環(huán)境應(yīng)力篩選試驗故障排除方案探討

劉銀玲

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品在各領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，已廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域及民用市場，而在使用中出現(xiàn)的質(zhì)量與可靠性問題也日益增多，給電子裝備的產(chǎn)品維修造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并且直接影響了整機(jī)系統(tǒng)的可靠性。為了提高電子產(chǎn)品在使用階段的質(zhì)量與可靠性和減少維修費用，根據(jù)電子產(chǎn)品失效機(jī)理，在研制、生產(chǎn)階段，對電子產(chǎn)品施加一定的環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行篩選，將其內(nèi)部的潛在缺陷加速變成故障，以鑒別和剔除產(chǎn)品工藝和元器件引起的早期失效。在環(huán)境應(yīng)力篩選過程中，電子產(chǎn)品難免會出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障后，必然要采取措施進(jìn)行排除；否則，如果對故障不予排除，那么，不僅會使產(chǎn)品存在故障隱患，而且也失去了環(huán)境應(yīng)力篩選的意義。因此，如何排除故障是值得我們探討的問題。在排故過程中，故障排除方案的制訂也至關(guān)重要，因為欠應(yīng)力則故障定位不準(zhǔn)確，過應(yīng)力則勢必會影響電子產(chǎn)品的壽命。現(xiàn)結(jié)合工程實際，針對環(huán)境應(yīng)力篩選試驗中出現(xiàn)的故障，從應(yīng)力篩選試驗項目的選取及其條件進(jìn)行分析，闡述如何制訂應(yīng)力篩選故障排除方案，并通過示例進(jìn)行說明，與大家一起學(xué)習(xí)、交流。

1 環(huán)境應(yīng)力篩選項目的確定

1.1 選取高效的篩選項目

美國曾對40多家企業(yè)進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，在各種常用的篩選應(yīng)力中，按其篩選效率加以比較，依次為溫度循環(huán)、隨機(jī)振動、高溫、電性應(yīng)力、熱沖擊、定頻正弦振動、低溫、正弦掃描振動、復(fù)合環(huán)境、機(jī)械沖擊、濕度、加速度及高度等。根據(jù)工程數(shù)據(jù)顯示，其中 “溫度循環(huán)”和 “隨機(jī)振動”的效率最佳，是近年來國際上發(fā)展很快的一種高可靠度電子產(chǎn)品的篩選技術(shù)，可以暴露90%以上的工藝缺陷和元器件缺陷，特別是隨機(jī)振動篩選對整機(jī)來說極為重要。某些資料報道，通過隨機(jī)振動篩選，可使整機(jī)失效率約降低2/3。因此，根據(jù)費效比，電子產(chǎn)品一般選擇 “溫度循環(huán)”和 “隨機(jī)振動”作為環(huán)境應(yīng)力篩選項目。

1.2 篩選條件

a）溫度循環(huán)的條件

根據(jù)GJB 1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[1]中的規(guī)定，溫度循環(huán)數(shù)及溫度試驗時間為：在缺陷剔除試驗中，溫度循環(huán)次數(shù)為10次或12次，相應(yīng)的試驗時間為40 h；在無故障檢測試驗中，則為10～20次，或12～24次，相應(yīng)的試驗時間為40～80 h。在實際確定的溫度循環(huán)方案中，一般需要根據(jù)選取的篩選產(chǎn)品，如印制電路板組件、單元級組件、整機(jī)，進(jìn)行綜合考慮，以確定溫度范圍、溫度循環(huán)次數(shù)和溫度試驗時間。

b）隨機(jī)振動的條件

根據(jù)GJB 1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》中的規(guī)定，隨機(jī)振動的條件為，功率譜密度：0.04 g2/Hz；頻率范圍：20～2000 Hz；振動持續(xù)時間： （5+15） min；通/斷：通電監(jiān)測。其中，振動持續(xù)時間 （5+15） min的意義為：前5 min為剔除故障時間；后15 min為無故障檢測時間，并且應(yīng)有連續(xù)5 min無故障。

2 故障排除方案的確定

在開始環(huán)境應(yīng)力篩選試驗之前，就應(yīng)當(dāng)制訂出一個詳細(xì)的故障尋找方案。該方案可以是正文中試驗步驟的一部分或補充，它應(yīng)與產(chǎn)品性能監(jiān)測工作相協(xié)調(diào)，并盡可能地充分利用機(jī)內(nèi)檢測和性能監(jiān)測得到的全部數(shù)據(jù)，包括趨向性數(shù)據(jù)，以此來判斷和發(fā)現(xiàn)故障所在。

2.1 故障產(chǎn)品的選取

在進(jìn)行電子產(chǎn)品應(yīng)力篩選時，對器件的失效或工藝的缺陷一般都容易查出，但有時有些故障的產(chǎn)生會影響被監(jiān)測產(chǎn)品的性能，致使故障確診困難。此時可考慮對產(chǎn)品故障進(jìn)行層層分解，直到在較低的裝配級別 （如模塊或組件上），施加一定的環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行故障尋找。

2.2 性能監(jiān)測的要求

施加環(huán)境應(yīng)力期間，應(yīng)盡可能多地監(jiān)測產(chǎn)品性能參數(shù)，一旦某一故障出現(xiàn)而且將影響其它功能監(jiān)測時，則應(yīng)停止試驗，開始故障尋找。

2.3 溫度應(yīng)力的要求

對于溫度循環(huán)，如果故障是周期出現(xiàn)的，則應(yīng)記錄故障產(chǎn)生的時刻及相應(yīng)的電應(yīng)力和溫度應(yīng)力狀況，接著開始進(jìn)行故障尋找。

a）若已知首次出現(xiàn)故障的時刻，則應(yīng)在該時刻的相應(yīng)環(huán)境應(yīng)力量級下查找故障所在。

b）如果不知道故障出現(xiàn)的確切時刻或上述尋找無結(jié)果，則可能需要進(jìn)行一次或一次以上的溫度循環(huán)以便查找出故障所在。因為根據(jù)溫度循環(huán)方案，溫度循環(huán)的次數(shù)有許多次，并且有余量，故所增加的溫度循環(huán)一般不會影響產(chǎn)品的使用壽命。

2.4 振動應(yīng)力的要求

從隨機(jī)振動條件中得知，振動持續(xù)時間為（5+15）min（功率譜密度為0.04 g2/Hz），其中，15 min振動試驗用于故障排除的試驗時間只有10 min。因此，隨機(jī)振動對產(chǎn)品承受隨機(jī)振動的能力有限制，與溫度循環(huán)不同，不能隨意地增加振動時間。

為了最大限度地減少為故障尋找而必須進(jìn)行的隨機(jī)振動對產(chǎn)品壽命的影響，規(guī)定篩選及故障尋找施加振動總時間，在0.04 g2/Hz功率譜密度值的作用下，不得超過20 min，其中故障尋找試驗應(yīng)在盡可能低的振級上進(jìn)行，以使等效時間減至最小。等效時間TD的計算公式為：

式 （1）中：TD——在其它應(yīng)力水平 （功率譜密度W）下的等效振動時間 （min）；

W——實際施加的應(yīng)力水平 （功率譜密度值）。

數(shù)值計算結(jié)果參見GJB 1032-1990，如表1所示。

表1 振動量級與時間的等效關(guān)系

3 示例

從以上的闡述可知，尋找故障時施加的環(huán)境應(yīng)力的難點是振動條件的選取。這是因為，如果施加的振動條件的選取較大，則有可能對產(chǎn)品產(chǎn)生過應(yīng)力的傷害；如果施加的振動條件的選取較小，則有可能因欠應(yīng)力而不能暴露產(chǎn)品的缺陷，達(dá)不到分析的效果。有鑒于此，下面以一個示例對尋找故障時施加的振動條件的選取進(jìn)行探討。

一般地，進(jìn)行印制板組件、單元 （分機(jī)、整件）級或設(shè)備級篩選時，隨機(jī)振動應(yīng)力條件為：功率譜密度取0.04 g2/Hz，總振動時間不超過20 min。其中，前5 min（0.04 g2/Hz）為缺陷剔除試驗時間，在后面的15 min試驗時間內(nèi)，無故障檢驗中，不允許出現(xiàn)故障的檢測時間為5 min（0.04 g2/Hz），這樣，只允許余10 min（0.04 g2/Hz）來發(fā)現(xiàn)和查找故障。

根據(jù)以上試驗情況，制訂一個故障尋找方案，其示例如表2所示。

表2 故障尋找方案示例

4 結(jié)束語

環(huán)境應(yīng)力篩選故障尋找方案是環(huán)境應(yīng)力篩選的重要內(nèi)容之一。篩選的目的就是剔除或發(fā)現(xiàn)早期失效的產(chǎn)品。對于出現(xiàn)的故障如果不加以排查，或?qū)⑵湔麄€報廢，存在的缺陷隱患仍然存在，也就失去了篩選的意義。因此，制訂篩選故障尋找方案既有必要，又要合理，才能到達(dá)事半功倍的效果。不妥之處，敬請批評指正。

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