ñược chia ra thành 80, 120, và 200 FITs cho các thử nghiệm THB, TC, và HTOL. Từ ñây, dùng mỗi một số chi bình phương. ðiều này ñược mô tả chi tiết trong phần 4.6 trong ñó kích thước mẫu N ñược cho bởi N(HTOL) = χ2(90%, 2Y+2)/2λAt Thí dụ, các giá trị TC là: Y=0 hỏng hóc (failures) χ2(90%,2) = 4.605 λ = 120 FITs = 1.2 ×10 –7 hỏng hóc/ giờ A = 122 (lấy từ thí dụ 9.4) t = 100 chu kỳ ×24 giờ = 2400 giờ thử nghiệm tương ñương Như thế, N= 4.605/(2×1.2×10 –7 ×122×2400) = 66 linh kiện Tiếp tục dùng hướng này cho các thử nghiệm khác, ta có kết quả ñược tóm tắt trong bảng 1. 11. Thử nghiệm tăng cường từng bước Thử nghiệm stress từng bước là một dạng thử nghiệm tuổi thọ khác. Trong thử nghiệm này, thường dùng số nhỏ mẫu linh kiện ñược ñưa ra trong chuỗi các stress gia tốc từng bước. Tại bước cuối cùng của mức thử stress, thực hiện phép ño ñể lấy kết quả về linh kiện. Các kết quả này là dễ dàng nếu xuất hiện hỏng hóc tai biến hay ño kết quả có ñược từ sự thay ñổi tham số do quá trình thử nghiệm tăng cường theo từng bước. Các chu kỳ với hằng số thời gian cố ñịnh thường ñược dùng trong mỗi chu kỳ bước thử nghiệm. ðiều này làm cho phân tích dữ liệu ñược dễ dàng hơn. Ý niệm này ñược mô tả trong hình 8. Chú ý là theo thực nghiệm thì phân bố hỏng hóc trong các mức stress thường có dạng phân bố chuẩn. ðây là hệ quả của phân bố về mức ñộ bất thường (xem hình 1). Như thế, biểu ñồ CDF theo stress ñược xây dựng từ biểu ñồ phân phối chuẩn. Thông thường, khi dữ liệu không khớp ñược với biểu ñồ phân phối chuẩn, thì nên thử dùng phân phối dạng [...]... ñ so sánh Trong các trư ng h p khác thì dùng thông tin v tai bi n • Cơ ch h ng hóc và y u ñi m trong thi t k nh n d ng ñư c tùy theo gi i h n c a v t li u Thông tin v ch ñ h ng hóc là cơ h i ñ tăng cư ng ñ tin c y Vi c s a ch a ñu c th c hi n ti p theo và cho phép so sánh v i các th nghi m trư c ñó ñ ñưa ra ñư c các bi n pháp s a ch a hi u qu nh t • Phân tích d li u cung c p thông tin chính xác v phân... s c b n v t li u ñi kh i quan sát chu n Có nhi u lý do ñ ph i th c hi n th nghi m v i stress t ng ph n, bao g m: • Các thông tin v lão hóa có ñu c trong m t kho ng th i gian tương ñ i ng n Thông thư ng thì các th nghi m stress t ng bư c thư ng c n t 1 ñ n 2 tu n, tùy thu c vào ñ i tư ng • Các th nghi m stress t ng bu c ñư c thi t l p ñ làm n n cho các th nghi m ti p theo Thí d , n u quá trình thay...  Dùng phép so sánh, thì quan h gi a ñ l ch chu n là (9.19) σt = Ea σS KB (9.20) ð gi i tìm th a s th hai c a bài toán, chú ý là t b ng phân b chu n thì (1/T)50%– (1/T)16% là x p x v i m t ñ l ch chu n cách nhau Như th σS ≈ 1 1 − = 0,000202 473 523 và σt = 1,3eV 0,000202 = 3,05 8,62 x10 −5 13 Tóm t t Chương này mô t phương pháp th nghi m gia t c M c tiêu chung trong th nghi m gia t c là y u t gia t... t gia t c v th i gian và thông tin d báo v ñ tin c y c a s n ph m Tuy nhiên, m c tiêu xa hơn chưa th o lu n là y u t tăng trư ng ñ tin c y thông qua th nghi m và s a ch a ch ñ h ng hóc ði u này s ñư c th o lu n trong chương k Thư m c 1 Nelson,W., Accelerated Testing,Wiley, New York, 1990 2 Feinberg, A A., “The Reliability Physics of Thermodynamic Aging,” Recent Advances in Life-Testing and Reliability,... tr Trư c ñó d li u ñã ñư c v trong hình 9, và các giá tr stress trung bình l n lư t là 225°C và 139°C cho th nghi m 10 gi và 150 gi Chú ý là các th i gian này là giá tr MTTF t i l n lư t các nhi t ñ Dùng giá tr này thì năng lư ng kích ho t tìm ñu c tương t như cách th c thí d 9.2 là Ea = 8.6173×10–5eV/°Kln[150/10]/{1/(273.15 + 139) –1/(273.15 + 225)} = 0.557 eV M c chính xác c a d li u ñư c c i thi... ×150) C n chú ý xem khi nào thì vi c hi u ch nh TSS là h p lý Do có nhi u th c nghi m stress t ng bư c, linh ki n ñư c ño m t l n (vào cu i bư c) nên ta không bi t ñư c chính xác th i gian h ng hóc Trong trư ng h p này, không nên hi u ch nh, ñ c bi t khi y u t hi u ch nh tương ñ i bé, do linh ki n có th h ng b t c lúc nào trong bư c th i gian Tuy nhiên, n u linh ki n ñư c giám sát trong giai ño n th... ñu c vi t theo d ng tuy n tính và l p l i ñây vì lý do thu n ti n T hình 2, thì ñó là: Ln(t f ) = C + Ea K BT (9.7) theo hình 6, thì: Ln(t f ) = C − MbLn(W ) (9.8) Ta ñánh giá th i gian h ng hóc b t c lúc nào dùng phương pháp th c nghi m ð i v i phân b log-normal, tham s này ñư c áp d ng vào th i gian trung bình c a h ng hóc, tf = t50 ði u này cho phép thay tr c ti p vào hàm phân ph i log-normal trong... trung bình có ñư c t bi u ñ hi u ch nh l n lư t là 224°C và 143°C t i các bư c 10 gi và 150 gi Dùng giá tr m i này, ta tinh ch nh l i năng lư ng kích ho t Các ư c lư ng m i dùng nhi t ñ hi u ch nh là: Ea = 8.6173×10-5eV/°Kln[150/10]/{1/(273.15+143)–1/(273.15 + 224)} = 0.596 eV Dùng giá tr này, thì d báo ñư c tr MTTF t i 25°C Th a s gia t c n m gi a 25°C và 143°C là 719 Do tr MTTF t i 143°C là 150 gi... cung c p thông tin chính xác v phân b stress trong ñó cho phép có ñư c tr trung bình v h ng hóc do stress và ñ l ch chu n c a stress ði u này cho phép ñưa ra các ư c lư ng v MTTF t i m c trung bình c a h ng hóc do stress 11.1 Stress nhi t ñ t ng bư c (Temperature Step-Stress :TSS) ðây là phương pháp stress nhi t ñ thư ng dùng nh t Trong TSS thì các d li u v tai bi n ñư c d ng thành bi u ñ xác su t chu... c dùng ñ ư c lư ng năng lư ng kích ho t c a ch ñ h ng hóc (xem thí d 8) Do d li u v stress theo bư c ñã ñư c th c hi n theo các bư c thay ñ i, nên m t s tích lũy c a nh hư ng t n ñ ng t i các bư c trư c ñó xu t hi n trong m i bư c m i ði u này làm d li u b sai ñi, s a ch a b ng cách ư c lư ng ñi m stress trung bình Thí d ti p theo s minh h a phương th c c i thi n ñ chính xác c a stress t ng bư c ▼ Thí . CÁC Ý NIỆM VỀ PHÉP THỬ NGHIỆM GIA TỐC 1. Mở ñầu Thử nghiệm gia tốc là nén thời gian và tăng tốc cơ chế hỏng hóc trong một khoảng thời gian thử nghiệm. hoạch thử nghiệm gia tốc không hỏng hóc Có nhiều dạng thử nghiệm gia tốc. Các thử nghiệm có dùng ñiều kiện gia tốc về môi trường ñược gọi là thử nghiệm gia