文 | 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所 孫玉玉 陸彬彬 王大兵

基于應(yīng)力調(diào)查分析的環(huán)境應(yīng)力篩選優(yōu)化方法

文 | 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所 孫玉玉 陸彬彬 王大兵

文章針對GJB1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》提供的環(huán)境應(yīng)力篩選方法在實際應(yīng)用中的篩選能力不足的問題，介紹了一種基于應(yīng)力調(diào)查分析的優(yōu)化方法，通過在加固計算機(jī)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，證明此方法對提高產(chǎn)品缺陷篩選剔除率具有非常明顯的作用。

環(huán)境應(yīng)力篩選；優(yōu)化；加固計算機(jī)

自上世紀(jì)80年代初，環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)在我國得到應(yīng)用，取得了較好的效果，特別是國軍標(biāo)GJB1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[1]的頒布以及國內(nèi)對環(huán)境應(yīng)力篩選認(rèn)識的提高，ESS在我國軍工產(chǎn)品的研制生產(chǎn)中應(yīng)用日趨廣泛，對于提高我國軍工產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性起到了十分重要的作用。

1.述

目前環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)主要有三種，常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)、定量環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)及高加速環(huán)境應(yīng)力篩選[2]。由于定量環(huán)境應(yīng)力篩選及高加速環(huán)境應(yīng)力篩選在我國目前均沒有大規(guī)模開展，因此本文所提到的環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)是指GJB1032提供的常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)。

1.1.術(shù)背景

基于GJB1032-1990的常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選是一得以廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)，已有一套成熟的標(biāo)準(zhǔn)支持。根據(jù)相關(guān)要求，我單位的所有產(chǎn)品均要進(jìn)行全數(shù)的模塊級、單元級和分機(jī)級的環(huán)境應(yīng)力篩選。篩選條件按照GJB1032-90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》的要求在生產(chǎn)階段對于全數(shù)試驗按照簡化方案至少進(jìn)行40小時的篩選，這40小時必須是產(chǎn)品連續(xù)無故障工作時間。目前我單位產(chǎn)品的單元級、分機(jī)級環(huán)境應(yīng)力參數(shù)見表1所示。

但是，由于所有產(chǎn)品單元級、分機(jī)級篩選采用相同的激發(fā)條件和方法，沒有具體考慮產(chǎn)品不同的類型、結(jié)構(gòu)及自身的特點，采取有針對性的激發(fā)條件和方法，造成產(chǎn)品在經(jīng)過三級篩選后，依舊存在著效果不佳的情況。雖然篩選過程中能激發(fā)出部分制造、工藝等方面的缺陷，但總體來說，產(chǎn)品在現(xiàn)用篩選方法中缺陷排除率相對較低，在使用過程中依然不時地出現(xiàn)早期失效。這種情況的出現(xiàn)，一方面增加了產(chǎn)品的保障費用和生產(chǎn)成本，另一方面，不能保證提交用戶產(chǎn)品的可靠性，降低了產(chǎn)品的競爭力。

為了提高我單位產(chǎn)品單元級、分機(jī)級篩選缺陷剔除率，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力，開展了針對某型加固計算機(jī)的基于應(yīng)力調(diào)查分析的篩選優(yōu)化。

2.于應(yīng)力調(diào)查的常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選優(yōu)化分析

需要指出的是，篩選的有效性取決于產(chǎn)品對振動和熱的響應(yīng)特性，并不是單純由振動輸入和熱輸入確定的，因此，應(yīng)當(dāng)

表1.用篩選循環(huán)參數(shù)

在充分了解與產(chǎn)品設(shè)計極限和工作極限等有關(guān)的振動特性和熱特性后再調(diào)整篩選應(yīng)力[2]?；谝陨系脑瓌t，在開展優(yōu)化工作之初，首先與產(chǎn)品電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計人員共同完成現(xiàn)用篩選模式下，產(chǎn)品內(nèi)部相關(guān)部件的對熱應(yīng)力響應(yīng)、振動應(yīng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)及各部分應(yīng)力變化數(shù)據(jù)的調(diào)查；分析出現(xiàn)用篩選方法的篩選能力；收集該型產(chǎn)品在以往篩選過程中激發(fā)的故障數(shù)據(jù)及提交用戶后的使用故障數(shù)據(jù)，并綜合分析兩種數(shù)據(jù)，確定出現(xiàn)用戶故障數(shù)據(jù)是否有早期失效、現(xiàn)用篩選方法篩選能力是否有提升的空間，與相關(guān)設(shè)計人員協(xié)同研究并提出優(yōu)化方法，采用優(yōu)化后的方法進(jìn)行該型產(chǎn)品的篩選驗證，收集篩選數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，判斷優(yōu)化方法能否最大程度地將提交用戶后的早期失效在篩選過程中加以激發(fā)、排除。具體流程圖見圖1。

圖1.于應(yīng)力調(diào)查加固計算機(jī)篩選方法優(yōu)化流程圖

3.于應(yīng)力調(diào)查分析的篩選優(yōu)化方法

3.1.施方法

以我單位某型加固計算機(jī)為對象，通過應(yīng)力調(diào)查，采集該型加固計算機(jī)內(nèi)部的應(yīng)力響應(yīng)及分布變化等數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)用篩選方法的篩選能力；綜合收集到的該型加固計算機(jī)在篩選中及提交用戶后的故障數(shù)據(jù)，研究并提出優(yōu)化方法，通過一定量的該型加固計算機(jī)進(jìn)行驗證。判斷該優(yōu)化方法是否滿足要求。

3.2.型加固計算機(jī)篩選應(yīng)力響應(yīng)測量、采集、分析方法研究

環(huán)境應(yīng)力篩選是通過施加加速環(huán)境應(yīng)力，在最短的時間內(nèi)析出最多的可篩選缺陷。其目的是找出產(chǎn)品中的潛在缺陷[2]。其加速作用是通過施加高于正常執(zhí)行任務(wù)時遇到的環(huán)境應(yīng)力來實現(xiàn)的。

根據(jù)該型加固計算機(jī)的熱學(xué)及力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，結(jié)合用戶故障數(shù)據(jù)，分別針對篩選過程中的振動輸入及熱輸入，在該型加固計算機(jī)內(nèi)部相關(guān)區(qū)域布置監(jiān)測傳感器，收集其振動響應(yīng)數(shù)據(jù)及熱響應(yīng)數(shù)據(jù)，完成其內(nèi)部相關(guān)區(qū)域的溫度應(yīng)力及振動應(yīng)力變化、分布圖，實現(xiàn)其內(nèi)部相關(guān)區(qū)域的熱學(xué)及力學(xué)響應(yīng)特性分析及篩選能力定量評估。

3.2.1.度應(yīng)力的測量、采集

在開始溫度應(yīng)力響應(yīng)測量、采集之前，首先，針對該型加固計算機(jī)不同的使用配置，確定出需要測量、采集溫度應(yīng)力的插件板、聯(lián)接件，采集傳感器的類型，安裝安式、響應(yīng)應(yīng)力的采集頻率、采集時間及傳感器連接方式等事項。與設(shè)計部門技術(shù)人員討論、完善后作為溫度類應(yīng)力響應(yīng)測量、采集的作業(yè)指導(dǎo)書。既要保證應(yīng)力采集的準(zhǔn)確性、全面性，同時又要保證受試設(shè)備、采集儀器的安全。

3.2.2.動類應(yīng)力的測量、采集

在開始振動類應(yīng)力響應(yīng)測量、采集之前，同樣，針對該型加固計算機(jī)不同的使用配置，確定出需要測量、采集振動類應(yīng)力的插件板、聯(lián)接件，采集傳感器的類型，安裝安式、采集時間及傳感器連接方式等事項，由于篩選采用的是隨機(jī)振動，是一種不能用時間的確定函數(shù)來描述的振動形式[3]，為了保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，必須在采集時遵循一定的法則并采取一些技術(shù)措施，以確保獲取數(shù)據(jù)的真實可信。同樣，需與設(shè)計部門相關(guān)技術(shù)人員共同商討、完善后作為振動類應(yīng)力響應(yīng)測量、采集的作業(yè)指導(dǎo)書。

3.2.3.應(yīng)應(yīng)力分析

將采集到的溫度類、振動類響應(yīng)應(yīng)力按插件板、聯(lián)接件分別完成最大響應(yīng)應(yīng)力、最小響應(yīng)應(yīng)力、各響應(yīng)應(yīng)力持續(xù)時間、響應(yīng)應(yīng)力變動幅度、響應(yīng)應(yīng)力變化速率等參數(shù)的分析計算。將分析計算結(jié)果與設(shè)計部門的技術(shù)人員進(jìn)行交流，確認(rèn)是否有過設(shè)計的響應(yīng)應(yīng)力存在。定量的完成各相關(guān)部件的響應(yīng)應(yīng)力分布、變化及該型加固計算機(jī)內(nèi)部的應(yīng)力分布、變化處理結(jié)果。

3.3.選效果綜合評估方法研究

環(huán)境應(yīng)力篩選的目的是通過施加一種或幾種規(guī)定的應(yīng)力，將制造過程中引入產(chǎn)品的各種潛在缺陷在出廠前以硬件故障的形式暴露出來并加以剔除，以防止其交付后在使用環(huán)境中變成故障，降低產(chǎn)品的使用可靠性[2]。因此，交付使用后早期失效率的高低是環(huán)境應(yīng)力篩選效果的評判依據(jù)之一。

收集該型加固計算機(jī)在使用過程中的故障數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析出故障多發(fā)部件、故障表現(xiàn)形式、故障原因等數(shù)據(jù)；同時收集其在試驗室篩選過程中產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析出故障多發(fā)部件、故障表現(xiàn)形式、故障原因等。對兩類故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷出試驗室篩選主要缺陷激發(fā)類型及缺陷激發(fā)不足的部件。結(jié)合應(yīng)力響應(yīng)測量、采集、分析方法研究給出的定量分析結(jié)果，綜合定性得出現(xiàn)用篩選方法綜合篩選效果。具體見流程圖2。

3.4.選優(yōu)化方法

圖2.固計算機(jī)篩選效果綜合評估流程圖

環(huán)境應(yīng)力篩選的目標(biāo)是通過對產(chǎn)品施加一定的應(yīng)力，使產(chǎn)品中本來會在壽命早期在使用環(huán)境應(yīng)力作用下以早期故障形式暴露出來的潛在缺陷提前在出廠前暴露出來并加以排除，從而使交付的產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計規(guī)定的可靠性水平。因此篩選的優(yōu)化是以產(chǎn)品設(shè)計定型的可靠性水平做為目標(biāo)。

根據(jù)評估的該型加固計算機(jī)綜合篩選效果，與設(shè)計部門的技術(shù)人員協(xié)作，以其響應(yīng)應(yīng)力實測分析結(jié)果為依據(jù)，各部件設(shè)計的極值為目標(biāo)，利用應(yīng)力測量分析技術(shù)為手段，對其用戶故障多發(fā)部件加大應(yīng)力，同時，避免響應(yīng)應(yīng)力較大的部件出現(xiàn)過應(yīng)力的情況，分別對傳統(tǒng)篩選方法的溫度應(yīng)力、振動應(yīng)力及綜合篩選效果進(jìn)行優(yōu)化。采用閉環(huán)的方式得出在篩選效率、篩選效果、篩選費用等方面最佳的優(yōu)化方案。

3.5.固計算機(jī)篩選優(yōu)化方法驗證

優(yōu)化后的環(huán)境應(yīng)力篩選方法不僅應(yīng)當(dāng)在最短的時間內(nèi)析出最多的可篩選缺陷，同時又不能損壞好的部分或引入新的缺陷。因此，優(yōu)化后的篩選方法必須經(jīng)過驗證。

通過加固計算機(jī)應(yīng)力響應(yīng)實測分析技術(shù)，對篩選優(yōu)化方法的響應(yīng)應(yīng)力進(jìn)行測量，分析，以篩選實測時傳感器的布點為依據(jù)。采集優(yōu)化方法的各測量點的響應(yīng)應(yīng)力。完成優(yōu)化方法各部件的溫度應(yīng)力及振動應(yīng)力變化、分布數(shù)據(jù)及定量的評估結(jié)果。并完成優(yōu)化篩選后加固計算機(jī)的可靠性驗證試驗，評價可靠性是否滿足鑒定指標(biāo)。

表2.選優(yōu)化后循環(huán)參數(shù)

4.用及效果

目前使用的篩選方案溫度變化速率為5℃/min，由于該型加固計算機(jī)外表鑄件，近乎于密封，經(jīng)測量設(shè)備內(nèi)部的溫度變化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5℃/min，只有1℃/min～3℃/min，只有整機(jī)外表面是在進(jìn)行5℃/min溫度循環(huán)；且設(shè)備內(nèi)部遠(yuǎn)沒有達(dá)到篩選規(guī)定的上、下限極限溫度，對于設(shè)備內(nèi)部各功能部件其實是在進(jìn)行高溫試驗和低溫試驗。篩選的作用被大大減弱了，沒有起到篩選的作用。

根據(jù)溫度循環(huán)篩選度計算模型公式[4]：

篩選度 ss=1-exp{-0.0017(R+0.6)0.6[ln(e+V)]3n}

式中， 為溫度變化范圍； 為溫度變化速率； 為循環(huán)次數(shù)；為自然對數(shù)的底?？芍瑴囟缺貢r間在篩選度公式中沒有出現(xiàn)，對溫度循環(huán)篩選度沒有直接作用，因此只要加固計算機(jī)內(nèi)部達(dá)到溫度穩(wěn)定即可。再者由于加固計算機(jī)外表面為鑄件，可以承受較高的溫度，可以考慮減少保溫時間，增加溫度范圍，同時利用特定遮擋板改變局部的循環(huán)風(fēng)向，加強(qiáng)篩選薄弱部件的風(fēng)速，增強(qiáng)篩選能力，減弱響應(yīng)應(yīng)力較強(qiáng)部件的循環(huán)風(fēng)速等措施后。經(jīng)過多次應(yīng)力實測分析，經(jīng)設(shè)計部門技術(shù)人員討論，最終的優(yōu)化后溫度循環(huán)參數(shù)見表2。

同樣根據(jù)隨機(jī)振動篩選度計算模型公式[4]：

篩選度 ss=1-exp(-0.0046(Grms)1.71t)

可見對隨機(jī)振動篩選度起作用的主要是均方根加速度Grms和振動時間t。但經(jīng)過對加固計算機(jī)的隨機(jī)振動響應(yīng)實測發(fā)現(xiàn)，雖然機(jī)箱外表面的振動響應(yīng)應(yīng)力為6.06Grms,但其內(nèi)部插件板的響應(yīng)應(yīng)力大于6.06Grms。因此只能考慮增加振動時間。另一方面，由于加固計算機(jī)內(nèi)部不是所有的插件板都是一個方向安裝，即使一個方向安裝的插件板也由于其元器件不是同方向安裝，因此考慮可以增加振動軸向。經(jīng)過多次應(yīng)力調(diào)查分析，經(jīng)與設(shè)計部門技術(shù)人員討論，最終優(yōu)化確定的隨機(jī)振動參數(shù)見表2。

采用以上的篩選參數(shù)，到目前為止，已有近百臺的該型加固計算機(jī)采用優(yōu)化后的篩選方法進(jìn)行了出廠前的環(huán)境應(yīng)力篩選。近一年來的用戶數(shù)據(jù)收集，早期失效故障同比大幅度減少。同時，先后進(jìn)行了四次可靠性驗證試驗，試驗過程中受試樣機(jī)均沒有發(fā)生故障，其MTBF真值的單邊置信下限值均達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)值。因此，在不改變失效機(jī)理的前提下，通過有針對性的應(yīng)力調(diào)查分析，增加應(yīng)力強(qiáng)度，對于改變目前常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選能力不足的問題，是一種可以考慮的方案。

[1]GJB1032,電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法[S]，1990

[2]祝耀昌，環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)及其應(yīng)用和發(fā)展綜述[J].航天器環(huán)境工程，2007，24（4）：191-193

[3]戴詩亮，隨機(jī)振動試驗技術(shù)[M]，清華大學(xué)出版社，1984

[4]何國偉，戴慈莊，可靠性試驗技術(shù)[M]，國防工業(yè)出版社，1995

The Optimization Method for Environmental Stress Screening Based on the Stress Investigation and Analysis

As for the deficiencies in the application of the environmental stress screening by GJB1032《Environmental stress screening process for electronic products》,this essay aims to introduce an optimization method for environmental stress screening based on the investigation and analysis. This method has proved quite effective in improving efficiency of screening return rate for product defects, by means of ruggedized computer the application to the practical use.

environmental stress screening；optimization；ruggedized computer

孫玉玉 男 1980年生，山東招遠(yuǎn)人，中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所檢測中心工程師，長期從事電子設(shè)備可靠性工作。