牛鑫，宋清山，王賓，劉冰洋

（總參信息化部駐新鄉(xiāng)地區(qū)軍事代表室，河南 新鄉(xiāng) 453006）

0 引言

環(huán)境應力篩選 （ESS）是指通過向電子產(chǎn)品施加一定的環(huán)境應力和電應力，將其內部的潛在缺陷加速變成故障，并加以發(fā)現(xiàn)和排除的過程，是一種工藝手段。它能夠發(fā)現(xiàn)和排除不良元器件、制造工藝和其他原因引起的早期故障，是裝備研制和生產(chǎn)過程中一項非常重要的工作。GJB 450A-2004將其作為裝備研制和生產(chǎn)過程重要的可靠性工作項目（工作項目401）之一，GJB 899A-2009的4.6節(jié)中明確地提出 “可靠性試驗之前，受試產(chǎn)品應完成環(huán)境應力篩選”。將ESS用于裝備生產(chǎn)，能夠有效地加快生產(chǎn)進度、降低返修費用、提高備件有效性，確保裝備戰(zhàn)備完好性。將ESS用于研制過程，能夠有效地縮短設計研制周期。美國工業(yè)界硬件研制中積累的可篩選缺陷數(shù)據(jù)表明，研制過程中可篩選缺陷引起的故障約占總故障數(shù)的90%，為使硬件設計和研制工作有效地進行，必須使用環(huán)境應力篩選來減少或消除設計問題。

1 環(huán)境應力篩選方法

環(huán)境應力篩選起源于電子設備制造過程中常用的老練 （老化）和敲擊等工藝。1979年美國海軍率先發(fā)布電子產(chǎn)品環(huán)境應力篩選大綱，在此后的30多年中，ESS應用越來越廣泛，已逐漸地形成了一些通用工藝手段。

1.1 環(huán)境應力篩選的類型

ESS可分為常規(guī)篩選、定量篩選和高加速篩選3種類型。

a）常規(guī)篩選

常規(guī)篩選是目前應用最廣泛的篩選方法，它以剔除早期故障為目標，不要求篩選結果與產(chǎn)品可靠性目標和成本閾值建立定量關系。典型的常規(guī)篩選標準有GJB 1032-90《電子產(chǎn)品環(huán)境應力篩選方法》[1]（對應美軍標準MIL-STD-2164（1985））、QJ 3138-2001《航天產(chǎn)品環(huán)境應力篩選指南》[2]、HB/Z 213-1992《電子設備環(huán)境應力篩選指南》[3]（對應IES（1990）組件環(huán)境應力篩選指南）和美軍標MIL-HDBK-2164A《電子設備環(huán)境應力篩選工序》[4]等。這些標準已經(jīng)在工程實踐中得到廣泛的應用，對提高產(chǎn)品可靠性發(fā)揮了重要作用。

b）定量篩選

定量篩選主要參考GJB/Z 34-1993《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應力篩選指南》[5]和MIL-HDBK-344A（1993） 《電子設備環(huán)境應力篩選》[6]這兩個標準。定量篩選要求篩選效果和成本與產(chǎn)品的可靠性目標、現(xiàn)場故障修理費用之間建立定量關系。定量篩選要對引入缺陷密度、篩選檢出度、殘留缺陷密度這3個變量進行評估。采用定量篩選的好處是能夠根據(jù)產(chǎn)品的結構特點和可靠性要求，適當?shù)卣{整篩選組裝等級和篩選應力，而且篩選后產(chǎn)品的可靠性水平與可靠性要求能夠保持一致。定量篩選的約束條件較多，如計算引入缺陷密度和殘留缺陷密度、評估篩選檢出度等，需要經(jīng)驗豐富的ESS專家，以及元器件缺陷率和工藝缺陷率等基礎數(shù)據(jù)。

c） 高加速應力篩選 （HASS）

HASS采用遠大于常規(guī)ESS的應力，加速產(chǎn)品缺陷的暴露，所需的時間比常規(guī)ESS短得多。20世紀80年代后期，美國的Gregg K.Hobbs在強化設計和增強ESS理論的基礎上提出了高加速壽命（HALT） 和高加速應力篩選 （HASS） 概念[7]， 并于1990年創(chuàng)辦了QualMark公司，專門從事HALT和HASS試驗設備制造。此后的30年間，HASS因其 “加速”特性而逐漸地被波音、惠普、福特等大型企業(yè)所接受。國內也有多家院校和研究所對HASS/HALT進行技術跟蹤，并進行過多項強化試驗，國內還頒布了GJB 5103-2004《彈藥元件加速壽命試驗方法》等HALT標準，但目前還沒有一個能夠被廣泛接受的HASS標準。

1.2 環(huán)境應力篩選應力

典型的環(huán)境應力篩選應力有：恒定高溫、溫度循環(huán) （可細分為慢速溫變和快速溫變）、溫度沖擊和掃頻振動、隨機振動，以及組合應力等。眾所周知，溫度循環(huán)加隨機振動的組合方法的篩選效果最好，但其費用也是最高的。GJB 1032-90和GJB/Z 34-1993中對各種篩選方法的介紹非常詳細，本文不再細述。

1.3 被篩選對象的組裝等級

ESS可以在元器件、組件、單元或設備 （系統(tǒng)）4個產(chǎn)品組裝等級上進行，由于任何一級組裝和加工都會產(chǎn)生新的引入缺陷，因此，為徹底消除早期故障，任何一級上的篩選都不能代替高一等級上進行的篩選。在每個產(chǎn)品組裝等級上均安排ESS，在費用和生產(chǎn)周期上往往是不現(xiàn)實的，這就需要在設計ESS大綱時科學、合理地確定被篩選對象的組裝等級。

2 環(huán)境應力篩選效果驗證

ESS具有工藝性、加速性、非通用性和動態(tài)性這四大特性。不同結構的產(chǎn)品應當有其特有的篩選方案。為了驗證承制單位傳統(tǒng)篩選方法的效果，筆者組織了驗證試驗。

2.1 驗證方案

承制單位的傳統(tǒng)篩選方法為：45℃中溫老化120 h，之后進行高、低溫摸底 （各一天）。

驗證試驗方案為：在完成傳統(tǒng)篩選后，抽取6部整機，按GJB 1032-90附錄D提供的簡化方案實施無故障檢測驗證。驗證試驗采用10個周期的溫度循環(huán)，4 h/周期，溫度變化率7℃/min，低溫最后30 min加電，高溫結束時斷電，高溫和低溫最后30 min檢測。試驗曲線如圖1所示。

圖1 環(huán)境應力篩選驗證試驗程序

2.2 篩選效果的理論分析

2.2.1 篩選效果的度量

GJB/Z 34-1993在介紹定量篩選方法的過程中引入了篩選檢出度和篩選度。篩選度的定義為：產(chǎn)品中存在對某一特定篩選敏感的潛在缺陷時，該篩選將該缺陷以故障形式析出的概率。從定義上看，篩選度反映的是故障與篩選應力的相關性，而與采取常規(guī)篩選還是定量篩選無關。因此，篩選度可以作為篩選效果的參考數(shù)據(jù)。

2.2.2 傳統(tǒng)篩選方法的篩選度

承制單位的傳統(tǒng)篩選可以分解恒溫篩選和慢溫變 （或55℃恒溫）兩次篩選。根據(jù)GJB/Z 34-1993中4.2.1.1.3中的公式和4.2.1.2.3公式計算如下：

a）恒溫篩選度

公式為：

式 （1）中：R——溫度變化范圍，假設室溫25℃，則R=45-25=20℃；

T——高溫持續(xù)時間，T=120 h。

將R和T的值代入式 （1），得到SS1=0.7144。

b） 慢溫變篩選度

公式為：

式 （2）中：R——溫度變化范圍，R=55-（-40）=95℃；

V——溫度變化速率，按4 h計，V=95/4/60=0.40℃/min；

N——循環(huán)次數(shù)，N=1。

將R、V、N的數(shù)值代入式 （2），得到SS2=0.04。

c）55℃恒溫的篩選度

將R=30℃、T=24 h代入公式后，得到SS2=0.27。

d）總篩選度

假設篩選出的故障經(jīng)修復后不再出現(xiàn) （未引入新的缺陷），也就是檢出及修復，那么高低溫摸底過程可以看作是對恒溫篩選殘留缺陷的篩選。此時，總的篩選度為：

按恒溫篩選和慢溫變的計算，傳統(tǒng)篩選的篩選度約為72%；

按45℃和55℃兩次恒溫計算，傳統(tǒng)篩選的篩選度約為79%。由于低溫摸底未計入，實際的篩選度可能會略高。

2.2.3 GJB 1032-90中標準篩選方法的篩選度

GJB 1032-90提供了一種溫度循環(huán)加隨機振動的常規(guī)篩選方法，僅考慮溫度循環(huán)時，篩選度公式同公式 （2）。

按產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的試驗溫度條件，可得到R=95℃；

按溫度變化速率范圍為5～10℃/min，循環(huán)次數(shù)N=10；

將上述參數(shù)代入公式 （2），得到篩選度為：SStol=0.893～0.987。

如果將篩選驗證試驗也看作一次篩選，將各參數(shù)代入公式 （2），得到篩選度為：SStol=0.95。

2.3 篩選效果的比較

從篩選度計算結果可以看出，傳統(tǒng)篩選工藝的篩選度僅為80%左右，這也就意味著有20%能夠被檢出的故障仍未被篩選出來，而采取GJB 1032-90中的篩選方法，篩選度能夠達到90%以上。僅以本次驗證試驗所達到的篩選度來看，也比傳統(tǒng)的恒溫篩選效果好。

驗證試驗的真實情況也證實了這種計算結果。雖然6部整機是在通過了傳統(tǒng)老化篩選的基礎上進行的驗證試驗，但在驗證試驗第二周期的低溫試驗中又檢出了一例故障。

3 對環(huán)境應力篩選方案的思考

3.1 快速溫度循環(huán)篩選的局限性

從前文的分析中可以看出，GJB 1032-90中的溫度循環(huán)篩選具有非常高的篩選度，篩選效果非常好。但實踐中一些制約因素限制著這種方法的全面普及。

a）合適的試驗箱較少

溫度循環(huán)所用的試驗箱是快速溫變箱，溫變速度要求達到10℃/min以上，這樣的溫變箱要么費用較高，不易購買；要么體積過小，放不下幾臺整機設備。訂貨數(shù)量較大時，篩選時間會拉得很長，難以滿足進度要求。

b）故障檢測困難

GJB 1032-90中規(guī)定的循環(huán)周期時間最長為4 h，用于裝備測試的時間很短，更來不及排查故障。

c）勞動強度大

GJB 1032-90要求每4 h完成一次測試，本文采用的驗證試驗方法中每2 h要進行一次測試，測試工作量大，不易組織。

d）低溫時未進行加電檢測

只對低溫環(huán)境敏感的故障存在未被檢出的風險，影響篩選檢測效率。

本文提到的恒溫ESS方案雖然篩選度相對較低，但更便于生產(chǎn)組織。由于環(huán)境試驗箱可以做得很大，幾乎不用顧及生產(chǎn)批量的大小，可以在試驗箱 （或試驗房）中一次性地完成整批產(chǎn)品的環(huán)境應力篩選，而且檢測場地和時間比較寬裕，檢測效率高得多。

3.2 組裝等級選擇問題

有一種觀點認為：組裝級別越低，檢出缺陷的成本越低，因此，環(huán)境應力篩選應盡可能地在較低的組裝級別上實施，一些專業(yè)文獻還以國外的修理費用統(tǒng)計數(shù)據(jù)對這種觀點進行支撐。從筆者了解到的情況看，并不是這樣。由于整機裝備中元器件品種多、數(shù)量少，篩選檢測設備的利用率很低，而且隨著器件更新?lián)Q代，檢測設備只有幾年的使用期。為進行元器件篩選，某承制單位每年花費巨額的資金采購集成電路篩選和檢測設備，即便如此，元器件進廠篩選和檢測率也僅能達到70%左右。因此，從整機生產(chǎn)的實踐經(jīng)驗看，元器件級別的篩選費用反而是最高的，不宜在整機廠進行元器件級的篩選。

3.3 環(huán)境應力篩選優(yōu)化

ESS的目標是盡快篩選和剔除早期缺陷，環(huán)境應力的選擇對篩選效果的影響很大，因此，合理地確定篩選應力是制訂ESS方案的首要問題。GJB 1032-90和GJB/Z 34-1993并未刻意強調極限應力的選取問題，實踐中，大多采用工作條件或儲存條件作為篩選應力。1996年頒布的美軍標MILHDBK-2164A較好地解答了環(huán)境應力的取值問題，“圖1篩選流程”明確了ESS工作程序：首先確定裝備環(huán)境應力設計極限，再按極限條件進行篩選。該圖展示的方法與現(xiàn)行的HALT/HASS非常相似，都是要先確定產(chǎn)品設計極限，而這一點正是裝備科研和生產(chǎn)過程的一個薄弱環(huán)節(jié)。在篩選方案的確定上，GJB/Z 34-1993為我們打開了另一扇窗戶，通過評估篩選度可非常便捷地評價和優(yōu)選篩選效果較好的篩選方案，從而為確定最佳篩選方案提供理論支撐。

4 結束語

環(huán)境應力篩選是一個老課題，但仍有許多新情況需要研究，尤其是近年來HALT/HASS迅猛發(fā)展的勢頭與標準法規(guī)匱乏的矛盾日漸突出，加速推進自動測試和數(shù)字化軍檢對保證裝備質量和推進HALT/HASS、GJB 1032-90在更廣的范圍內應用，具有非常重要的意義。

[1]GJB 1032-1990，電子產(chǎn)品環(huán)境應力篩選方法 [S].

[2]QJ 3138-2001，航天產(chǎn)品環(huán)境應力篩選指南 [S].

[3]HB/Z 213-1992，電子設備環(huán)境應力篩選指南 [S].

[4]MIL-HDBK-2164A-1996，電子設備環(huán)境應力篩選工序[S].

[5]GJB/Z 34-1993，電子產(chǎn)品定量環(huán)境應力篩選指南 [S].

[6]MIL-HDBK-344A-1993，電子設備環(huán)境應力篩選 [S].

[7] （美）HOBBS G K.高加速壽命試驗與高加速應力篩選[M].北京：航空工業(yè)出版社，2012.