王瑩 羅玉萍 彭申

摘 ?要：在電子產(chǎn)品的研制生產(chǎn)過程中，通過進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)來剔除產(chǎn)品的早期故障，是一種行之有效的提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的重要措施。本文簡述了電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選的概念，分析研究了常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選的試驗(yàn)方法以及典型環(huán)境應(yīng)力。同時(shí)，通過探究溫度變化速率對溫度循環(huán)篩選度的影響，提出環(huán)境應(yīng)力篩選的改進(jìn)方案，可以有效提高環(huán)境應(yīng)力篩選的效率，具有較高的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：環(huán)境應(yīng)力篩選;溫度循環(huán);溫度變化速率

中圖分類號：TN06 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0028-03

Abstract：In the development and production of electronic products，it is an effective and important measure to improve product quality and reliability to eliminate the early failure of products through environmental stress screening test. This paper introduces the concept of environmental stress screening for electronic products，analyzes and studies the test methods of conventional environmental stress screening and typical environmental stress screening. Meanwhile，by exploring the influence of temperature change rate on temperature cycle screening degree，an improved scheme of environmental stress screening is proposed，which can effectively improve the efficiency of environmental stress screening and has a high popularization value.

Keywords：environmental stress screening;temperature cycling;rate of temperature change

0 ?引 ?言

眾所周知，電子產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計(jì)進(jìn)去的，制造出來的。在設(shè)計(jì)出高可靠性產(chǎn)品的同時(shí)，為提高電子產(chǎn)品的使用可靠性，就要在制造過程中執(zhí)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，采取有效的可靠性管理手段，對電子產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS），通過施加合理的環(huán)境應(yīng)力，積極、主動(dòng)地暴露出產(chǎn)品可能存在的設(shè)計(jì)和工藝缺陷，對產(chǎn)品的早期故障發(fā)現(xiàn)并加以消除，是提高產(chǎn)品使用可靠性的重要措施和方法。

環(huán)境應(yīng)力篩選的提出主要源于20世紀(jì)60年代阿波羅強(qiáng)化環(huán)境試驗(yàn)的總結(jié)，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，逐步從國防軍工行業(yè)拓展至民用行業(yè)。我國于1991年頒布了GJB 1032-90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[1]，它是常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選，易于掌握和應(yīng)用，是目前應(yīng)用最廣泛、應(yīng)用時(shí)間最長的篩選類型，在應(yīng)用中有效地提高了產(chǎn)品的可靠性。本文對常規(guī)的環(huán)境應(yīng)力篩選方案進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上，參照GJB/Z 34-93《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》[2]，對篩選試驗(yàn)方案的改進(jìn)進(jìn)行了探究，旨在提高電子產(chǎn)品特別是武器裝備研制和生產(chǎn)過程中的環(huán)境應(yīng)力篩選效率，降低成本。

1 ?環(huán)境應(yīng)力篩選簡述

在電子設(shè)備生產(chǎn)和制造過程中，由于經(jīng)歷大量復(fù)雜操作工藝或誤用了不合格元器件，引入了各種潛在缺陷。雖然產(chǎn)品的固有可靠性基本上是設(shè)計(jì)出來的，環(huán)境應(yīng)力篩選作為一種有效的可靠性保證措施，在生產(chǎn)期間剔除各種潛在缺陷，可以有效降低制造過程中導(dǎo)致的可靠性下降的概率。

環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)屬于可靠性試驗(yàn)的一種，為電子產(chǎn)品實(shí)施環(huán)境應(yīng)力篩選，是通過向產(chǎn)品施加的合理的電應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力，將電子產(chǎn)品內(nèi)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，又不致影響產(chǎn)品正常性能和壽命的一種工藝手段。

對環(huán)境應(yīng)力篩選發(fā)現(xiàn)的故障加以分析，能夠發(fā)現(xiàn)其暴露出的缺陷具有典型的工藝特性，主要包括不良元器件、設(shè)計(jì)缺陷、制造工藝缺陷和其他原因引入的缺陷造成的早期故障。將這些故障剔除在生產(chǎn)過程中，解決在出廠之前，避免裝機(jī)后出現(xiàn)故障而影響產(chǎn)品的正常使用。元器件不良缺陷是指在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中引入了不合格的元器件，該缺陷可以通過選用更高質(zhì)量的元器件，通過徹底的老化篩選加以避免;設(shè)計(jì)缺陷主要是源于不當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品設(shè)計(jì);工藝缺陷主要是工藝不當(dāng)造成的，如斷裂、虛焊、短路、松脫等。環(huán)境應(yīng)力篩選對于有潛在工藝、設(shè)計(jì)等缺陷的產(chǎn)品能誘發(fā)其故障，對于不存在缺陷而性能良好的產(chǎn)品是非破壞性試驗(yàn)。

環(huán)境應(yīng)力篩選的對象主要適用于電子產(chǎn)品，一般對電子產(chǎn)品的元器件級、電路板級、部件級和系統(tǒng)級以及備件層次盡可能100%進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選。根據(jù)環(huán)境應(yīng)力篩選機(jī)理和產(chǎn)品的可靠性標(biāo)準(zhǔn)的要求，常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)方法一般選取GJB 1032所推薦的方法和選用典型的環(huán)境篩選應(yīng)力。

2 ?常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)方案

在環(huán)境應(yīng)力的選擇上，環(huán)境應(yīng)力篩選是為了激發(fā)產(chǎn)品中的潛在缺陷發(fā)展成故障，因此不必復(fù)現(xiàn)使用中可能遇到的各種環(huán)境和電磁應(yīng)力，常用的典型應(yīng)力類型一般為隨機(jī)振動(dòng)、溫度循環(huán)、電應(yīng)力，環(huán)境應(yīng)力量值也以能析出故障但不能損壞產(chǎn)品為原則，施加應(yīng)力的次序一般為振動(dòng)-溫度-振動(dòng)。下面介紹電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選的試驗(yàn)程序中的典型環(huán)境應(yīng)力，溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件。

2.1 ?溫度循環(huán)試驗(yàn)方案

表征溫度循環(huán)的基本參數(shù)如下，溫度循環(huán)剖面圖如圖1所示。

（1）高低溫極限值（高低溫設(shè)定值）：指試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣溫度，上限溫度（Tu）和下限溫度（TL），一般取高溫工作溫度和低溫工作溫度;

（2）高低溫保持時(shí)間：高溫保持時(shí)間（tu）和低溫保持時(shí)間（tL），一般取電子產(chǎn)品的溫度穩(wěn)定時(shí)間;

（3）溫度變化速率（V）：5℃/min;

（4）電應(yīng)力：從低溫升溫開始直至高溫保溫結(jié)束，通電并檢測性能，其余時(shí)間斷電。

2.2 ?隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)方案

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求如下，隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度如圖2所示。

（1）施振軸向：取設(shè)備的實(shí)際安裝重力垂直方向?yàn)槭┱穹较?必要時(shí)亦可增加設(shè)備中垂直于印制板板面的方向;

（2）電應(yīng)力：施振期間，通電對受試產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電性能進(jìn)行監(jiān)測;

（3）安裝方法：產(chǎn)品在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)篩選時(shí)，應(yīng)除去外部減震裝置，將直接安裝在振動(dòng)臺上。

3 ?環(huán)境應(yīng)力篩選的優(yōu)化

3.1 ?改進(jìn)理論基礎(chǔ)及依據(jù)

上文章節(jié)2介紹的常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選是根據(jù)典型的篩選應(yīng)力和GJB 1032制定的，其篩選的方法和環(huán)境應(yīng)力是憑經(jīng)驗(yàn)確定的，不要求將篩選結(jié)果與可靠性目標(biāo)和成本閾值建立定量關(guān)系，僅以篩選出早期故障為目標(biāo)，因此對常規(guī)篩選試驗(yàn)方案的改進(jìn)值得探究。溫度和振動(dòng)篩選出缺陷的比例，溫度約占80%，振動(dòng)約占20%。因此，本文基于常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選的溫度循環(huán)試驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，以提高環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)效費(fèi)比。

在溫度循環(huán)的各參數(shù)中，對篩選效果影響最大的是溫度變化速率（V）、溫度變化范圍（R）和循環(huán)次數(shù)（N）。增大溫度變化范圍能加強(qiáng)產(chǎn)品的熱脹冷縮程度，增強(qiáng)熱應(yīng)力;循環(huán)次數(shù)增加則能累積熱應(yīng)力的效應(yīng)。溫度變化速率是指試驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度變化的速率的平均值。溫升、溫降的速率快慢直接影響到對此產(chǎn)品產(chǎn)生的熱應(yīng)力學(xué)作用的強(qiáng)度。如果溫度變化速率很慢，再加上產(chǎn)品本身的熱容量和熱慣性的影響，使得產(chǎn)品溫度變化滯后，不足以激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷發(fā)展成故障，導(dǎo)致達(dá)不到預(yù)期的篩選效果;但是如果變化速率過快，熱應(yīng)力強(qiáng)度增加的幅度超出產(chǎn)品所能承受的范圍，則可能損傷產(chǎn)品中質(zhì)量好的器件，起到相反的效果。因此，要根據(jù)產(chǎn)品的溫度響應(yīng)結(jié)果，并考慮篩選設(shè)備的能力，合理選擇經(jīng)濟(jì)有效的溫度變化速率。

所以，環(huán)境應(yīng)力篩選的上、下限溫度仍然取產(chǎn)品的高溫工作和低溫工作極限溫度，在保持篩選度不變的前提下，通過增加溫度變化速率能夠縮短溫度循環(huán)試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間，直接提高電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選效率和產(chǎn)品的試驗(yàn)吞吐能力，進(jìn)而縮短產(chǎn)品研制與生產(chǎn)周期。

3.2 ?溫度循環(huán)篩選度的計(jì)算

篩選度（SS）指電子產(chǎn)品中存在對某一特定篩選敏感的潛在缺陷時(shí)，該篩選將該缺陷以故障形式析出的概率，篩選度是衡量環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）的重要指標(biāo)。因此，如果兩種篩選的篩選度相等，那么在析出故障的概率意義上（篩選的目的正是為了將潛在缺陷激發(fā)為故障），二者是等效的。溫度循環(huán)的篩選度計(jì)算見式（1）。

SS=1-exp{-0.0017（R+0.6）0.6[ln（e+V）]3·N} （1）

式（1）中：R表示溫度變化范圍，取產(chǎn)品高、低溫工作的上下限;V表示溫度變化速率，取5℃/min;N表示循環(huán)次數(shù)，取10次。

下面根據(jù)式（1）進(jìn)行篩選度的計(jì)算：溫度變化速率5℃/min，循環(huán)次數(shù)為10次時(shí)的篩選度SS1，溫度變化速率10℃/min，循環(huán)次數(shù)為N次時(shí)的篩選度SS2，分別代入式（1），令SS1=SS2，求得N=5.19。即將溫度變化速率由5℃/min提高到10℃/min，循環(huán)次數(shù)即可由10次降到5.19次?？紤]到篩選的便利性，這里向上取整，取6個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)時(shí)間比原來節(jié)省了40%。從另一個(gè)角度講，利用式（1）計(jì)算可知：溫變速率為5℃/min，循環(huán)10次時(shí)篩選度為：90.05%;溫變速率為10℃/min，循環(huán)6次時(shí)篩選度為：93.06%;可以看出，理論上進(jìn)行改進(jìn)后，篩選度將由90.05%提高到93.06%，也即改進(jìn)后的篩選條件，析出故障的概率更高一些，更利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3 ?工程應(yīng)用情況

美國國防部在總結(jié)吸收原標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-2064在執(zhí)行過程中的經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)后，于1996年頒布了取代原標(biāo)準(zhǔn)的新指南MIL-HDBK-2064A，新標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)重要變化就是對篩選應(yīng)力的要求加強(qiáng)，溫度循環(huán)的溫變速率由5℃/min提高至10℃/min。在國內(nèi)，北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，已對GJB 1032進(jìn)行修訂，將溫變速率提高到10℃/min。我國自1980年起開展環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)的研究和推廣，大量的電子產(chǎn)品特別是武器裝備已將環(huán)境應(yīng)力篩選作為驗(yàn)收的一部分，對電子產(chǎn)品進(jìn)行了不同層次的環(huán)境應(yīng)力篩選，在多個(gè)武器裝備型號的研制過程中取得了良好的效果。國內(nèi)某研究所在某型雷達(dá)中進(jìn)行了溫變速率為10℃/min的篩選，取得了良好的篩選效果。國內(nèi)某公司也將產(chǎn)品篩選的溫變速率提高到10℃/min，有效提高篩選的數(shù)費(fèi)比。多個(gè)產(chǎn)品的工程實(shí)踐應(yīng)用表明，環(huán)境應(yīng)力篩選的改進(jìn)方案是有效的。

4 ?結(jié) ?論

對電子產(chǎn)品實(shí)施環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，向電子產(chǎn)品施加合理的溫度應(yīng)力、振動(dòng)和電應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)和消除電子產(chǎn)品的早期故障，用以提高產(chǎn)品的使用可靠性。本文對GJB 1032所推薦的常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選方法和選用的典型篩選應(yīng)力進(jìn)行探究，在提高溫度變化速率方面對典型的環(huán)境應(yīng)力提出改進(jìn)的方案，對于可靠性要求高、生產(chǎn)批量大的電子產(chǎn)品，節(jié)省研制和生產(chǎn)過程中所需的篩選時(shí)間，降低試驗(yàn)成本，提高環(huán)境應(yīng)力篩選效率，具有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] GJB 1032-90，電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法 [S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1991.

[2] GJB/Z 34-93，電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南 [S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1993.

作者簡介：王瑩（1988.10-），女，漢族，黑龍江穆棱人，可靠性工程師，本科，研究方向：可靠性領(lǐng)域。