GB∕T 38341-2019 微机电系统（MEMS）技术 MEMS器件的可靠性综合环境试验方法.pdf

书 书 书犐 犆犛 犔 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准犌犅犜 微机电系统（犕犈犕犛）技术犕犈犕犛器件的可靠性综合环境试验方法犕犻 犮 狉 狅 犲 犾 犲 犮 狋 狉 狅犿犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾狊 狔 狊 狋 犲犿狋 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔犜犺 犲狉 犲 犾 犻 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔狋 犲 狊 狋犿犲 狋 犺 狅 犱 狊狅 犳犕犈犕犛犻 狀犻 狀 狋 犲 犵 狉 犪 狋 犲 犱犲 狀 狏 犻 狉 狅 狀犿犲 狀 狋 狊 发布 实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局国 家 标 准 化 管 理 委 员 会发 布书 书 书目次前言范围规范性引用文件术语和定义试验方法 预处理 温度、湿度试验 机械试验 耦合试验 失效结果处理 参考文献 犌犅犜 前言本标准按照 给出的规则起草。本标准由全国微机电技术标准化技术委员会（ ）提出并归口。本标准起草单位：东南大学、华为技术有限公司、佛山市川东磁电股份有限公司、中机生产力促进中心、浙江博亚精密机械有限公司、沈阳国仪检测技术有限公司、无锡华润上华科技有限公司、北京大学、中北大学、中国科学院电子学研究所、北京必创科技股份有限公司。本标准主要起草人：王磊、黄创君、于振毅、陆学贵、朱悦、夏长奉、黄庆安、龙克文、石云波、李海斌、肖昆辉、郑凤杰、张威、程逸轩、马书鯼、陈得民。犌犅犜 微机电系统（犕犈犕犛）技术犕犈犕犛器件的可靠性综合环境试验方法范围本标准规定了器件可靠性综合环境的试验方法和失效结果处理。本标准适用于需要进行可靠性试验的器件。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 微机电系统（）技术术语术语和定义 界定的术语和定义适用于本文件。试验方法 预处理 概述试验前应对器件进行预处理。若器件使用时不需要焊接或者使用者认定焊接不会对器件产生影响，则无需进行预处理。 目的本试验模拟器件在实际使用时因为焊接所经历的各种环境的影响。由于焊接工艺过程中温度与湿度影响有可能造成器件产生热失配应力、水汽蒸发造成的大应变，以及有机物污染等失效。因此，有焊接需要的器件应进行此试验。 设备试验设备包括一台能在规定温度下恒温的温控试验箱、一台可在规定温度和湿度下工作的浸湿设备，以及一台能够达到规定温度的回流焊设备。 程序 试验箱的维护和初始处理试验计时开始前，温度试验箱应保留足够的升温时间，以保证所有待测样品温度尽量均匀；浸湿设备应保留足够的控温、控湿时间，其中所有的待测器件均应达到指定的温度和湿度。犌犅犜 试验顺序将器件置入温控试验箱，达到规定时间时将其取出立即置入浸湿设备；在达到规定浸湿时间时将其取出并立即进行回流焊，回流焊试验应进行至少次；回流焊试验完成后将器件取下准备进行后续试验。 试验条件和试验时间预处理试验条件见表，其中：）烘烤温度为应达到的最低实验温度，温控试验箱中所有待测器件应达到该温度，并应保证监测到的温度达到此要求，若无其他规定，烘烤试验时间应不小于 ；）浸湿温度与湿度为应达到的实际温度与湿度，在温湿度试验箱中所有的待测器件应达到该温度与湿度；）回流焊峰值温度为回流焊时应达到的最低峰值温度，回流焊设备应具有温度监控能力，若无其他规定，试验次数应不小于次。宜使用试验条件或。表预处理试验条件试验条件烘烤温度浸湿温度浸湿相对湿度浸湿时间回流焊峰值温度 温度、湿度试验 高温工作试验 概述待测器件加电置于试验箱内，配套的驱动电路板或测试板应在试验温度下稳定工作。 目的本试验在器件带电工作的情况下确定器件在高温下工作的可靠性，试验对象主要为高集成设备中在高环境温度下工作的器件。 设备试验设备包括一台可以电引出的，能在规定温度下恒温的温控试验箱和 中的相关设备。 程序 试验箱的维护和初始处理试验计时开始前保留足够的升温时间，以保证所有待测样品温度尽量均匀。 试验条件和试验时间表规定了本试验的最低试验温度，温控试验箱中所有待测器件均应达到该温度，并保障监测到的犌犅犜 温度达到要求。若无其他规定，试验时间应不小于 。宜采用试验条件。表高温工作试验条件试验条件最低试验温度 样品检验的准备工作试验前将待测器件取出，自然散热 至室温，最长应不超过 ，然后在标准试验条件中进行测试。 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的相应故障码判定器件是否失效；）采用红外光学检测，若器件内部有异常发热点、粘附、电击穿痕迹等现象，即判定器件失效；）采用光成像检测，若器件内部有引线脱落，粘附等现象，即判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。 高温贮存试验 目的本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在高温下较长时间贮存的可靠性，试验对象为贮存期间可能处于较高温度环境的器件。 设备试验设备包括一台能在规定温度下恒温的温控试验箱和 中的相关设备。 程序 试验箱的维护和初始处理应对温控试验箱的结构、负载、监测位置和气流进行必要的设计和调整，从而保障监测到的温度达到要求。在规定时间内将处于不带电工作状态的待测器件放置于规定的温度环境中，试验计时开始前保留足够的升温时间，以保证所有待测样品温度尽量均匀。 试验条件和试验时间表规定了本试验的最低试验温度，温控试验箱中所有待测器件均应达到该温度。若无其他规定，试验时间应不小于 。宜采用试验条件。犌犅犜 表高温贮存试验条件试验条件最低试验温度 样品检验的准备工作达到规定试验时间时将待测器件取出，自然散热 至室温，最长应不超过 ，然后在标准试验条件下进行测试。 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的故障码判定器件是否失效；）采用红外光学检测，若器件内部有粘附等现象，即判定器件失效；）采用光成像检测，若器件内部有引线脱落、粘附等现象，即判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。 低温贮存试验 目的本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在低温下较长时间贮存的可靠性，试验对象为贮存期间处于较低温度环境的器件。 设备试验设备包括一台能在规定温度下恒温的温控试验箱和 中的相关设备。 程序 试验箱的维护和初始处理应对温控试验箱的结构、负载、监测位置和气流进行必要的设计和调整，从而保障监测到的温度达到要求。在规定时间内将处于不带电工作状态的待测器件放置于规定的温度环境中，试验计时开始前保留足够的降温时间，以保证所有待测样品温度尽量均匀。 试验条件和试验时间表规定了本试验的最低试验温度，温控试验箱中所有待测器件均应达到该温度。若无其他规定，试验时间应不小于 。宜采用试验条件。犌犅犜 表低温贮存试验条件试验条件最低试验温度 样品检验的准备工作达到规定试验时间时将待测器件取出，自然升温 至室温，最长应不超过 ，然后在标准试验条件下进行测试。 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的故障码判定器件是否失效；）采用光成像检测，若器件内部有引线脱落、粘附等现象，即判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。 温度循环试验 概述由于器件在工艺、结构、封装上的特点，其在高低温交替变化下造成的应力等因素可能会出现可靠性问题。样品在规定条件下应连续不中断完成不少于 次循环运行。在此期间，由于试验设计或设备故障，可中断试验，但中断次数不应超过规定循环总次数的 。 目的高、低温交替环境会使器件内部产生交变应力，对于不同的材料可能会产生疲劳或者蠕变等效应，最终造成失效。本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在高、低温交替变化下的可靠性，试验对象为工况温度会出现高低温交替变化的器件。 设备试验设备包括一台能工作在规定温度范围内的温控试验箱和 中的相关设备。温控试验箱在最大负荷时的热容量和空气流量应能保障规定的试验条件和计时要求。试验时应使用相关设备实时连续记录箱内环境温度。通过设计和调整试验箱的结构使样品和温控箱的热传导降至最低。 程序 试验箱的维护和初始处理应对温控试验箱的结构、负载、监测位置和气流进行必要的设计和调整，从而保障监测到的温度达到要求。设备的加温与降温能力调整后应达到规定的要求，样品应放置在不影响空气流动的地方。 试验条件和试验时间表规定了试验温度范围与周期，温控试验箱中所有的待测器件均应达到该温度。试验循环应不犌犅犜 小于 次。宜采用试验条件。试验中升温、降温和停留时间见图。表温度循环试验条件试验条件试验温度范围周期 图温度循环周期内的时间分布要求 样品检验的准备工作试验后立即取出器件，自然升温降温 至室温，最长应不超过 ，然后在标准试验条件下进行测试。 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：犌犅犜 ）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的检测码判定器件是否失效；）采用红外光学检测，若器件内部有粘附等现象，即判定器件失效；）采用光成像检测，若器件内部有引线脱落、粘附等现象，即判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有结构材料疲劳和未检出的其他失效。 恒定湿热加速试验 概述由于器件在工艺、结构、封装上的特点，其在温度、湿度作用下可能会出现诸如粘附、应力等可靠性等问题。本试验是针对温度、湿度作用的加速试验。表中不包括的条件可参照 的方法。 目的温度与湿度环境可能会造成器件内部湿度提高，或者使塑料封装等材料含水量增高，从而可能造成器件失效或者在其他载荷作用下产生失效。本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在温度、湿度环境下的可靠性，试验对象为在一定温度和湿度环境下工作的器件。 设备试验设备包括一台能工作在规定温度、湿度下工作的温湿度试验箱和 中的相关设备。 程序 试验箱的维护和初始处理应对温湿度试验箱的结构、负载、监测位置和气流进行必要的设计和调整，从而保障监测到的温度、湿度达到要求。试验计时开始前应保留足够的升温、加湿时间，以保证所有待测样品温度、湿度尽量均匀。 试验条件和试验时间表规定了最低试验温度与最低试验湿度，温湿度试验箱中所有的待测器件均应达到该温度、湿度。若无其他规定，试验时间应不小于 。宜采用试验条件。表恒定湿热加速试验条件试验条件最低试验温度最低试验相对湿度 样品检验的准备工作试验后立即取出器件，在标准环境中自然散热和散湿 ，一般湿度试验应在 内完成测试，如需延长放置时间，应将样品保存在密封袋中，可以延长至 ，然后在标准试验条件下进行测试。犌犅犜 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的检测码判定器件是否失效；）采用红外光学检测，若器件内部有粘附等现象，即判定器件失效；）采用光成像检测，若器件内部有粘附等现象，即判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。 高压湿热试验 概述由于器件的工艺、结构和封装特点，其在温度、湿度作用下可能会出现诸如粘附、大应力等可靠性问题。将处于不带电工作状态的待测器件放置于规定的温度、湿度、压力环境中可以极大地加速温度、湿度的作用。本试验是比恒定湿热加速试验（见 ）更快的加速方案。 目的本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在温度、湿度环境下的可靠性。 设备试验设备包括一台能工作在规定温度、湿度、气压下工作的加压温湿度试验箱和 中的相关设备。 程序 试验箱的维护和初始处理应对温湿度试验箱的结构、负载、监测位置和气流进行必要的设计和调整，从而保障监测到的温度、湿度、气压达到要求。试验计时开始前保留足够的升温、加湿、加压时间，以保证所有待测样品温度、湿度尽量均匀，且压力不会突变。 试验条件和试验时间表规定了最低试验温度、湿度、压力，在加压温湿度试验箱中所有的待测器件均应达到该温度、湿度，若无其他规定，试验时间应不小于 。宜采用试验条件。表高压湿热试验条件试验条件最低试验温度最低试验相对湿度最低试验压力 样品检验的准备工作试验后器件在标准环境中自然散热和散湿 ，一般湿度试验应在 内完成测试，如需延犌犅犜 长放置时间，应将样品保存在密封袋中，可以延长至 ，然后在标准试验条件下进行测试。 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的检测码判定器件是否失效；）采用红外光学检测，若器件内部有粘附等现象，即判定器件失效；）采用光成像检测，若器件内部有粘附等现象，即判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。 机械试验 机械冲击试验 概述由于器件在工艺、结构和封装上的特点，其在高冲击下可能会出现断裂、粘附等可靠性问题。考虑到器件具有在某一方向上对冲击敏感的特征，因此试验的冲击方向应尽量和敏感方向相同。 目的冲击有可能造成器件发生结构断裂、碎屑或粘附等失效。本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在较高冲击和高冲击下的可靠性。 设备试验设备包括一台能够达到规定加速度值、脉冲宽度的冲击台和 中的相关设备。 程序 试验设备的维护和初始处理将冲击台安装在牢固的固定台面上，并应将设备调至水平。所有冲击台均应配有可在犡、犢、犣和犡、犢、犣六个方向调整的夹具。通常夹具应为金属制作，如钢、铜、铝等，并用螺栓固定在冲击台上。冲击试验前应使用冲击台装载夹具后进行预冲击，并应调整设备参数使测量得到的参数满足规定值后再加载器件进行冲击。 试验顺序器件在犡、犢、犣和犡、犢、犣共六个方向上依次承受规定的冲击次数、冲击加速度和脉冲宽度。 试验条件表规定了机械冲击试验条件。冲击台应配有监测加速度值的加速度传感器，测量脉冲宽度需测量上升到 峰值和下降到 峰值的时间。加速度值的实测值应在规定值的以内；脉冲宽度的实测值在规定值的以内。试验次数应不少于次，可进行多犵值试验。试验后可立即对器件进行测试。宜使用试验条件、。如果待测器件在储运、组装和应用过程中受到的冲击可控，则可以使用低于的试验条件。表中不包括的条件可参照 ，方法 。犌犅犜 表机械冲击试验条件试验条件加速度值脉冲宽度 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的检测码判定器件是否失效；）采用红外光学检测，若器件内部有断裂、碎屑、粘附等现象，即判定器件失效；）采用光成像检测，若器件内部有引线脱落、断裂、碎屑、粘附等现象，即判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。 随机机械振动试验 概述由于器件在工艺、结构、封装上的特点，其在长期振动下可能会出现疲劳、碎屑转移等可靠性问题。考虑到器件往往具有在某一方向上对振动敏感的特征，而碎屑的移动往往也在某一方向上比较容易出现，因此试验的振动方向应尽量平衡上述两个敏感方向。 目的振动环境可能造成器件发生碎屑移动和疲劳，最终造成失效。本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在长期振动下的可靠性。 犌犅犜 设备试验设备包括一台能够达到规定振动频率范围、功率谱密度、均方根加速度的振动台和 中的相关设备。 程序 试验箱的维护和初始处理将振动台安装在牢固的固定台面上，并应将设备调至水平。所有振动台均应配有可在犡、犢、犣三个方向调整的夹具。通常夹具应为金属制作，钢、铜、铝等材料均可以，并用螺栓固定在振动台上。 试验顺序器件在犡、犢、犣共三个方向上承受规定的振动时间，振动犵值和频率。 试验条件和试验时间按表规定的试验条件进行振动试验。振动台应配有监测犵值和振动频率的传感器。均方根加速度的实测值与规定值的误差应不超过，频率的实测值与规定值的误差应不超过。应使用相应的分析软件或计算软件换算频率范围、功率谱密度、均方根加速度。试验时间应不少于。试验后可立即对器件进行测试。宜使用试验条件。表随机机械振动试验试验条件频率范围功率谱密度（）均方根加速度 犌犅犜 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的检测码判定器件是否失效；）通过红外光学检测，若器件内部有碎屑等现象，即可判定器件失效；）通过光成像检测，若器件内部有碎屑等现象，即可判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。 耦合试验 湿热冲击耦合试验 概述由于器件在工艺、结构、封装上的特点，其在温度、湿度和冲击下耦合作用可能更易出现粘附等可靠性问题，因此应进行耦合试验。但考虑到某些器件具有开放性的封装，其存储和工作环境受到一定限制，因此在 中除立即试验外增加了可以进行散湿的规定。 目的本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在温度、湿度和冲击下耦合作用的可靠性。 设备试验设备为 规定的设备， 规定的设备，见表。 程序 试验设备的维护和初始处理试验设备的维护和初始处理按 和 的规定。 试验顺序首先进行恒定湿热加速试验，之后立即进行机械冲击试验。机械冲击试验遵循 规定的试验顺序。如果待测器件具有明确的散热和散湿需求，可让器件在恒定湿热加速试验后，在标准环境中自然散热和散湿 ，湿度试验应在 内完成测试，如需延长放置时间，应将样品保存在密封袋中，可以延长至 ，然后进行机械冲击试验。 试验条件和试验时间恒定湿热加速试验按 规定的试验条件和试验时间；机械冲击试验遵循 规定的试验条件；耦合试验可以从两组条件中选取进行组合，恒定湿热加速试验条件宜选取，机械冲击试验条件宜选取，见表。 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的检测码判定器件是否失效；）采用红外光学检测，若器件内部有断裂、碎屑、粘附等现象，即判定器件失效；）采用光成像检测，若器件内部有引线脱落、断裂、碎屑、粘附等现象，即判定器件失效。 犌犅犜 如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。 高温振动耦合试验 概述由于器件在工艺、结构、封装上的特点，其在高温和振动耦合作用下可能更易出现粘附等可靠性问题，因此应进行耦合试验。 目的本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在温度和振动耦合作用下的可靠性。 设备试验设备为 规定的设备， 规定的设备。 程序 试验设备的维护和初始处理试验设备的维护和初始处理按 和 的规定。 试验顺序高温贮存试验和随机机械振动试验同时进行。随机机械振动试验遵循 规定的试验顺序。 试验条件和试验时间高温贮存试验遵循 规定的试验条件和试验时间，随机机械振动试验遵循 规定的试验条件。耦合试验可以从两组条件中选取进行组合，高温贮存试验条件宜选取，随机机械振动试验条件宜选取，见表。 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的检测码判定器件是否失效；）采用红外光学检测，若器件内部有断裂、碎屑、粘附等现象，即判定器件失效；）采用光成像检测，若器件内部有引线脱落、断裂、碎屑、粘附等现象，即判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。 低温振动耦合试验 概述由于器件在工艺、结构、封装上的特点，其在低温和振动耦合作用下可能更易出现粘附等可靠性问题，因此应进行耦合试验。 目的本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在温度和振动耦合作用下的可靠性。 设备试验设备为 规定的设备， 规定的设备。 犌犅犜 程序 试验设备的维护和初始处理试验设备的维护和初始处理遵循 和 的规定。 试验顺序低温贮存试验和随机机械振动试验同时进行。随机机械振动试验遵循 规定的试验顺序。 试验条件和试验时间低温贮存试验遵循 规定的试验条件和试验时间，随机机械振动试验遵循 规定的试验条件。耦合试验可以从两组条件中选取进行组合，低温贮存试验条件宜选取，随机机械振动试验条件宜选取，见表。 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定为失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的检测码判定器件是否失效；）通过红外光学检测，若器件内部有断裂、碎屑、粘附等现象，即可判定器件失效；）通过光成像检测，若器件内部有引线脱落、断裂、碎屑、粘附等现象，即可判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，用以确定是否有未检出的其他失效。 湿热振动耦合试验 概述由于器件在工艺、结构、封装上的特点，其在湿热和振动耦合作用下可能更易出现粘附等可靠性问题，因此需要进行耦合试验。 目的本试验在器件不带电工作的情况下确定器件在湿热和振动耦合作用下的可靠性。 设备试验设备为 规定的设备， 规定的设备。 程序 试验设备的维护和初始处理试验设备的维护和初始处理遵循 和 的规定。 试验顺序恒定湿热加速试验和随机机械振动试验同时进行。随机机械振动试验遵循 规定的试验顺序。 试验条件和试验时间恒定湿热加速试验遵循 规定的试验条件和试验时间；随机机械振动试验遵循 犌犅犜 规定的试验条件。耦合试验可以从两组条件中选取进行组合，低温贮存试验条件宜选取，随机机械振动试验条件宜选取，见表。 失效判据根据不同器件采用相应的功能测试手段，如器件无法实现其指标中的功能即判定失效：）器件如有内置检测电路，可根据内置检测电路获得的检测码判定器件是否失效；）采用红外光学检测，若器件内部有断裂、碎屑、粘附等现象，即判定器件失效；）采用光成像检测，若器件内部有引线脱落、断裂、碎屑、粘附等现象，即判定器件失效。如有必要可进一步进行破坏性物理分析，以确定是否有未检出的其他失效。失效结果处理测试失效定义为性能参数不符合测试的器件规范。任何由于环境测试导致的外部物理破坏的器件也应被认为是失效的器件。如果失效的原因被厂商和使用者认为是非正确运转、静电放电或其他与测试条件不相关的原因，就不对这类失效进行统计，但应作为提交数据上报。 犌犅犜 参考文献 环境试验第部分：试验方法试验 ：恒定湿热试验 微电子器件试验方法和程序 犌犅犜