常規(guī)試驗設(shè)備溫度循環(huán)應(yīng)力篩選技術(shù)改進

楊喜存，李穎

(1.西安電子工程研究所，西安710100;2.西南技術(shù)工程研究所，重慶400039)

環(huán)境應(yīng)力篩選(ESS)技術(shù)，在雷達(dá)的研制生產(chǎn)過程中得到了廣泛深入的應(yīng)用，這對剔除產(chǎn)品早期故障起到了良好的作用。根據(jù)一個時期對雷達(dá)分系統(tǒng)組件、整機進行溫度循環(huán)應(yīng)力篩選試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境應(yīng)力篩選過程中，試件暴露出的問題越來越少，一些潛在缺陷并未及時暴露出來，導(dǎo)致產(chǎn)品交付后維修成本大幅增加。加之溫度循環(huán)應(yīng)力篩選試驗費時耗力、試驗周期長、試驗成本高、試驗效率低等因素，不能很好地滿足產(chǎn)品實際試驗需求，因此，急需對常規(guī)試驗設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)改進。

1 溫度循環(huán)應(yīng)力篩選

1.1 目的

溫度循環(huán)應(yīng)力篩選是指對單板級、各分系統(tǒng)及以上各層次產(chǎn)品施加合理溫度應(yīng)力，將它們內(nèi)部的潛在缺陷加速變成故障，并加以發(fā)現(xiàn)和排除的過程，達(dá)到剔除產(chǎn)品早期故障的目的［1］。

1.2 篩選參數(shù)

溫度循環(huán)篩選的基本篩選參數(shù)包括:上限溫度θu，下限溫度θl，溫度變化范圍R=θu-θl，溫度變化率v，上限保溫時間tu，下限保溫時間tl，溫度保持時間t=tu+tl，循環(huán)次數(shù)N等。

篩選度經(jīng)驗計算模型為［2］:

1.3 溫度循環(huán)應(yīng)力的特性

在溫度循環(huán)試驗中，隨著試驗箱溫度的變化和保持，溫度應(yīng)力作用在產(chǎn)品上，使產(chǎn)品的材料受到考驗。其中溫度變化范圍、溫度變化率和循環(huán)次數(shù)是激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷的主要因素。

2 結(jié)果統(tǒng)計分析

2.1 理想情況

常用溫度循環(huán)試驗參數(shù)(依據(jù)企業(yè)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗大綱)及理想SS值見表1。

由表1可知，按這些溫度循環(huán)試驗參數(shù)得出的篩選度均在0.94以上，期望值很高。

表1 常用溫度循環(huán)試驗參數(shù)及理想SS值Table 1 Common parameters of temperature circle test and ideal SS values

2.2 實際情況

實際溫度循環(huán)應(yīng)力篩選結(jié)果見表2。由表2可知，全年125次溫度循環(huán)應(yīng)力篩選試驗暴露出的早期故障率僅為1.6%。據(jù)2012年對雷達(dá)分系統(tǒng)組件整機進行溫度循環(huán)應(yīng)力篩選試驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在環(huán)境應(yīng)力篩選過程中暴露出的故障數(shù)量、故障部位與使用應(yīng)力施加強度的相關(guān)性不明顯，暴露的問題越來越少，一些潛在缺陷并未及時暴露出來，導(dǎo)致產(chǎn)品交付后維修成本大幅增加。

表2 2012年主要產(chǎn)品溫度循環(huán)應(yīng)力篩選結(jié)果統(tǒng)計表Table 2 Result statistics of temperature circle test ESS in 2012

3 原因分析

3.1 理論分析

根據(jù)篩選度公式(1)，在溫度循環(huán)應(yīng)力篩選中，SS值主要取決于溫度變化范圍R、溫度變化速率v及循環(huán)次數(shù)N。提高R或v的值能加速產(chǎn)品的熱脹冷縮程度，縮短時間，增強溫度應(yīng)力，而N值的增加則能聚集這種能量的發(fā)揮。因此R，v，N這3種參數(shù)中任一參數(shù)量值的增大均能增強溫度循應(yīng)力環(huán)篩選效果。通常，產(chǎn)品的溫度變化范圍R是一定的，往往選取產(chǎn)品工作溫度范圍或儲存溫度范圍，而且希望暴露出缺陷所需的循環(huán)次數(shù)越少越好，以便節(jié)省試驗時間，減少經(jīng)費。這樣，從理論上講，要提高溫度循環(huán)應(yīng)力篩選效果，必須提高溫度變化速率［3］。

3.2 實際情況

在實際試驗中，由于受產(chǎn)品本身材料熱慣性的限制［4］，以及產(chǎn)品在試驗箱內(nèi)隨意擺放情況、產(chǎn)品的復(fù)雜程度等因素的影響，產(chǎn)品本身實際溫變速率常常低于試驗箱內(nèi)空氣的溫度變化速率，這樣產(chǎn)品的篩選度就達(dá)不到理想的效果，造成產(chǎn)品在篩選中暴露出的故障很少。

3.2.1 測試實例

某雷達(dá)頻率綜合器的主要作用是產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)所需的各種微波和各種微波基準(zhǔn)信號，是雷達(dá)的一種重要系統(tǒng)，制造與驗收規(guī)范要求對它們進行全數(shù)篩選。為了保證篩選的有效性，事先做了如下準(zhǔn)備:將頻率綜合器面板打開，在內(nèi)部第1塊和第2塊板子上各布了1個熱電偶，另在其幾何中心懸掛1個熱電偶，這些工作做好后，將面板裝上，用這3個熱電偶測量試件在試驗中實際的溫度值，求出試件實際溫變速率平均值。試驗條件以該試件環(huán)境應(yīng)力篩選參數(shù)為準(zhǔn):θu=55℃，θl=-40℃，v=5℃/min (試驗箱內(nèi)平均溫變率)，N=10。測量結(jié)果見表3。

3.2.2 計算結(jié)果

由公式(1)計算得出的理論篩選度、實際篩選度見表4。

某雷達(dá)頻率綜合器在溫度循環(huán)應(yīng)力篩選中實際篩選度僅為0.54，遠(yuǎn)沒有達(dá)到理論值，因此篩選效果不理想，造成篩選中產(chǎn)品析出故障率很低。

表3 實測試件溫度變化速率Table 3 Change rate of temperaturemeasured in the tests

表4 某雷達(dá)頻率綜合器篩選度Table 4 Screening strength of frequency processor of a radar

3.2.3 結(jié)果分析

由3.2.2計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在SS與R，N，v的函數(shù)關(guān)系式(1)中，當(dāng)R，N確定時，溫度變化率v對SS的影響很大。

如果取R=95℃，N=10，v取5～10℃/min，SS隨v變化函數(shù)曲線如圖1示。

圖1 SS隨溫變率變化曲線Fig.2 Variation of SSwith temperature velocity

很明顯，當(dāng)溫度變化范圍R和循環(huán)次數(shù)N相同時，溫變率越高，篩選度越高。

如果要達(dá)到實際理想的篩選度，如0.92以上，由SS與R，N，v的關(guān)系式(1)得出N與SS，R，v的關(guān)系式:

取SS=0.92，R=95，則循環(huán)次數(shù)N隨溫變率v的變化曲線如圖2示。由圖2可知，當(dāng)R，SS不變時，v越高，N越短。在實際工作中，為節(jié)省篩選時間，在設(shè)備能力允許的條件下，應(yīng)提高隨溫變率v，減少循環(huán)次數(shù)N。

圖2 循環(huán)次數(shù)隨溫變率變化曲線Fig.2 Variation of cycle time with temperature velocity

4 結(jié)論

提高溫度變化速率，減少溫度循環(huán)次數(shù)，就能保證篩選度的要求是可能的。如對于結(jié)構(gòu)簡單、體積較小的試件，利用10～15℃/min的溫變速率只進行3次循環(huán)等效于標(biāo)準(zhǔn)的10次循環(huán)［5］。

根據(jù)以上論述可知，提高溫變速率v是保證高篩選度的重要途徑，針對現(xiàn)有試驗設(shè)備，給出以下建議供參考。

1)試驗時，溫變率設(shè)置成不低于10℃/min，就可保證篩選度達(dá)0.90以上。

2)對試驗箱中產(chǎn)品的擺放提出要求:被試產(chǎn)品必須擺在支架上，產(chǎn)品與試驗箱底部、頂部及四周箱壁之間有足夠的間隔距離，保證氣流能在產(chǎn)品之間、試驗產(chǎn)品與箱壁之間自由循環(huán)，產(chǎn)品開蓋、開箱進行溫度循環(huán)，從而提高產(chǎn)品的實際溫變率。

3)對循環(huán)次數(shù)的要求，原則上在溫變率設(shè)置成10～15℃/min時，對于復(fù)雜程度不高、制造工藝較簡單的產(chǎn)品可減少50%左右的溫度循環(huán)次數(shù)，以節(jié)省時間和試驗成本，提高工作效率。

4)對于整機級、單元級、模塊級的試件，由于它們的篩選效果依此降低，因此，在條件許可時，整機盡可能也做篩選。

5)在無故障驗證階段，溫循時間適當(dāng)減少;在剔除故障階段，按標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)做完所有循環(huán)不出現(xiàn)故障時，可不再進行無故障驗證而結(jié)束篩選。

6)考慮到現(xiàn)有設(shè)備的能力和試件能承受的溫度變化能力，溫變速率取6～15℃/min較為合適，注意不要使試件受到過應(yīng)力。

7)溫度循環(huán)應(yīng)力篩選前，要做好準(zhǔn)備，要對試驗箱空箱烘干處理，并保證試驗箱良好的密封性。試件開蓋開箱進行溫度循環(huán)，試驗箱要有足夠的除濕能力，保證試件在整個試驗過程中不能凝露結(jié)霜［6］。

［1］ GJB 1032—90，電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法［S］.GJB 1032—90，Environmental Stress Screening Method for Electrical Products［S］.

［2］ GJB/Z 34—1993，電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南［S］.GJB/Z 34—1993，Quantitative Environmental Stress Screening for Electrical Products［S］.

［3］ 祝耀昌.環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)及其應(yīng)用和發(fā)展綜述［J］.航天器環(huán)境工程，2007(4):191—197.ZHU Yao-chang.Applications and Developments of Environmental Stress Screening(ESS)［J］.Space Probe Environmental Engineering，2007(4):191—197.

［4］ 梁志軍，白照高，郭濤.電子產(chǎn)品溫度循環(huán)篩選效果探析［J］.艦船電子，2005(3):117—119.LIANG Zhi-jun，BEI Zhao-gao，GUO Tao.Analyze of Validity about Thermal Cycle of Electronics Product［J］.Warship Electron，2005(3):117—119.

［5］ 張學(xué)淵.標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境應(yīng)力篩選方法的改進［J］.電子標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2000(5):31—32.ZHANG Xue-yuan.Developmentof Standard Validity about ESS［J］.Electron Standard and Quality，2000(5):31—32.

［6］ 楊喜存，單軍勇.某機載站控制分系統(tǒng)溫度循環(huán)試驗?zāi)斗e水問題［J］.裝備環(huán)境工程，2013(4):93—95.YANG Xi-cun，SHAN Jun-yong.Solution to Waterproof Problem of Moisture Deposition in Temperature Cycle Test［J］.Equipment Environmental Engineer，2013(4):93—95.