艦船電子產(chǎn)品高加速環(huán)境應(yīng)力篩選方法研究

董正明，馬曉峰

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

環(huán)境應(yīng)力篩選是剔除電子產(chǎn)品早期故障的重要方法，通過對電子產(chǎn)品施加一定的環(huán)境應(yīng)力，可以將產(chǎn)品中的缺陷(主要是工藝缺陷)激發(fā)成早期故障并予以剔除[1]。由于環(huán)境應(yīng)力篩選是針對所有產(chǎn)品進(jìn)行的，要求100%開展環(huán)境應(yīng)力篩選，而目前采用的環(huán)境應(yīng)力篩選方法還屬于常規(guī)的篩選，篩選所需的時(shí)間長，篩選效果難以精確評價(jià)，無論是對于大型復(fù)雜系統(tǒng)還是大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，環(huán)境應(yīng)力篩選都占據(jù)了大量的時(shí)間，嚴(yán)重影響了科研生產(chǎn)的開展和產(chǎn)品的及時(shí)交付。因此，生產(chǎn)廠家需要更高效的篩選方法，希望利用更短的時(shí)間完成篩選工作，達(dá)到相同或更好的效果。艦船產(chǎn)品由于所處的平臺與其他產(chǎn)品不同，其故障發(fā)生的原因和規(guī)律受其環(huán)境的影響也有所不同。隨著艦船產(chǎn)品的需求迅速增加，每年的生產(chǎn)任務(wù)成倍增加，原有常規(guī)篩選效率和周期遠(yuǎn)不能滿足需要。本文主要研究艦船電子產(chǎn)品高加速應(yīng)力篩選方法，在常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選的基礎(chǔ)上，針對不同類別的產(chǎn)品，在不改變故障模式和失效機(jī)理的條件下，采用更加有效激發(fā)早期故障的應(yīng)力種類、量級和施加方法，實(shí)現(xiàn)縮短時(shí)間的高效環(huán)境應(yīng)力篩選。

1 艦船電子產(chǎn)品早期故障誘發(fā)因素研究

艦船電子產(chǎn)品由于所處的環(huán)境不同，與其它電子產(chǎn)品相比，既有電子產(chǎn)品共同的特點(diǎn)，又有其特殊性。電子產(chǎn)品的故障發(fā)生與其工作環(huán)境關(guān)系極大，而艦船電子產(chǎn)品所承受的環(huán)境包含3個(gè)方面：自然環(huán)境、平臺環(huán)境、誘發(fā)環(huán)境。自然環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、鹽霧、霉菌、太陽輻射、海浪及其他自然環(huán)境因素；平臺環(huán)境因素主要包括振動、沖擊、顛震、搖擺與傾斜；誘發(fā)環(huán)境因素主要包括裝配過程是否適當(dāng)、“三防”處理是否滿足要求。通過以上分析，影響艦船電子產(chǎn)品故障發(fā)生的因素是多方面的，但是，這些影響因素所產(chǎn)生的效應(yīng)在產(chǎn)品的壽命周期中所處階段卻有區(qū)別。根據(jù)對近年來用戶反映的產(chǎn)品故障情況統(tǒng)計(jì)分析，可得出以下結(jié)論：溫度、機(jī)械振動是導(dǎo)致艦船電子產(chǎn)品發(fā)生故障的重要因素，也是導(dǎo)致其發(fā)生早期故障的重要因素，但在溫度、機(jī)械振動應(yīng)力撤除后，不會存在殘余應(yīng)力，對產(chǎn)品的后續(xù)使用也不會產(chǎn)生影響；鹽霧、霉菌和潮濕等環(huán)境因素在應(yīng)力撤除后，影響不會消失，將繼續(xù)產(chǎn)生影響，如腐蝕的化學(xué)過程并未停止，只是可能反應(yīng)速度變慢一些。

施加環(huán)境應(yīng)力，使產(chǎn)品內(nèi)部的缺陷變成早期故障表現(xiàn)出來，且在應(yīng)力撤除后，產(chǎn)品不應(yīng)有應(yīng)力殘余[2]。通過以上分析，鹽霧、霉菌、潮濕這幾種應(yīng)力不宜作為環(huán)境應(yīng)力篩選選擇的應(yīng)力，同時(shí)通過收集到的艦船電子產(chǎn)品早期故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出其影響因素仍然以溫度與振動為主，表1羅列出溫度和振動應(yīng)力激發(fā)的幾種早期缺陷。

表1 溫度和振動應(yīng)力激發(fā)的幾種典型缺陷

根據(jù)GJB/Z34-1993電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南[3]對各類產(chǎn)品中析出的缺陷分布情況統(tǒng)計(jì)，利用溫度循環(huán)可激發(fā)出產(chǎn)品約80%的缺陷,隨機(jī)振動可激發(fā)出產(chǎn)品約20%的缺陷，如表2所示。

2 艦船電子產(chǎn)品高加速篩選應(yīng)力研究

根據(jù)前面的分析，高加速篩選應(yīng)力應(yīng)選擇溫度、振動和電應(yīng)力。環(huán)境篩選應(yīng)力施加形式一般分為溫度應(yīng)力、振動應(yīng)力及溫度與振動的組合應(yīng)力。溫度應(yīng)力包括高低溫貯存、高溫工作、快速溫變溫度循環(huán)、慢速溫變溫度循環(huán)、溫度沖擊；振動應(yīng)力包括掃頻正弦振動、隨機(jī)振動等，其效果各不相同[4]。溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力激發(fā)的缺陷雖有某些相同之處，但其激發(fā)的主要缺陷類型是不相同的，不能互相取代。與單個(gè)應(yīng)力分別施加相比，綜合應(yīng)力更能有效激發(fā)產(chǎn)品的早期缺陷，只要試驗(yàn)條件容許，高加速應(yīng)力篩選應(yīng)采用綜合應(yīng)力。

表2 各種產(chǎn)品中篩出缺陷的分布情況

艦船電子產(chǎn)品高加速應(yīng)力篩選的應(yīng)力采用溫度循環(huán)加隨機(jī)振動的綜合應(yīng)力，同時(shí)施加滿載電應(yīng)力。在高加速應(yīng)力篩選中，為了縮短溫度保持時(shí)間，將篩選的溫度極限值在設(shè)備的工作極限溫度外各擴(kuò)展了5 ℃；從費(fèi)效比考慮，風(fēng)速在2 m/s～4 m/s時(shí)，確定升降溫速率為10 ℃/min；高低溫保持時(shí)間為30～60 min；循環(huán)周期選擇5個(gè)。隨機(jī)振動篩選頻率范圍為20～2 000 Hz，功率譜密度為0.02～0.06 g2/Hz，施加應(yīng)力時(shí)間為10 min。電應(yīng)力在升溫及高溫保持過程中，通電時(shí)滿負(fù)載工作，降溫及低溫保持過程中不通電，具體篩選條件如圖1、圖2所示，篩選過程如圖3所示。其中：TU為高溫設(shè)定值；TL為低溫設(shè)定值；tU為低溫保持時(shí)間；tL為高溫保持時(shí)間；t為通電時(shí)間。

圖1 溫度循環(huán)曲線

圖2 隨機(jī)振動譜曲線

3 高加速應(yīng)力篩選與常規(guī)應(yīng)力篩選對比分析

首先進(jìn)行篩選效率分析。根據(jù)高加速應(yīng)力篩選方案，產(chǎn)品上承受的應(yīng)力與常規(guī)篩選相比，有了明顯的提高，具體見表3高加速應(yīng)力篩選參數(shù)與常規(guī)應(yīng)力篩選參數(shù)對比表。

圖3 高加速環(huán)境應(yīng)力篩選流程

表3 高加速應(yīng)力篩選參數(shù)與常規(guī)應(yīng)力篩選參數(shù)對比

從理論上分析，由于高加速應(yīng)力篩選的應(yīng)力比常規(guī)篩選時(shí)更大(綜合應(yīng)力)，因而對激發(fā)早期故障的效果更好；由于提高了溫度變化的速率及高低溫極限值，因此縮短了溫度保持時(shí)間，提高了篩選的效率[5]。以某型電子設(shè)備為例分析，常規(guī)篩選1個(gè)溫度循環(huán)篩選周期的時(shí)間與高加速應(yīng)力篩選所需要的時(shí)間對比見表4。由表4可見，高加速溫度應(yīng)力篩選時(shí)間比常規(guī)溫度應(yīng)力篩選最短溫度篩選時(shí)間縮短了74%；而且，高加速應(yīng)力施加的是溫度與振動的綜合應(yīng)力，振動應(yīng)力篩選不占用篩選時(shí)間，而常規(guī)應(yīng)力篩選溫度循環(huán)與振動篩選分別進(jìn)行，考慮到振動篩選本身需要一定的時(shí)間外，再加上設(shè)備做完溫度篩選搬到振動臺重新連接電纜、設(shè)備加電恢復(fù)工作需要一定的時(shí)間，因此總的高加速環(huán)境應(yīng)力篩選的時(shí)間比常規(guī)篩選時(shí)間可以縮短80%以上，篩選的效率非常明顯。

表4 高加速應(yīng)力篩選與常規(guī)應(yīng)力篩選效率比

再次進(jìn)行篩選效果對比分析。從缺陷析出數(shù)和殘留缺陷密度兩方面對篩選效果進(jìn)行分析。為了驗(yàn)證高加速應(yīng)力篩選的效果，選取3套雷達(dá)設(shè)備及1套對抗設(shè)備實(shí)施高加速應(yīng)力篩選，對另外1套雷達(dá)設(shè)備及1套對抗設(shè)備實(shí)施常規(guī)應(yīng)力篩選。6套設(shè)備篩選析出故障情況見表5。對比發(fā)現(xiàn)，在缺陷析出數(shù)方面，高加速應(yīng)力篩選優(yōu)于常規(guī)應(yīng)力篩選。

表5 高加速應(yīng)力篩選與常規(guī)應(yīng)力篩選析出故障列表

對上述6套設(shè)備后續(xù)發(fā)生故障情況進(jìn)行1年多時(shí)間的跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn) 6套設(shè)備在完成環(huán)境應(yīng)力篩選后，又分別進(jìn)行了可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，在所有試驗(yàn)和后續(xù)使用中，經(jīng)過高加速應(yīng)力的設(shè)備都沒有發(fā)生故障，只有經(jīng)過常規(guī)應(yīng)力篩選的1套代碼為12Z190的對抗設(shè)備2在環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中發(fā)生了一次故障，詳見表6，高加速應(yīng)力篩選的殘留缺陷密度低于常規(guī)應(yīng)力篩選。

表6 對抗設(shè)備2在環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)期間出現(xiàn)的故障

上述對比分析表明，高加速環(huán)境應(yīng)力篩選相比常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選，篩選時(shí)間可以縮短80%以上，效率非常明顯，對于剔除缺陷，篩選效果具有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

本文研究了艦船電子產(chǎn)品故障發(fā)生的誘發(fā)環(huán)境因素及其影響，研究了激發(fā)早期故障的應(yīng)力種類；確定了高加速環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)采用的應(yīng)力和量級、施加方法，尋找到最佳艦船電子產(chǎn)品高加速環(huán)境應(yīng)力篩選方案；形成的艦船電子產(chǎn)品高加速環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)范對艦船電子產(chǎn)品進(jìn)行高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。