電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選研究

中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 王紅征

1.引言

隨著工程研制的深人，對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性要求提高，電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選ESS工作得到了更加地重視，大量、長期的篩選實(shí)踐證明，ESS是提高電子產(chǎn)品使用可靠性的有效措施。目前環(huán)境應(yīng)力篩選的依據(jù)是90年代實(shí)施的《GJB 1032電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》，但其適用范圍寬，而且隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的篩選條件已不能適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。因此，在工程研制中，需要對(duì)GJB 1032進(jìn)行適當(dāng)裁剪與改進(jìn)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)產(chǎn)品本身的特點(diǎn)來確定應(yīng)力篩選條件，以提高ESS的效能比。

2.環(huán)境應(yīng)力篩選及其應(yīng)用中需注意的問題

在電子產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)過程中，會(huì)因種種原因而引入各種缺陷。ESS的目的就是選擇最能激發(fā)其潛在缺陷的環(huán)境和應(yīng)力，使?jié)撛谌毕菁铀侔l(fā)展成為故障，從而發(fā)現(xiàn)和排除由于不良元器件、制造工藝和其它原因引入的缺陷造成的早期失效[1]。設(shè)計(jì)篩選方法時(shí)，一般考慮同時(shí)使用溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)，并將它們組合起來[2]。在ESS實(shí)施過程中必須注意以下幾個(gè)問題：

(1)環(huán)境應(yīng)力篩選不是一種試驗(yàn)，而是一道工序，沒有通過/不通過準(zhǔn)則。

(2)環(huán)境應(yīng)力篩選不是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，浪費(fèi)資源的行為。

(3)環(huán)境應(yīng)力篩選是一種無損檢驗(yàn)，其應(yīng)力通常不超過產(chǎn)品能承受的極限。

(4)隨機(jī)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)品最好與振動(dòng)臺(tái)保持剛性連接。

(5)溫度循環(huán)時(shí)盡可能地去掉產(chǎn)品外殼。

(6)高組裝等級(jí)的篩選不能代替低組裝等級(jí)的篩選。

3.提高環(huán)境應(yīng)力篩選的有效性

3.1 溫度循環(huán)

溫度循環(huán)的參數(shù)為：上限溫度值、下限溫度值、溫度變化速率、上下限溫度保持時(shí)間和溫度循環(huán)次數(shù)。由GJB/Z34提供的溫度循環(huán)篩選度的公式[3](1)可以看出，影響溫度循環(huán)篩選效果的參數(shù)主要是溫度范圍、溫度變化率以及循環(huán)次數(shù)。

式中：

R—溫度循環(huán)中的溫度變化范圍(℃)；

—溫度變化速率(℃/min)；

N—循環(huán)次數(shù)；

e—自然對(duì)數(shù)的底數(shù)。

3.1.1 溫度范圍

溫度范圍的確定要根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)極限工作溫度、產(chǎn)品的儲(chǔ)存極限溫度以及在篩選過程中是否通電等情況綜合考慮。但是應(yīng)盡可能增加溫度變化的幅度，以提高篩選的效率。

因此，為了進(jìn)一步提高電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選的有效性，篩選方法可以同時(shí)使用產(chǎn)品的存儲(chǔ)溫度和工作溫度，增加溫度變化的范圍。例如某車載電子產(chǎn)品的存儲(chǔ)溫度為-40～+60℃，工作溫度為-10～+40℃，其溫度循環(huán)的條件為在-40/+60℃時(shí)儲(chǔ)存不通電，在-10/+40℃時(shí)通電工作，溫變率為5℃/min，溫度循環(huán)次數(shù)為10次(最后三個(gè)循環(huán)連續(xù)無故障)。事實(shí)證明該方法能有效地剔除早期故障，提高產(chǎn)品的使用可靠性。

3.1.2 溫度變化率

一般來說，溫變率越高，篩選效果越好。在溫度循環(huán)中，升降溫速率的快慢直接影響到熱應(yīng)力的強(qiáng)度。根據(jù)GJB1032中對(duì)于溫變率的要求是“不低于5℃/min”。工程應(yīng)用中對(duì)很多產(chǎn)品的篩選條件設(shè)置都為5℃/min，但是由于受篩產(chǎn)品本身的熱慣性，試驗(yàn)箱中受試產(chǎn)品的實(shí)際溫變率小于5℃/min，而且產(chǎn)品越復(fù)雜，其實(shí)際溫變率就越低。如果受試產(chǎn)品采用密閉機(jī)箱，其內(nèi)部溫變率將更低，將嚴(yán)重影響篩選的有效性。假設(shè)將某簡單電子產(chǎn)品A和復(fù)雜電子產(chǎn)品B放在篩選箱內(nèi)，按溫度范圍為-55～+70℃，溫度變化率為5℃/min的條件進(jìn)行溫度循環(huán)。由于產(chǎn)品A的熱慣性較小，產(chǎn)品A能很快響應(yīng)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度變化，設(shè)其全程平均的升降溫速率均為4.0℃/min，而產(chǎn)品B平均的升降溫速率為1.5℃/min。按溫度循環(huán)篩選度公式，假設(shè)都進(jìn)行10個(gè)溫度循環(huán)，可計(jì)算出產(chǎn)品A和B的篩選度分別為：0.8817和0.602。

因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品本身的熱慣性和試驗(yàn)設(shè)備的能力等確定溫度變化率?，F(xiàn)在很多電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選溫度變化率都有所提高，尤其是機(jī)載電子產(chǎn)品。提高溫變率除了提高篩選效能之外，還可以縮短溫度循環(huán)時(shí)間節(jié)約能源。因此，建議結(jié)構(gòu)簡單，易達(dá)到熱平衡的產(chǎn)品，升降溫速率可以取得稍微小些；對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品，殼體密封性又較好的產(chǎn)品，升降溫速率要取得稍微大些，但是不能對(duì)電子產(chǎn)品造成疲勞破壞。

3.1.3 溫度循環(huán)次數(shù)

根據(jù)GJB 1032，電子產(chǎn)品缺陷剔除階段的溫度循環(huán)為10次或12次；無故障檢驗(yàn)階段的溫度循環(huán)為10-20次或12-24次。GJB 1032中規(guī)定的溫度循環(huán)次數(shù)已不能完全適用于所有產(chǎn)品，實(shí)際產(chǎn)品中通常采取將故障剔除階段和無故障循環(huán)階段簡化。例如某地面設(shè)備的溫度循環(huán)就選擇了GJB 1032中的簡化方案，在最大120h的范圍內(nèi)，要求有至少40h的連續(xù)無故障工作時(shí)間，其溫度范圍為-40～+55℃，溫度變化率為10℃/min，該方案的篩選度為0.9866，能達(dá)到暴露產(chǎn)品早期缺陷的目的。

表1所示列出了一些不同溫度循環(huán)條件下對(duì)應(yīng)的篩選度。

表1 不同條件下的溫度循環(huán)篩選度

由此可以看出在選擇合理的溫變率、溫度上下限的情況下，可以根據(jù)篩選度來確定溫度循環(huán)次數(shù)，既可以有效剔除潛在缺陷，減少早期故障，又可以節(jié)約資源。

目前還有很多產(chǎn)品的篩選應(yīng)力由傳統(tǒng)的單項(xiàng)應(yīng)力順序施加發(fā)展為綜合應(yīng)力，即同時(shí)施加溫度循環(huán)和振動(dòng)應(yīng)力，縮短了篩選時(shí)間，提高了篩選效率。例如某機(jī)載電子產(chǎn)品在采用綜合應(yīng)力的條件下做連續(xù)5個(gè)無故障循環(huán)，溫變率為10℃/min左右，大大提高了篩選的效費(fèi)比。

3.2 隨機(jī)振動(dòng)

由隨機(jī)振動(dòng)剔除早期缺陷的機(jī)理可知，隨機(jī)振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的損傷是疲勞累積效應(yīng)，達(dá)到一定程度后即可形成疲勞破壞，因此不能隨意增加振動(dòng)時(shí)間。為了最大限度減少隨機(jī)振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品壽命的影響，GJB1032規(guī)定隨機(jī)振動(dòng)在0.04g2/Hz功率譜密度值作用下，不得超過20min。通過篩選實(shí)踐分析認(rèn)為20min是對(duì)單個(gè)軸向、單個(gè)組裝等級(jí)來說的。

振動(dòng)軸向的選擇取決于產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、內(nèi)部部件布局以及產(chǎn)品對(duì)不同軸向振動(dòng)的靈敏度。GJB1032規(guī)定隨機(jī)振動(dòng)方向一般選擇一個(gè)軸向施振，即可以有效完成篩選[4]。在實(shí)際操作中，通常選擇垂直軸向進(jìn)行振動(dòng)。由于實(shí)際產(chǎn)品中的印制板不僅呈一個(gè)方向排列，對(duì)于不同布置的印制板而言，在單個(gè)方向的振動(dòng)中，其承受的振動(dòng)應(yīng)力有很大的區(qū)別。所以，為了提高篩選的有效性，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)選擇振動(dòng)的軸向，必要時(shí)可以進(jìn)行兩個(gè)方向或三個(gè)方向的振動(dòng)。例如某彈載產(chǎn)品的振動(dòng)選擇3個(gè)軸向，振動(dòng)時(shí)間5min/軸向，溫度循環(huán)前一個(gè)敏感軸向，溫度循環(huán)后其它兩個(gè)軸向施加。

3.3 環(huán)境應(yīng)力篩選中的電應(yīng)力

篩選中是否通電和進(jìn)行性能檢測(cè)要視具體情況來確定。從提高篩選效果出發(fā)，篩選中應(yīng)盡量地通電并進(jìn)行性能檢測(cè)。在溫度循環(huán)中，降溫及低溫保持階段應(yīng)斷電，因?yàn)橥娛巩a(chǎn)品發(fā)熱，會(huì)影響產(chǎn)品溫度變化速率；另一方面，低溫結(jié)束前進(jìn)行通電檢測(cè)時(shí)可以考核產(chǎn)品的低溫啟動(dòng)能力。隨機(jī)振動(dòng)中，通電篩選最合適的組裝等級(jí)是單元級(jí)，因?yàn)榇藭r(shí)已積累了足夠數(shù)量的缺陷，可使整個(gè)單元激發(fā)起適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)。所以在可以通電的情況下，要盡量進(jìn)行通電篩選，以更好的鑒別和剔除產(chǎn)品的早期故障。

4.結(jié)束語

環(huán)境應(yīng)力篩選對(duì)于提高產(chǎn)品的使用可靠性，減少現(xiàn)場故障率有非常重要的作用。為了保證產(chǎn)品能有更高的可靠性，需要加強(qiáng)對(duì)ESS的理解，同時(shí)對(duì)篩選條件進(jìn)行分析和改進(jìn)，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)ESS的目標(biāo)。

[1]何國偉,戴慈莊.可靠性試驗(yàn)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

[2]祝耀昌.環(huán)境應(yīng)力篩選譯文集(第四集)[C].航空工業(yè)總公司第三零一研究所,1996.

[3]GJB/Z34《電了產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》[M].北京:國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1993.

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