萬(wàn) 岳

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第724研究所 南京 211100）

1 引言

在20世紀(jì)60年代，美國(guó)為了研制載人宇宙飛船，并確保其成功，對(duì)電子產(chǎn)品提出了接近于1的可靠度要求。首先采用了“快速溫度循環(huán)加隨機(jī)振動(dòng)”的方法對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行篩選，從而保證了“阿波羅”登月的成功。實(shí)踐證明了它是一種十分有效的方法；但由于它施加的應(yīng)力等級(jí)和試驗(yàn)方法是一種脫離環(huán)境技術(shù)條件的地面強(qiáng)化試驗(yàn)，引起了爭(zhēng)議。人們懷疑是否會(huì)在采用強(qiáng)化方法激發(fā)缺陷和隱患的同時(shí)把好的元器件也損壞了，或者“吃掉”一部分產(chǎn)品的壽命。由于對(duì)這種應(yīng)力篩選的作用和機(jī)理及試驗(yàn)準(zhǔn)則缺乏了解和全面的數(shù)據(jù)積累和分析，一時(shí)無(wú)法推廣。其后，美國(guó)格魯曼公司針對(duì)人們的各種懷疑和猜測(cè)作了大量試驗(yàn)與研究，統(tǒng)計(jì)了各種應(yīng)力因素對(duì)激發(fā)故障的有效性，并且在產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)、篩選試驗(yàn)和采用隨機(jī)振動(dòng)與快速溫度循環(huán)方法排除故障等方面取得大量數(shù)據(jù)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，1975年發(fā)表了研究報(bào)告，參考文獻(xiàn)［3］。

美國(guó)海軍在此期間重點(diǎn)抓了可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題，在確認(rèn)可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題基本解決之后，發(fā)現(xiàn)元器件和制造工藝技術(shù)造成的隱患是不可避免的，而且成為當(dāng)前影響電子產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵問(wèn)題。洛克希德告訴也審查了原來(lái)的試驗(yàn)方法，采用隨機(jī)振動(dòng)和快速溫度循環(huán)，使電子產(chǎn)品可靠性得到大幅度的提高。海軍經(jīng)過(guò)分析進(jìn)而認(rèn)為，隨著電子產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高，裝機(jī)密度越來(lái)越高，因此隱患和失效是難以避免的。為尋求一種早期暴露隱患和缺陷的方法，應(yīng)力篩選技術(shù)受到重視，1979年頒布了NAVMAT-P-9492“海軍電子產(chǎn)品生產(chǎn)篩選大綱”，強(qiáng)制地在有關(guān)廠商中推行。按該大綱篩選后的電子產(chǎn)品裝艦，使用中無(wú)出現(xiàn)故障，大大提高了產(chǎn)品的可靠性，也證實(shí)了應(yīng)力篩選的有效性，引起美國(guó)國(guó)防部的重視，繼而引起全國(guó)反響。1982年由美國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)頒布了“電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南”［1］，在環(huán)境應(yīng)力篩選年會(huì)上被公認(rèn)為是提高可靠性的“絕招”。這種有效的方法已在美國(guó)和其它國(guó)家得到使用，并為此制造了各種環(huán)境-可靠性綜合試驗(yàn)箱，該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)已逐步推廣，它必將使我國(guó)電子產(chǎn)品的可靠性有大幅度的提高。

2 應(yīng)力篩選的基本思想

應(yīng)力篩選的思想［1］是選擇有效的環(huán)境因素，用較高的應(yīng)力等級(jí)施加于產(chǎn)品（單元板或整機(jī)）進(jìn)行試驗(yàn)，盡可能地激發(fā)它的故障和隱患使其提早暴露，采取糾正措施或更換元器件，但又不使產(chǎn)品的壽命受到影響，從而減少現(xiàn)場(chǎng)故障，提高產(chǎn)品的可靠性。有人認(rèn)為剛剛研制組裝完成的電子產(chǎn)品其可靠性只有設(shè)計(jì)值10%左右，那么產(chǎn)品就存在90%的故障發(fā)生概率，它代表了產(chǎn)品固有隱患故障數(shù)的作用。工藝不變，并忽略其他因素的影響，那么對(duì)可靠性而言，現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)FA與固有隱患數(shù)FC及篩選掉的隱患數(shù)Fs之間有如下關(guān)系：FA=FC-Fs。

因此要提高現(xiàn)場(chǎng)可靠性就必須盡可能多地篩選掉隱患。應(yīng)力篩選就是基于這種原理而產(chǎn)生的。

3 應(yīng)力篩選的作用原理

熱循環(huán)之所以有較高的激發(fā)故障作用是它具有較高的熱應(yīng)力和熱疲勞的交互作用同試時(shí)作用于電子產(chǎn)品之上，所施加的應(yīng)力也不局限于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力數(shù)據(jù)和產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的界限值，而是以其能最大限度地激發(fā)隱患為篩前提的，所以在考慮熱循環(huán)時(shí)其溫度范圍寬，由115℃至180℃；其變溫速率大，由5℃/min至20℃/min。由于電子產(chǎn)品是由多種復(fù)合材料所組成，如元器件芯片，內(nèi)引線與外引線，封裝接合部，焊點(diǎn)的導(dǎo)線與焊料，印制線路板的導(dǎo)線與基極，金屬化孔的沉銅層和電鍍層等，都是由不同材料組成的。在熱應(yīng)力的作用下，由于各種材料的熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生一定的機(jī)械應(yīng)力，如果用恒定溫度試驗(yàn)，則到某一時(shí)刻這些應(yīng)力會(huì)衡定在某個(gè)值，只要材料能耐受這些恒定應(yīng)力，或者有隱患的地方在恒定應(yīng)力下尚能承受，則該隱患就不能暴露出來(lái)，因此恒定高溫或低溫的作用只能篩選出處于臨界狀態(tài)的隱患。采用快速熱循環(huán)不但拉開了溫度差，而且因溫度反復(fù)交變具有較高速率，致使不同材料在承受雙向變化的熱應(yīng)力的同時(shí)使其應(yīng)力差也變大，這樣就在結(jié)合部可產(chǎn)生有效的作用，使隱患能得以暴露，又通過(guò)多次循環(huán)產(chǎn)生熱變疲勞應(yīng)力，加速了激發(fā)時(shí)效。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的效率高于正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)［5］，更高于定頻振動(dòng)試驗(yàn)。這是因?yàn)檎覓呙钑r(shí)頻率是依次激振的，在一定時(shí)間內(nèi)某一共振點(diǎn)上停留的時(shí)間很短，定頻振動(dòng)則有很大可能使共振點(diǎn)得不到激勵(lì)，因此不足以激發(fā)共振暴露隱患。而采用隨機(jī)振動(dòng)時(shí)則使每個(gè)頻率同時(shí)激勵(lì)，有充分時(shí)間對(duì)有缺陷部位引起共振使其暴露，且整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，適當(dāng)?shù)膽?yīng)力強(qiáng)度不會(huì)使無(wú)缺陷產(chǎn)品受到損害，因此是一種既不苛刻又相當(dāng)徹底的方法。

定頻正弦試驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)故障最大的效率為16%，最小為0%，平均為7%；隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)故障最大效率為50%，最小為11%，平均為34%。按能量等效準(zhǔn)則折算之結(jié)果，三種振動(dòng)篩選的效果的比較如表1所示。

表1 三種振動(dòng)篩選的效果

應(yīng)力篩選的基本指導(dǎo)思想［2］歸結(jié)為對(duì)電子硬件施加足夠高的應(yīng)力，使其隱患在出廠之前盡可能多地暴露出來(lái)，而所施加的應(yīng)力不必受設(shè)計(jì)技術(shù)條件的限制，也不必真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)工作的環(huán)境條件，但不能改變失效機(jī)制。

應(yīng)力篩選并不是元器件篩選所可替代的。雖然全部元器件經(jīng)篩選后能剔除有顯著缺陷元器件，但一些有微缺陷的元器件在元器件篩選時(shí)可能通得過(guò)，而在裝配中元器件又可能受到機(jī)械應(yīng)力和焊接時(shí)熱應(yīng)力的損傷，虛焊、電路板缺陷、裝配和布線、接插件等都可能產(chǎn)生隱患，它只有在單元板篩選或部件以至整機(jī)篩選時(shí)才會(huì)被暴露出來(lái)［10］。

4 應(yīng)力篩選的等級(jí)

4.1 溫度循環(huán)

表2 溫度循環(huán)統(tǒng)計(jì)表

4.2 電應(yīng)力

單元級(jí)在研制周期要求施加電應(yīng)力［4］，定型產(chǎn)品可不施加，部件/系統(tǒng)級(jí)要求施加電應(yīng)力。圖1、圖2、圖3分別為系統(tǒng)級(jí)和模塊級(jí)熱循環(huán)的典型溫度曲線。

圖1 無(wú)冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品的通電溫度循環(huán)曲線

圖2 有冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品的通電溫度循環(huán)曲線

圖3 單元級(jí)熱循環(huán)典型溫度曲線

4.3 振動(dòng)應(yīng)力

隨機(jī)振動(dòng)譜型如圖4所示。

圖4 隨機(jī)振動(dòng)譜型

5 篩選應(yīng)力的有效性

由于應(yīng)力篩選在產(chǎn)品出廠前最大限度地剔除了故障和隱患［3］，因而使現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)故障率大大降低，降低故障的幅度約可達(dá)25%～90%。

對(duì)電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，較有效的篩選應(yīng)力是熱循環(huán)，可能篩出平均為75%～85%的有缺陷產(chǎn)品，采用振動(dòng)則可篩出平均15%～25%，而振動(dòng)采用隨機(jī)較正弦效率高得多（在具體工程實(shí)施中由于硬件構(gòu)成的不同也有一定差異）。溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)交互作用的次序和篩選的效果無(wú)關(guān)，但這兩種應(yīng)力可以為后一個(gè)應(yīng)力的作用產(chǎn)生觸發(fā)效果。因此，有些篩選方法采用了隨機(jī)振動(dòng)-熱循環(huán)-隨機(jī)振動(dòng)，或熱循環(huán)-隨機(jī)振動(dòng)-熱循環(huán)的方法［6～7］。這樣可得到更為滿意的效果。表3舉例說(shuō)明這兩種順序篩選應(yīng)力的相互作用。

表3 篩選故障比

由表2可以看出，隨機(jī)振動(dòng)能造成隱患被觸發(fā)于臨界狀態(tài)，有利于下次熱循環(huán)中隱患暴露出來(lái)；而振動(dòng)前的熱循環(huán)也可以造成隱患的被觸發(fā)于臨界狀態(tài)，有利于下次振動(dòng)試驗(yàn)中隱患的暴露［11］。

6 應(yīng)力篩選技術(shù)在艦載計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用

艦載計(jì)算機(jī)是艦船控制的計(jì)算機(jī)，它的可靠度高低直接關(guān)系到艦船的狀態(tài)。為了提高它的可靠性，我們采用了應(yīng)力篩選，對(duì)每一塊單元板施加一定的熱應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力，艦載計(jì)算機(jī)的應(yīng)力篩選條件參考文獻(xiàn)［4］，見表3。

表3 艦載計(jì)算機(jī)篩選應(yīng)力條件

采用以上的應(yīng)力篩選條件，在振動(dòng)篩選時(shí)激發(fā)出兩次隱患，均是由于元器件在組裝的預(yù)成形過(guò)程中外引線在彎折時(shí)受到損傷，或是彎曲半徑過(guò)小造成的。這種隱患按正常環(huán)境試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)不一定能檢查出來(lái)。因此應(yīng)力篩選技術(shù)對(duì)早期激發(fā)隱患是有效的。

由于試驗(yàn)設(shè)備的限制采用兩箱法進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，其實(shí)帶有溫度沖擊的作用，比有一定變溫速率的試驗(yàn)要嚴(yán)酷一些，因此我們采用了最低限值的溫度變化范圍。振動(dòng)試驗(yàn)也是因設(shè)備關(guān)系缺乏隨機(jī)控制系統(tǒng)而采用窄帶掃描隨機(jī)技術(shù)［9］。

試驗(yàn)中調(diào)制的帶寬是按照單元板的構(gòu)成和安裝邊界條件及下式求得的，不同邊界條件和構(gòu)成的單元板的固有頻率可按參考文獻(xiàn)［2，7，12］求取。

7 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)力篩選技術(shù)是一種能使產(chǎn)品可靠性大幅度提高的好方法，經(jīng)我們采用此法后的初步統(tǒng)計(jì)，從產(chǎn)品調(diào)試到老練期間已將產(chǎn)品故障率降低了87%左右。當(dāng)然，因?yàn)樗且环N新的方法，我們還要繼續(xù)摸索和積累更多的數(shù)據(jù)，使它不斷完善。但從國(guó)外普遍應(yīng)用的前景及其發(fā)展的過(guò)程證明了其優(yōu)越性。航天工業(yè)部已推廣了此方法，并訂入可靠性保障大綱而取得明顯效果，愿它在電子行業(yè)中能得到普遍推廣［8～9］。我們還希望除隨機(jī)振動(dòng)控制設(shè)備外，帶有溫度變化速率可控的溫度循環(huán)試驗(yàn)箱也應(yīng)加速研制，以使我國(guó)電子產(chǎn)品的可靠性有大幅度的提高。