徐志閩

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153）

對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選的一些誤解

徐志閩

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153）

目前，合同和招標(biāo)書(shū)對(duì)電子設(shè)備已規(guī)定了環(huán)境應(yīng)力篩選要求。誤解已妨礙了富有生命力的環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)劃在工業(yè)中的實(shí)施。本文將對(duì)一些誤解進(jìn)行討論，正確地認(rèn)識(shí)在工業(yè)中應(yīng)用費(fèi)用低廉的環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)劃的目的和優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)境應(yīng)力篩選；誤解；目的；優(yōu)點(diǎn)

引言

環(huán)境應(yīng)力篩選的定義是對(duì)電子元器件、組裝件和設(shè)備施加適當(dāng)?shù)碾姎夂铜h(huán)境應(yīng)力，以暴露和消除由缺陷的、不正常的或性能臨界的元器件和制造缺陷。盡管環(huán)境應(yīng)力篩選以被列入MIL-STD-785B的可靠性試驗(yàn)部分（工作項(xiàng)目301）。但實(shí)際上它是一個(gè)篩選過(guò)程，與試驗(yàn)不同。它一般是對(duì)以制造好的產(chǎn)品進(jìn)行100%的生產(chǎn)篩選。環(huán)境應(yīng)力篩選的目的是發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品的早期故障，使得產(chǎn)品在交付時(shí)便進(jìn)入隨機(jī)故障階段，確保產(chǎn)品在使用過(guò)程中具有較高的可靠性水平。

環(huán)境應(yīng)力篩選已被海軍作為可靠性要求列入現(xiàn)在的船舶設(shè)計(jì)、建造合同以及招標(biāo)書(shū)中。總體單位又通過(guò)規(guī)范和工作規(guī)程把篩選要求轉(zhuǎn)給轉(zhuǎn)包商。篩選要求中規(guī)定了溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)篩選。環(huán)境應(yīng)力篩選在我國(guó)已運(yùn)行很多，大家對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選還是存在下列誤解：

1）環(huán)境應(yīng)力篩選給設(shè)備所加應(yīng)力超過(guò)了設(shè)備的設(shè)計(jì)極限，因此，應(yīng)當(dāng)把溫度和振動(dòng)應(yīng)力限制在預(yù)期的設(shè)備工作環(huán)境應(yīng)力之內(nèi)；

2）環(huán)境應(yīng)力篩選能暴露設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，因此，可靠性研究/增長(zhǎng)試驗(yàn)與環(huán)境應(yīng)力篩選的作用相同，不必兩者都做。

3）環(huán)境應(yīng)力篩選時(shí)一項(xiàng)可靠性的“經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)”成果，因此，它只適用于新設(shè)計(jì)或重大改型的設(shè)備；

4）環(huán)境應(yīng)力篩選時(shí)額外負(fù)擔(dān)，對(duì)承包商或設(shè)備轉(zhuǎn)包商毫無(wú)好處；

5）MTBF合格的設(shè)備不需要進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選；

6）環(huán)境應(yīng)力篩選暴露的失效率越少，試驗(yàn)就越成功。

可靠性工程師在從事環(huán)境應(yīng)力篩選理論研究和執(zhí)行環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)劃的過(guò)程中，都能理解這些誤解的謬誤所在。然而，這些誤解已導(dǎo)致在可靠性工程、管理及其它工程部門(mén)之間出現(xiàn)了信息交流方面的空隙。為了說(shuō)明環(huán)境應(yīng)力篩選的真正目的和好處，并消除這些誤解，現(xiàn)就上述有關(guān)環(huán)境應(yīng)力篩選方面的誤解逐一加以討論。

1 環(huán)境應(yīng)力篩選給設(shè)備所加應(yīng)力超過(guò)了設(shè)備的設(shè)計(jì)極限

環(huán)境應(yīng)力篩選的缺點(diǎn)是它給設(shè)備施加的應(yīng)力可能會(huì)超出設(shè)備的設(shè)計(jì)極限，因而，溫度和振動(dòng)應(yīng)力應(yīng)當(dāng)限制在設(shè)備預(yù)期的工作環(huán)境之內(nèi)。然而，預(yù)期的工作環(huán)境一般沒(méi)有設(shè)計(jì)極限那么嚴(yán)酷。篩選的應(yīng)力水平不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)極限，但是，它們必須有足夠的強(qiáng)度，以便在維修費(fèi)用最低廉的最早時(shí)間暴露由于元器件不良和制造缺陷導(dǎo)致的故障。因此，有效的篩選要求所施加的應(yīng)力要有足夠的量值和持續(xù)時(shí)間，以便將潛在的缺陷暴露出來(lái)，而對(duì)其它沒(méi)有缺陷的元器件不會(huì)累積成大的損傷（即超過(guò)設(shè)計(jì)極限并有損于使用壽命）。

有關(guān)溫度篩選的兩個(gè)主要問(wèn)題是上、下兩個(gè)溫度極值，以及從一個(gè)溫度極值過(guò)渡到另一個(gè)溫度極值所要求的最低溫度變化速率。為了確定最有效的篩選要求和應(yīng)力水平，同時(shí)也為了確定由于過(guò)應(yīng)力（溫度和振動(dòng)兩者）而導(dǎo)致產(chǎn)品性能退化的環(huán)境因素及應(yīng)力水平，應(yīng)當(dāng)按照特定的硬件來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)施應(yīng)力篩選。這就是進(jìn)行調(diào)整的主要目的。

因此，環(huán)境應(yīng)力篩選不應(yīng)給設(shè)備施加加速疲勞失效的應(yīng)力。除非作為指南，不得規(guī)定隨機(jī)振動(dòng)的應(yīng)力水平和溫度極限。應(yīng)為轉(zhuǎn)包商調(diào)整規(guī)范和工作說(shuō)明中的篩選規(guī)劃創(chuàng)造條件。在轉(zhuǎn)包商的環(huán)境應(yīng)力篩選計(jì)劃和程序時(shí)，要以這種調(diào)整到暴露早期失效的有效性的依據(jù)。然后，轉(zhuǎn)包商再進(jìn)行溫度和振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以確定熱點(diǎn)和共振點(diǎn)，并進(jìn)行步進(jìn)篩選，以確定最有效地暴露制造缺陷所造成的早期失效的篩選應(yīng)力。如果篩選不能加速這些早期缺陷，就不能實(shí)現(xiàn)環(huán)境應(yīng)力篩選的目標(biāo)，因此也就談不上是費(fèi)用低廉的篩選。若篩選過(guò)于嚴(yán)酷，就會(huì)損壞好的元器件，并有損于設(shè)備的使用壽命。

2 環(huán)境應(yīng)力篩選暴露設(shè)計(jì)問(wèn)題

第二個(gè)誤解：環(huán)境應(yīng)力篩選能暴露設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，因此，可靠性研究/增長(zhǎng)試驗(yàn)與環(huán)境應(yīng)力篩選的作用相同，不必兩者都做。盡管環(huán)境應(yīng)力篩選的確可以暴露某些設(shè)計(jì)問(wèn)題（即使是在可靠性研究/增長(zhǎng)試驗(yàn)之后），但這并不是進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選的目的。如前所述，環(huán)境應(yīng)力篩選的目的是加速由于制造缺陷所產(chǎn)生的早期失效，以便在費(fèi)用最低廉的規(guī)劃時(shí)期內(nèi)完成修理。將環(huán)境應(yīng)力篩選與可靠性研究/增長(zhǎng)試驗(yàn)相比較，就可以看出用可靠性研究/增長(zhǎng)試驗(yàn)代替環(huán)境應(yīng)力篩選這種誤解的謬誤所在。表1以幾個(gè)指標(biāo)對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選與可靠性研究/增長(zhǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了比較。

如表1所示，環(huán)境應(yīng)力篩選和可靠性研究/增長(zhǎng)試驗(yàn)的程序時(shí)完全不同的。環(huán)境應(yīng)力篩選是篩選程序，其調(diào)整的目的是最大限度地暴露制造缺陷?？煽啃匝芯?增長(zhǎng)試驗(yàn)是“試驗(yàn)、分析和改進(jìn)”程序，目的是找出并改正設(shè)計(jì)問(wèn)題?？煽啃匝芯?增長(zhǎng)試驗(yàn)一般結(jié)合首件產(chǎn)品試驗(yàn)進(jìn)行一次，而環(huán)境應(yīng)力篩選是生產(chǎn)篩選過(guò)程，對(duì)全部產(chǎn)品進(jìn)行。

3 環(huán)境應(yīng)力篩選僅適用于新設(shè)計(jì)

另一個(gè)誤解是假設(shè)環(huán)境應(yīng)力篩選是可靠性改進(jìn)的“經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)”成果，因此僅適用于新設(shè)計(jì)或重大改型的設(shè)備。恰當(dāng)?shù)卣f(shuō)，這個(gè)假設(shè)還必須假定，只有新的或重大改型的設(shè)備才含有缺陷的元器件和制造缺陷。然而，元器件規(guī)范允許元器件制造商接收和發(fā)運(yùn)次品率高達(dá)5 %的電子元器件。這就說(shuō)明存在著這樣的可能性，即在一千個(gè)元器件中，就含有50個(gè)有缺陷的元器件，能夠通過(guò)環(huán)境應(yīng)力篩選暴露出來(lái)，而不管現(xiàn)有設(shè)備是新的、改型的或是再制造的。同樣，新程序、新人員以及自動(dòng)化超容差等也會(huì)是制造工藝質(zhì)量劣化，以致缺陷通過(guò)制造工藝引入任何設(shè)備，而不僅僅是新的，經(jīng)過(guò)重大改型的設(shè)備。

表1 環(huán)境應(yīng)力篩選與可靠性研究/增長(zhǎng)試驗(yàn)比較

假設(shè)環(huán)境應(yīng)力篩選新的或重大改型的設(shè)備所暴露的與設(shè)計(jì)有關(guān)的失效數(shù)，多于已經(jīng)批準(zhǔn)設(shè)備所暴露的失效數(shù)，這也不能作為把環(huán)境應(yīng)力篩選限制用于新的或重大改型設(shè)備的理由。如果使用得當(dāng)，則在消除各種電子設(shè)備由于元器件超差或制造工藝所引起的早期老練失效方面，環(huán)境應(yīng)力篩選是一種費(fèi)用低廉的程序。

4 環(huán)境應(yīng)力篩選是額外負(fù)擔(dān)，對(duì)承包商或設(shè)備轉(zhuǎn)包商毫無(wú)好處

環(huán)境應(yīng)力篩選是額外負(fù)擔(dān)，對(duì)承包商或設(shè)備轉(zhuǎn)包商沒(méi)有好處。美國(guó)環(huán)境科學(xué)研究所已研究出了造船廠試驗(yàn)期間和工作活動(dòng)期間的環(huán)境應(yīng)力篩選費(fèi)用節(jié)約模型：

式中：CS1=廠內(nèi)費(fèi)用節(jié)約值

Mn=造船廠進(jìn)行修復(fù)性維修所需的平均工時(shí)數(shù)

Hc=船上修理每個(gè)工時(shí)的費(fèi)用

Sc=每個(gè)備用元器件的估計(jì)平均費(fèi)用

Ft=在沒(méi)有環(huán)境應(yīng)力篩選的情況下，估計(jì)的船上試驗(yàn)失效數(shù)

Fs=在有環(huán)境應(yīng)力篩選情況下，估計(jì)船上試驗(yàn)失效數(shù)

Tc=每次故障的典型平均技術(shù)費(fèi)用（小時(shí)數(shù)÷故障數(shù)×小時(shí)故障率）

如果設(shè)備是供應(yīng)商經(jīng)過(guò)篩選后交付的，而且在試驗(yàn)過(guò)程中往往故障比較少，則這個(gè)模型可以用來(lái)估計(jì)制造商從中獲得節(jié)約效益。值得注意的是，篩選雖然費(fèi)錢，但是它的價(jià)值在于提高可靠性（既有近期的，又有遠(yuǎn)期的）。如果篩選給設(shè)備制造商帶來(lái)的好處大道理這樣一種程度，即能夠通過(guò)設(shè)備和系統(tǒng)級(jí)的供應(yīng)商的試驗(yàn)節(jié)約而將篩選費(fèi)用吸收掉，則這種情況是有問(wèn)題的。重要的一點(diǎn)是，應(yīng)當(dāng)按照制造商、承包商和使用方所得到的總的潛在節(jié)約額，來(lái)估計(jì)應(yīng)力篩選的費(fèi)用效率。

對(duì)用戶、承包商和轉(zhuǎn)包商為估計(jì)有效地環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)劃所能實(shí)現(xiàn)的費(fèi)用節(jié)約而研究費(fèi)用分析模型來(lái)說(shuō)，這個(gè)文件是有價(jià)值的參考資料。在對(duì)承包商和轉(zhuǎn)包商規(guī)定設(shè)備和系統(tǒng)保證期或保證金要求的情況下，有效的環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)劃肯定有助于降低保證期或保證金費(fèi)用，而且這些費(fèi)用的節(jié)約在環(huán)境應(yīng)力篩選投標(biāo)書(shū)中必須加以考慮的。

5 MTBF合格的設(shè)備沒(méi)有必要進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選

MTBF合格的設(shè)備沒(méi)有必要進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選，這種理論可能對(duì)，也可能不對(duì)。誠(chéng)然，MTBF合格的設(shè)備通常已累積足夠的工作小時(shí)數(shù)，足以消除早期制造缺陷。所涉及的問(wèn)題是“對(duì)具體的設(shè)備來(lái)說(shuō)，環(huán)境應(yīng)力篩選是否節(jié)省費(fèi)用的，或者說(shuō)，對(duì)補(bǔ)充購(gòu)買同樣設(shè)計(jì)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，環(huán)境應(yīng)力篩選是否是有效地？”為了回答這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)對(duì)過(guò)去的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

假設(shè)電子設(shè)備的MTBF增長(zhǎng)曲線如圖1所示。在圖1中，致使早期失效期內(nèi)MTBF不合格的故障數(shù)，主要是由于制造缺陷造成的，而這些缺陷是能夠通過(guò)有效的環(huán)境應(yīng)力篩選程序加以消除的。只有根據(jù)歷史數(shù)據(jù)繪制出MTBF增長(zhǎng)圖，計(jì)算出屬于制造缺陷引起的故障數(shù)，并用費(fèi)用模型推算出成本效益之后，才能對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)劃效益做出判斷。因此，在補(bǔ)充購(gòu)買那些在使用中一被證明MTBF合格的硬件時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮環(huán)境應(yīng)力篩選。

6 環(huán)境應(yīng)力篩選暴露的失效率越少，篩選就越成功

圖1 電子設(shè)備MTBF增長(zhǎng)曲線

這一誤解正好與環(huán)境應(yīng)力篩選的定義和目的相矛盾。有些轉(zhuǎn)包商錯(cuò)誤地認(rèn)為，他們將受到的懲罰與由環(huán)境應(yīng)力篩選程序剔除的失效數(shù)成正比。的確，對(duì)轉(zhuǎn)包商來(lái)說(shuō)，環(huán)境應(yīng)力篩選失效的代價(jià)很大，但這能促使轉(zhuǎn)包商改進(jìn)制造工藝，以便減少失效給費(fèi)用帶來(lái)的影響。因此成功的環(huán)境應(yīng)力篩選沒(méi)有直接使失效率降低。然而，這不是把較少的失效數(shù)與成功的試驗(yàn)等同起來(lái)的原因。這個(gè)誤解是錯(cuò)誤地把環(huán)境應(yīng)力篩選與可靠性研究/增長(zhǎng)試驗(yàn)及可靠性鑒定試驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)的結(jié)果，后兩種試驗(yàn)都把失效過(guò)多與可能的試驗(yàn)失敗等同起來(lái)?，F(xiàn)用圖2來(lái)說(shuō)明環(huán)境應(yīng)力篩選的目的。

由圖2可見(jiàn)，環(huán)境應(yīng)力篩選的目的是通過(guò)調(diào)整所施加的環(huán)境應(yīng)力，盡可能多地消除不良的元器件和制造缺陷。必須按照這種要求來(lái)調(diào)整這些應(yīng)力，即另一方面要盡可能多地消除這些缺陷，同時(shí)還要保證避免因過(guò)應(yīng)力而造成耗損失效。例如，費(fèi)用最低廉的篩選應(yīng)在橫坐標(biāo)T3處結(jié)束。為了保證不會(huì)錯(cuò)誤地把點(diǎn)T1或T2調(diào)整為篩選參數(shù)，也不會(huì)達(dá)到點(diǎn)Tn-2、Tn-1或Tn而導(dǎo)致?lián)p壞和耗損，需要按每一具體設(shè)備的具體情況來(lái)調(diào)整篩選。

由此，可得出如下結(jié)論：失效越少，篩選越不成功。如果篩選不能暴露大部分制造缺陷，則篩選就不是低廉的。

7 結(jié)論

對(duì)其環(huán)境應(yīng)力篩選存在著本文所述的各種誤解，這主要是由于環(huán)境應(yīng)力篩選對(duì)工業(yè)來(lái)說(shuō)是新鮮事物所造成的。這些誤解已妨礙了環(huán)境應(yīng)力篩選的實(shí)施。從上述每一種誤解的討論中，可以得出以下結(jié)論：

圖2 環(huán)境應(yīng)力篩選的目的

1）環(huán)境應(yīng)力篩選不是活不打算給設(shè)備施加超出其設(shè)計(jì)極限的應(yīng)力。費(fèi)用低廉的環(huán)境應(yīng)力篩選程序應(yīng)按每個(gè)具體設(shè)備來(lái)編制，以便在最早的時(shí)刻暴露制造缺陷（早期壽命失效），以低廉的費(fèi)用將其改正。

2）環(huán)境應(yīng)力篩選能夠暴露一些設(shè)計(jì)問(wèn)題，但環(huán)境應(yīng)力篩選的主要目的是作為一項(xiàng)生產(chǎn)篩選，以便暴露性能不良的元器件和制造缺陷。因此，不管是否有其它可靠性試驗(yàn)，都應(yīng)當(dāng)考慮環(huán)境應(yīng)力篩選。

3）每個(gè)生產(chǎn)合同都應(yīng)實(shí)行某種程度的環(huán)境應(yīng)力篩選，而不只是新設(shè)計(jì)或重大改型的設(shè)備進(jìn)行篩選。環(huán)境應(yīng)力篩選在本質(zhì)上應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的，而且應(yīng)在實(shí)施之前，通過(guò)成本分析指出每一設(shè)備的環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)劃的成本效益。

4）由于可以在費(fèi)用最低廉的制造工藝階段查找和改正失效，從而減少了返工費(fèi)用和保證期費(fèi)用，因此環(huán)境應(yīng)力篩選能夠（但不一定需要）向承包商和轉(zhuǎn)包商證明其費(fèi)用是低廉的。但成功與否，還取決于篩選程序的正確理解和應(yīng)用。

5）新購(gòu)買或繼續(xù)采購(gòu)當(dāng)前已列入國(guó)防部目錄且MTBF合格的設(shè)備，可能會(huì)從費(fèi)用低廉的環(huán)境應(yīng)力篩選程序得到益處。

6）應(yīng)按這樣的要求來(lái)調(diào)整環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)劃，即要最大限度地暴露各種制造工藝失效，又不會(huì)對(duì)設(shè)備施加達(dá)到發(fā)生耗損及損傷失效的應(yīng)力。

這些結(jié)論應(yīng)當(dāng)能夠消除許多與環(huán)境應(yīng)力篩選要求有關(guān)的誤解。在承包商和轉(zhuǎn)包商做出是否實(shí)施費(fèi)用低廉的環(huán)境應(yīng)力篩選的決策過(guò)程中，這些結(jié)論應(yīng)當(dāng)成為積極的促進(jìn)因素。

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

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

[3]謝俊梅.環(huán)境應(yīng)力在雷達(dá)上的應(yīng)用電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)[J].2013,31(增刊1):46-49.

Some Misconceptions about Environmental Stress Screening

XU Zhi-min
(The 724th Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Nanjing 211153)

At present, the contract and the bidding document have stipulated the environmental stress screening requirements for the electronic equipments. Misunderstandings have hampered the implementation of a viable environmental stress screening program in industry. This article will discuss some misconceptions and correctly understand the purpose and advantages of applying low-cost environmental stress screening programs in industry

environmental stress screening; misconceptions; objectives; advantages

TN306

A

1004-7204(2017)04-0035-04

徐志閩，畢業(yè)于南京郵電大學(xué)，現(xiàn)在單位環(huán)境實(shí)驗(yàn)室技術(shù)負(fù)責(zé)人，從事環(huán)境可靠性試驗(yàn)研究工作。