Life characteristics and failure mechanisms in temperature - humidity - electrical combined stress accelerated life testing

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Life Characteristics and Failure Mechanisms in Temperature–Humidity–Electrical Combined Stress Accelerated Life Testing

Automotive sensor modules must maintain reliability under combined environmental stresses in which temperature, humidity, and electrical bias are simultaneously applied during actual vehicle operating conditions. However, current international and industrial reliability standards are primarily based on single-stress tests, which makes it difficult to represent the interaction between multiple stresses that occur in actual operating environments. This study conducted combined accelerated life testing on hydrogen gas sensor modules by applying multiple temperature–humidity stresses together with electrical bias conditions to examine the resulting life characteristics and failure mechanisms.
Accelerated test durations were derived using the Arrhenius–Peck model, and the experimental results confirmed that degradation progressed more rapidly when high temperature–humidity conditions and continuous electrical bias were applied at the same time. Failures occurred only under specific combined stress conditions, while the other modules continued to operate normally for an extended period, indicating that degradation behavior varies depending on the stress combination. Weibull analysis showed that cumulative degradation under certain combined conditions leads to wear-out-type failures, demonstrating the effect of interactions between the applied stresses.
Failure analysis identified dendrite growth and insulation degradation caused by electrochemical migration (ECM) under high-temperature high-humidity conditions with continuous bias as the primary failure mechanism. Oxidation- and diffusion-induced degradation of Multi-Layer Ceramic Capacitor (MLCC) and structural mechanical deterioration of plated-through holes (PTHs) were also observed.
This study experimentally confirmed that degradation behavior changes significantly depending on the combination of temperature, humidity, and electrical bias, and that single-stress testing alone cannot reproduce the actual failure mechanisms of automotive electronic modules. Furthermore, module-level analysis showed that multiple structural and material failure mechanisms can occur simultaneously under combined stress conditions. These findings highlight the need for combined stress based reliability evaluation methods and provide practical insights for improving structural weak points, selecting suitable materials, and improving lifetime prediction accuracy for sensor modules operating under combined stress environments.

국문 초록 (Abstract)

온도-습도-전기 복합스트레스 기반 가속수명시험 수명특성 및 고장 메커니즘 연구

차량용 센서 모듈은 실제 운용 환경에서 온도, 습도, 전기적 바이어스가 동시에 작용하는 복합 스트레스 하에서 신뢰성을 확보해야 한다. 그러나 기존의 국제 표준 및 산업 표준 신뢰성 시험은 단일 스트레스 기반으로 설계되어 있어, 실제 사용환경에서 발생하는 스트레스의 상호작용을 충분히 반영하지 못한다. 본 연구는 수소가스 센서 모듈을 대상으로 다양한 온·습도 스트레스와 전기 스트레스를 결합한 복합 가속수명시험을 수행하여, 복합 스트레스 하에서의 수명특성과 고장 메커니즘을 규명하고자 하였다.
Arrhenius–Peck 모델을 기반으로 시험시간을 산출하여 가속시험을 수행한 결과, 높은 온·습도 환경 및 지속적인 전기 바이어스가 동시에 작용할 때 센서 모듈의 열화가 가속되는 경향이 확인되었다. 특정 복합 조건에서만 고장이 발생하였으며, 나머지 센서들은 장시간 동안 정상 동작하여 조건 간 열화 차이가 나타났다. 이를 바탕으로 수행한 Weibull 분석에서는 특정 복합 조건에서 열화가 누적되어 wear-out 기반 고장이 발생하며 복합 스트레스의 영향성이 확인되었다.
종합적인 분석 절차를 기반의 고장 분석 결과, 고온·고습 환경에서 지속적 전기 바이어스가 인가될 경우 전기화학적 마이그레이션(ECM)에 의한 덴드라이트 성장 및 절연저하가 주요 고장 메커니즘으로 확인되었다. 또한 MLCC의 산화 및 확산기반의 열화와 PTH의 구조적 기계적 열화도 관찰되었다.
본 연구는 온·습도 전기적 스트레스가 결합된 복합 스트레스 조건에 따라 열화 양상이 크게 달라질 수 있음을 실험적으로 규명하였으며, 자동차용 전장품 신뢰성 평가에서 단일 스트레스 시험만으로는 실제 고장 메커니즘을 충분히 재현하기 어렵다는 점을 확인하였다. 또한 모듈 단위 연구를 통해 다양한 고장메커니즘이 동시에 발생한 것을 확인하였다. 연구 결과는 센서 모듈의 신뢰성 확보를 위해 복합 스트레스 기반 시험 접근법이 필요함을 제시하며, 향후 구조적 취약부 및 재료 선정 개선과 복합스트레스 기반 수명 예측에 중요한 기초자료를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Research Trends 7
• 1.3 Research Objectives 9
• Chapter 2. RESEARCH BACKGROUND 11
• 2.1 Reliability Concepts and Evaluation 11
• 2.2 Weibull Analysis Methodology 12
• 2.3 Reliability Acceleration Models 16
• 2.4 Estimated Failure Mechanisms 19
• Chapter 3. EXPERIMENTAL DETAILS 21
• 3.1 Experimental Design Overview 21
• 3.2 Module Structure & Estimated Failure Mechanisms 22
• 3.3 Environmental Conditions & Operation Modes 26
• 3.4 Combined Stress Test Design 31
• 3.5 Experimental Setup 39
• 3.6 Failure Criteria 46
• Chapter 4. RESULTS AND DISCUSSION 52
• 4.1 Results of Accelerated Combined Stress Tests 52
• 4.2 Weibull Analysis 60
• 4.3 Structural Failure Analysis 62
• 4.4 Discussion 94
• Chapter 5. Conclusion 100