電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選研究

李 軍 王玉梅

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所 621900）

1 引言

電子產(chǎn)品的可靠性是衡量其性能的重要指標(biāo)。對(duì)武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品而言，可靠性是產(chǎn)品研制生產(chǎn)者及使用者關(guān)注的重點(diǎn)之一。眾所周知，電子產(chǎn)品的可靠性服從所謂“浴盆曲線”，電子產(chǎn)品的失效率是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化可將失效率劃分為三個(gè)階段，即早期失效期、偶然失效期和耗損失效期。在早期失效期，電子產(chǎn)品的失效率隨時(shí)間的增加而迅速降低，該階段的失效原因大多是由于設(shè)計(jì)、原材料和制造過(guò)程中的缺陷造成的。為了縮短該階段的時(shí)間并剔除出現(xiàn)的早期故障，使得電子產(chǎn)品的失效率處于偶然失效期的較穩(wěn)定階段，人們采用了一些方法和手段，在這些方法和手段中，環(huán)境應(yīng)力篩選作為重要的技術(shù)手段被國(guó)內(nèi)外廣泛使用。尤其是在武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品的研制過(guò)程中，環(huán)境應(yīng)力篩選是必不可少的重要環(huán)節(jié)。鑒于環(huán)境應(yīng)力篩選的重要性，本文對(duì)應(yīng)用于武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)進(jìn)行研究。

2 環(huán)境應(yīng)力篩選簡(jiǎn)述

所謂環(huán)境應(yīng)力篩選（Environmental Stress Screening，ESS），即是在不損壞產(chǎn)品的前提下，選擇若干典型的環(huán)境因素，通過(guò)施加適當(dāng)?shù)沫h(huán)境應(yīng)力，一定的循環(huán)數(shù)及受應(yīng)力的時(shí)間累積，使產(chǎn)品中的潛在缺陷加速暴露出來(lái)，消除產(chǎn)品的早期失效。ESS的目的就是給產(chǎn)品施加一個(gè)接近或等于設(shè)計(jì)的耐環(huán)境強(qiáng)度的應(yīng)力，使薄弱部分提前暴露出來(lái)以便及時(shí)修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品各部分耐環(huán)境能力均大于施加的環(huán)境應(yīng)力，即出現(xiàn)一個(gè)破壞應(yīng)力的下限值，大大縮小陰影區(qū)的面積，使安全范圍擴(kuò)大，提高產(chǎn)品可靠性。

任何潛在的缺陷發(fā)展成為故障都需要受到一定強(qiáng)度應(yīng)力一定時(shí)間的作用，電子產(chǎn)品只有受到能產(chǎn)生等于或大于閾值的環(huán)境應(yīng)力才能使某些缺陷變?yōu)楣收?。在某些溫和的環(huán)境應(yīng)力中，許多缺陷不會(huì)發(fā)展為故障。因此環(huán)境應(yīng)力篩選的目的即是將那些不滿足環(huán)境應(yīng)力要求的部分挑選出來(lái)，通常的環(huán)境應(yīng)力篩選的做法是施加合理的溫度、振動(dòng)等環(huán)境應(yīng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，溫度應(yīng)力可篩選出80%的缺陷，振動(dòng)應(yīng)力可篩選出20%左右的缺陷。

3 典型環(huán)境應(yīng)力

環(huán)境應(yīng)力篩選主要使用溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)兩種應(yīng)力。

3.1 溫度循環(huán)

溫度循環(huán)篩選需要設(shè)定溫度變化范圍、升降溫速率和循環(huán)次數(shù)等參數(shù)。

溫度變化范圍即指溫度循環(huán)從最低溫度到最高溫度的溫度區(qū)間，是環(huán)境應(yīng)力篩選中影響篩選效果的重要參數(shù)之一。通過(guò)擴(kuò)大溫度變化范圍可以提高篩選率。GJB 1032 要求溫度變化范圍“由產(chǎn)品有關(guān)技術(shù)條件確定。一般取產(chǎn)品的工作溫度，也可取非工作溫度”。由于電子產(chǎn)品的差異很大，有的電子產(chǎn)品僅由幾個(gè)或幾十個(gè)元器件及零部件組成，而有的電子產(chǎn)品則可能由成百上千的元器件及部件組成。此外，電子產(chǎn)品的工作環(huán)境和使用要求也不盡相同。因此，溫度變化范圍應(yīng)根據(jù)電子產(chǎn)品的構(gòu)成特點(diǎn)和工作環(huán)境確定。具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)仔細(xì)分析電子產(chǎn)品的各組成部分，分別羅列出它們所能承受的溫度范圍，然后取這些溫度范圍的交集作為溫度變化范圍。只有這樣，才能保證溫度變化范圍選擇不當(dāng)從而造成元器件或部件的損傷。

升降溫速率是影響篩選效率的重要參數(shù)。通常而言，升降溫速率越大篩選效果越好。如果升降溫速率過(guò)小，熱應(yīng)力的作用就大打折扣，會(huì)導(dǎo)致一些潛在的缺陷不足無(wú)法發(fā)展成為故障，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)剔除潛在缺陷的目的。相反，如果升降溫速率過(guò)大，則會(huì)使得熱應(yīng)力強(qiáng)度加大，這有可能對(duì)元器件造成損傷。因此升降溫速率應(yīng)根據(jù)電子產(chǎn)品的自身特點(diǎn)合理選取。GJB 1032提及的參考升降溫速率為5℃/min。

另外，循環(huán)次數(shù)對(duì)篩選效果也有較大的影響，篩選效率隨循環(huán)數(shù)的增加而提高。循環(huán)次數(shù)與電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度相關(guān)，產(chǎn)品越復(fù)雜，所需的溫度循環(huán)次數(shù)越多。

3.2 隨機(jī)振動(dòng)

電子產(chǎn)品的機(jī)械振動(dòng)有正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)等多種振動(dòng)方式。進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，所有諧振頻率都會(huì)受到激勵(lì)，因此在機(jī)械振動(dòng)篩選中隨機(jī)振動(dòng)是最有效的方式。對(duì)電子產(chǎn)品應(yīng)力篩選條件的要求，GJB 1032要求隨機(jī)振動(dòng)篩選的功率譜密度為0.04g2/Hz，頻率范圍為20～2000Hz，在缺陷剔除階段隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間為5min，無(wú)故障檢驗(yàn)階段為5～15min。如果振動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就會(huì)使電子產(chǎn)品出現(xiàn)不應(yīng)發(fā)生的故障。如果有的電子產(chǎn)品在功率譜密度0.04g2/Hz的情況下，不足以激發(fā)潛在缺陷的話，則可適當(dāng)?shù)靥岣哒駝?dòng)量級(jí)和延長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間。隨機(jī)振動(dòng)一般要在三個(gè)軸向上進(jìn)行，如果電子產(chǎn)品中多數(shù)PCB電路為同向排列，則可僅在垂直于印制板方向進(jìn)行的隨機(jī)振動(dòng)。

另外，從提高篩選效率的目的出發(fā)，篩選過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡可能進(jìn)行通電檢測(cè)。這是由于電應(yīng)力本身能將電子產(chǎn)品中的缺陷加速發(fā)展為故障。而且篩選出的故障有近一半是在環(huán)境應(yīng)力下才能發(fā)現(xiàn)的間歇故障，這必須在篩選環(huán)境應(yīng)力作用下通過(guò)通電檢測(cè)才能發(fā)現(xiàn)。在溫度循環(huán)中，降溫階段不要通電，因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品通電產(chǎn)生的熱量會(huì)影響溫度變化速率。在溫度循環(huán)篩選中應(yīng)增加性能檢測(cè)次數(shù)，以利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并修復(fù)。振動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)加電和進(jìn)行性能檢測(cè)，以保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

4 武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選

武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品由于具有高可靠性的要求，需要嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)境應(yīng)力篩選。通常需要分別執(zhí)行元器件級(jí)、印制板組件級(jí)和產(chǎn)品級(jí)的環(huán)境應(yīng)力篩選。印制板組件級(jí)和產(chǎn)品級(jí)的環(huán)境應(yīng)力篩選需參照GJB 1032的條款執(zhí)行，元器件級(jí)的篩選可按照GJB 360.7的規(guī)定采用高低溫極值溫度循環(huán)沖擊的方法進(jìn)行。針對(duì)武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品，環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)盡可能貫穿產(chǎn)品從樣機(jī)研制到定型產(chǎn)品交付的整個(gè)過(guò)程。

電子產(chǎn)品的可靠性是由設(shè)計(jì)方案所決定的，在武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品的樣機(jī)研制階段進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選，在一定程度上可以衡量設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，可以有效提高電子產(chǎn)品的固有可靠性。在該階段，電子產(chǎn)品通常需要分別進(jìn)行缺陷剔除和無(wú)故障檢驗(yàn)試驗(yàn)。缺陷剔除試驗(yàn)的目的是對(duì)電子產(chǎn)品施加規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)和溫度循環(huán)應(yīng)力，以激發(fā)出盡可能多的故障，發(fā)現(xiàn)和排除由于不良元器件、工藝缺陷和其它原因造成的早期失效；無(wú)故障檢驗(yàn)試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證篩選的有效性。

電子產(chǎn)品的可靠性是通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，生產(chǎn)過(guò)程是聯(lián)系產(chǎn)品研制和產(chǎn)品使用的橋梁。在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有多種原因會(huì)向產(chǎn)品引入一些潛在缺陷，這些缺陷必須通過(guò)環(huán)境應(yīng)力篩選予以暴露并剔除。在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)盡可能在組件級(jí)上進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選，盡早剔除早期故障，避免將潛在缺陷帶入產(chǎn)品級(jí)的裝配環(huán)節(jié)中。生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)注重排除產(chǎn)品的潛在缺陷，這樣可以保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品的可靠性符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段所規(guī)定的可靠性指標(biāo)，滿足用戶的使用要求。對(duì)生產(chǎn)多次的定型產(chǎn)品，根據(jù)電子產(chǎn)品的具體情況，可以按照GJB 1032中的“環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)的抽樣和簡(jiǎn)化”的相關(guān)條款執(zhí)行環(huán)境應(yīng)力篩選：對(duì)全數(shù)試驗(yàn)和抽樣試驗(yàn)可設(shè)法簡(jiǎn)化篩選程序，即無(wú)故障檢驗(yàn)可從缺陷剔除試驗(yàn)時(shí)就開(kāi)始計(jì)起，在最大120h的范圍內(nèi)，要求有至少40h的連續(xù)無(wú)故障工作時(shí)間。若前40h不出現(xiàn)故障則可免去其后的試驗(yàn)。此外，對(duì)交付的產(chǎn)品應(yīng)全部進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選。

對(duì)武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品而言，合理的環(huán)境應(yīng)力篩選不會(huì)明顯影響元器件的使用壽命，因?yàn)樵骷氖试谂既皇谑请S時(shí)間緩慢下降的，環(huán)境應(yīng)力篩選對(duì)它們的影響可以忽略不計(jì)。另外，在環(huán)境應(yīng)力篩選中應(yīng)堅(jiān)持失效分析，以利于提高武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品的固有可靠性和使用可靠性。

5 總結(jié)

環(huán)境應(yīng)力篩選是武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過(guò)程的必要環(huán)節(jié)，是確保產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的重要手段。在進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選時(shí)，應(yīng)按照GJB 1032的要求并根據(jù)電子產(chǎn)品的具體情況合理設(shè)定篩選條件。同時(shí)，元器件以及制造技術(shù)在不斷發(fā)展，環(huán)境應(yīng)力篩選也應(yīng)不斷加以完善以適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展。

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