肖 偉，徐 斌

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 310012）

電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選的技術(shù)及實(shí)施辦法

肖 偉，徐 斌

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 310012）

環(huán)境應(yīng)力篩選作為裝備研制、生產(chǎn)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，結(jié)合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選的作用、方法、裁減、實(shí)施辦法等方面進(jìn)行了闡述和論述。通過本文，使企業(yè)能夠了解環(huán)境應(yīng)力篩選的重要性，將此項(xiàng)工作落實(shí)到產(chǎn)品的研制/生產(chǎn)過程中，提高產(chǎn)品的可靠性，從而達(dá)到提升企業(yè)效益。

環(huán)境應(yīng)力篩選；電子產(chǎn)品；可靠性

引言

現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭是高科技的綜合協(xié)同的作戰(zhàn)，而電子產(chǎn)品在戰(zhàn)爭中相當(dāng)于人類的頭腦，作為整個(gè)戰(zhàn)爭中的中樞指揮、通信系統(tǒng)，這對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性的要求是非常的高。

電子產(chǎn)品在企業(yè)的采購、生產(chǎn)、裝配、檢驗(yàn)過程中，都能嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙、工藝文件、檢驗(yàn)規(guī)范的要求進(jìn)行控制。出廠時(shí)，產(chǎn)品也是檢驗(yàn)合格的，但產(chǎn)品用戶使用一段時(shí)間后，暴露出來這樣或者那樣的問題，究其原因是很多廠家忽略了環(huán)境應(yīng)力篩選這一重要的環(huán)節(jié)，不能提前把有缺陷的零部件及生產(chǎn)工藝的問題在企業(yè)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)。因此，應(yīng)當(dāng)把環(huán)境應(yīng)力篩選作為一項(xiàng)重要的可靠性保證措施，在生產(chǎn)中切實(shí)貫徹實(shí)施，避免或盡量減少生產(chǎn)過程造成的可靠性降低。

本論文主要論述電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選的目的、方法，元器件類的篩選不在本文進(jìn)行論述。非電子產(chǎn)品目前國內(nèi)還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，不做闡述。

1 國內(nèi)環(huán)境應(yīng)力篩選的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

由于環(huán)境應(yīng)力篩選的作用比較明顯，國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)在1990年批準(zhǔn)發(fā)布了《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》（即GJB 1032），并在1993年又發(fā)布了《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》，隨后海軍裝備部于2008年發(fā)布了《海軍艦艇裝備用加固計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)大綱》，總裝備部陸軍裝備科研訂購部也于2008年7月發(fā)布了《軍械光電裝備高效環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)施辦法》。

上述的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)都是在GJB 1032的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸、細(xì)化和改進(jìn)。環(huán)境應(yīng)力篩選經(jīng)歷了初始篩選、常規(guī)篩選、定量篩選、高加速應(yīng)力篩選四個(gè)發(fā)展階段。

初始篩選、常規(guī)篩選的相關(guān)要求可以參考GJB 1032來執(zhí)行，定量篩選的相關(guān)要求可以參考GJB Z 34來執(zhí)行，高加速應(yīng)力篩選是一種激發(fā)試驗(yàn)方法，其理論依據(jù)是故障物理學(xué)，它把產(chǎn)品故障或失效當(dāng)作研究的主要對(duì)象，通過激發(fā)、分析和改進(jìn)產(chǎn)品缺陷以達(dá)到提高可靠性的目的。該方法目前國內(nèi)外還沒有標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)正處于探索研究階段，尚未得到實(shí)際應(yīng)用。

2 環(huán)境應(yīng)力篩選與產(chǎn)品的生命周期的關(guān)系

大多數(shù)電子產(chǎn)品的故障率是時(shí)間的函數(shù)，典型故障曲線稱之為浴盆曲線，浴盆曲線是指產(chǎn)品從投產(chǎn)到報(bào)廢為止的整個(gè)全壽命周期。曲線的形狀具體詳見圖1。

一般產(chǎn)品若按設(shè)計(jì)圖紙選料和制造，理想中硬件的強(qiáng)度多為由正常群體所構(gòu)成的單峰分布，然而在實(shí)際制造時(shí)，由于材料、零組件的質(zhì)量不穩(wěn)定，以及制造過程中生產(chǎn)人員素質(zhì)不一、人為疏忽、或突發(fā)狀況等因素造成的工藝水平不良，而產(chǎn)生一些帶有缺陷的產(chǎn)品，在正常群體中混合了一些早夭群體或畸形群體，使產(chǎn)品的強(qiáng)度力分布呈雙峰或多峰分布，如圖2所示。

如果我們把“浴盆曲線”的早夭失效期部分進(jìn)行放大，將會(huì)得到圖3。

通過上圖可以看出，早夭失效期的產(chǎn)品缺陷共分為三類：

1）功能缺陷

此類缺陷是由于生產(chǎn)過程中材料或工藝不良而產(chǎn)生、能夠以一般簡單的功能測試發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷。

2）潛在缺陷

此類缺陷也是由于生產(chǎn)過程中材料或工藝不良而產(chǎn)生，但必須要由外加的應(yīng)力，才能加速使失效提早曝露出來的產(chǎn)品缺陷。

3）可靠性缺陷

此類缺陷在設(shè)計(jì)之初就引入，隨著使用時(shí)間的推移，缺陷暴露的也越多。這類的缺陷只有通過不斷的驗(yàn)證、改進(jìn)才能消除。這類缺陷的改進(jìn)所花費(fèi)的周期、成本是非常巨大的。

圖1 浴盆曲線

圖2 產(chǎn)品失效概率和時(shí)間圖

圖3 早夭失效期放大圖

第一類缺陷在需加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部的工藝控制和檢驗(yàn)力度，能夠在短時(shí)間內(nèi)提升這類缺陷的發(fā)現(xiàn)率。第三類缺陷須依靠改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的可靠性，才能降低其發(fā)生的概率。

第二類的缺陷，如果企業(yè)能根據(jù)自身的工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量水平，制定出切實(shí)有效的環(huán)境應(yīng)力篩選方案，并根據(jù)篩選暴露出來的問題原因，反推設(shè)計(jì)、工藝等方面改進(jìn)，使后期使用的故障提前暴露，從而使出廠的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。這就是環(huán)境應(yīng)力篩選最主要的目的。

3 基本程序

環(huán)境應(yīng)力篩選通過一定的振動(dòng)應(yīng)力、溫度應(yīng)力施加，讓產(chǎn)品提前暴露缺陷，這些是一般的檢驗(yàn)所無法實(shí)現(xiàn)的，因此，環(huán)境應(yīng)力篩選可以看作是質(zhì)量控制檢查和測試過程的延伸。

一般來說篩選振動(dòng)可以激發(fā)產(chǎn)品的20 %的缺陷，溫度循環(huán)可以激發(fā)產(chǎn)品的80 %的缺陷。各種篩選能發(fā)現(xiàn)的典型缺陷，如表2。

無論是篩選振動(dòng)還是溫度循環(huán)，各個(gè)篩選試驗(yàn)的步驟都包含了故障剔除和無故障檢驗(yàn)兩個(gè)部分：

1）缺陷剔除試驗(yàn)

試驗(yàn)產(chǎn)品在施加規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)和溫度循環(huán)應(yīng)力期間，對(duì)發(fā)現(xiàn)的所有故障都必須詳盡的記錄并加以修復(fù)。在隨機(jī)振動(dòng)是出現(xiàn)的故障，應(yīng)立即停止振動(dòng)，對(duì)故障產(chǎn)品進(jìn)行原因分析并排除故障；在溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的故障，每次出現(xiàn)故障后，應(yīng)立即中斷試驗(yàn)，排除故障后再進(jìn)行試驗(yàn)。

隨機(jī)振動(dòng)因故中斷后再重新進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，中斷前的試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)記入試驗(yàn)時(shí)間，如缺陷剔除階段的隨機(jī)振動(dòng)原本計(jì)劃是5 min，在第2分鐘產(chǎn)品出現(xiàn)異常，停止試驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品的排故，修復(fù)后只需要再進(jìn)行3 min的隨機(jī)振動(dòng)即可；而溫度循環(huán)則需要扣除中斷所在循環(huán)內(nèi)的中斷前的試驗(yàn)時(shí)間，如缺陷剔除循環(huán)已經(jīng)進(jìn)行了20 h，還有20 h試驗(yàn)結(jié)束，因產(chǎn)品排故耗時(shí)了30 min，則產(chǎn)品修復(fù)后只要再進(jìn)行20 h30 min的缺陷剔除循環(huán)即可。

2）無故障檢驗(yàn)試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證篩選的有效性，所施加的應(yīng)力和缺陷剔除試驗(yàn)相同，所不同的是本階段的篩選振動(dòng)時(shí)間增加到最長15 min，溫度循環(huán)時(shí)間增加到最大80 h。

一個(gè)完整的環(huán)境應(yīng)力篩選，主要包括以下幾個(gè)步驟：

1）篩選振動(dòng)（缺陷剔除）

受試驗(yàn)設(shè)備（振動(dòng)臺(tái)）的限制，早期的篩選振動(dòng)是以“定頻掃描”、“正弦掃描”為主，但在裝備的實(shí)際使用過程中，完全的正弦振動(dòng)碰到的時(shí)機(jī)非常少，因此現(xiàn)階段的篩選振動(dòng)都改成隨機(jī)振動(dòng)（現(xiàn)階段在海軍艦艇裝備用加固計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)大綱對(duì)顯示器及機(jī)電一體化產(chǎn)品，還存在正弦篩選振動(dòng)）。標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)振動(dòng)圖譜如圖5。

缺陷剔除篩選振動(dòng)要注意以下幾點(diǎn)：

①篩選振動(dòng)前，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測，確認(rèn)產(chǎn)品處于正常狀態(tài)。

②將產(chǎn)品直接安裝在振動(dòng)臺(tái)上，或者通過工裝/夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)上，進(jìn)行垂直/水平方向的篩選振動(dòng)。（要確保工裝/夾具不會(huì)放大/減小篩選振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)量值和頻率。）

③篩選振動(dòng)過程中，如果要加電檢測，電應(yīng)力應(yīng)該為標(biāo)稱電壓。

表2 各種篩選能發(fā)現(xiàn)的典型缺陷

圖4 環(huán)境應(yīng)力篩選步驟

圖5 隨機(jī)振動(dòng)篩選圖譜

2）溫度循環(huán)（缺陷剔除和無故障檢驗(yàn)）

對(duì)于無冷卻系統(tǒng)的電子產(chǎn)品，在升溫和高溫保持階段，試驗(yàn)產(chǎn)品應(yīng)通電；在降溫及低溫保持階段，應(yīng)斷電。對(duì)于有冷卻系統(tǒng)的電子產(chǎn)品，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)同時(shí)將冷卻介質(zhì)進(jìn)行溫度循環(huán)。

影響篩選結(jié)果的主要參數(shù)為溫度變化范圍、溫度變化速率及循環(huán)次數(shù)。篩選溫度時(shí)間歷程考慮受篩產(chǎn)品通電和不通電兩種情況。

溫度變化范圍，一般情況下組件選取該組件的上一層次的單元的貯存溫度，進(jìn)行不加電的溫度循環(huán)測試；而單元產(chǎn)品一般選取單元的工作溫度。這個(gè)選取原則也可以根據(jù)本單位的產(chǎn)品質(zhì)量情況、工藝水平進(jìn)行選擇。

整個(gè)溫度變化幅度范圍的溫度變化速率的平均值不能低于5 ℃/min，一般組件的變化速率要高于單元的溫度變化速率，可根據(jù)本單位的產(chǎn)品質(zhì)量情況、工藝水平選擇10 ℃/min或者更高。但這個(gè)變化速率的值不能選擇的過于高，過高的變化速率使環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)變成了溫度沖擊試驗(yàn)，篩選的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與篩選的目的就不符了。

單個(gè)溫度循環(huán)的時(shí)間為3 h 20 min或4 h，在缺陷剔除階段的溫度循環(huán)的循環(huán)數(shù)為10次或12次，相應(yīng)的試驗(yàn)總時(shí)間為40 h。在無故障檢驗(yàn)階段為10～20次或者12～24次，相應(yīng)的試驗(yàn)總時(shí)間為40～80 h。在最后四個(gè)溫度循環(huán)時(shí)，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行100 %的功能監(jiān)測。

典型的溫度循環(huán)圖如下圖6。

3）篩選振動(dòng)（無故障檢驗(yàn)）

無故障篩選振動(dòng)階段的指標(biāo)和故障剔除的一致，但施振的時(shí)間由故障剔除的5 min變成了5～15 min。

4 環(huán)境應(yīng)力篩選方案的制定

根據(jù)GJB 1302的規(guī)定：“參與篩選產(chǎn)品印刷電路板組裝件、電子組件或整機(jī)；對(duì)大型電子產(chǎn)品應(yīng)優(yōu)先考慮在較低級(jí)別如印刷線路板組裝件上進(jìn)行篩選?！?/p>

圖6 不通電溫度循環(huán)曲線

表3 改進(jìn)成本統(tǒng)計(jì)表（單位：美元）

結(jié)合國內(nèi)外的一些數(shù)據(jù)，不同組合層次耽擱時(shí)效的平均改進(jìn)成本如表3。

通過上表可以得出：在不同層次的篩選中，都能篩選出一些早期故障，越低層次的篩選，所花費(fèi)的成本越低。

越低層次的篩選，所花費(fèi)的時(shí)間也越長（主要是測試工裝的研發(fā)制作），且工裝的研發(fā)制作本身也需要花費(fèi)一定的經(jīng)費(fèi)，并需要經(jīng)歷一段時(shí)間的考核驗(yàn)證才能成熟。且低層次的篩選完成后，高一層次的組裝過程中還可能引入工藝裝配的新的缺陷。因此在GJB/Z 34-93的第5.1.1.3提供了一個(gè)權(quán)衡原則：“在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)先，無法逐級(jí)進(jìn)行篩選時(shí)，應(yīng)根據(jù)上述信息，結(jié)合產(chǎn)品進(jìn)行權(quán)衡和分析，確定最佳篩選所在等級(jí)。如果產(chǎn)品使用和其他試驗(yàn)中提供的信息證明，其故障主要出現(xiàn)在某一裝配級(jí)，則可僅對(duì)此裝配級(jí)進(jìn)行篩選?！?/p>

環(huán)境應(yīng)力篩選的方法和應(yīng)力確定的原則是為了盡快暴露早期失效，但又不能超過產(chǎn)品的設(shè)計(jì)極限，因此在環(huán)境應(yīng)力篩選方案的制定過程中，要根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量情況和本單位的工藝水平，不同產(chǎn)品的篩選要求可以根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剪裁、簡化甚至抽樣進(jìn)行篩選。

5 結(jié)束語

一個(gè)合理可行的環(huán)境應(yīng)力篩選方法，能剔除早期時(shí)效的產(chǎn)品，將早夭產(chǎn)品的問題暴露在生產(chǎn)企業(yè)，提升交付產(chǎn)品的可靠性，從而提升顧客使用的滿意度，這也是一種無形且非常重要的效益。因此各企業(yè)應(yīng)當(dāng)把環(huán)境應(yīng)力篩選作為產(chǎn)品質(zhì)量控制檢查和測試過程的延伸，并根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量狀況、工藝水平，對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選方案實(shí)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使企業(yè)效益達(dá)到最大化。

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

[2]海軍艦艇裝備用加固計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)大綱（海軍裝備部 裝電[2008]1號(hào)文）[Z].

[3]軍械光電裝備高效環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)施辦法（裝陸[2008]364號(hào)文）[Z].

[4] 殷世龍.武器裝備研制工程管理與監(jiān)督[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2012.7.

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

肖偉，1982年5月，男，漢族，湖南邵陽，工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向：從事軍品的檢驗(yàn)、試驗(yàn)方面的研究。

Technique and Implementation of Environment Stress Screening for Electronic Products

XIAO Wei, XU Bin
(No.52 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hangzhou 310012)

Environment stress screening (ESS) is a very important part of the equipment preproduction and production.This paper mainly discusses the impacts, methods, amendments, implements and some other aspects of environment stress screening combined with relevant criterions.One of the main purpose of this paper is to help the corporations understanding the importance of environment stress screening, and put it into practice in the process of development and production, which will improve the reliability of the products, thus to increase the corporate profitability.

environment stress screening; electronic products; reliability

TN609

B

1004-7204（2016）05-0062-05