環(huán)境應(yīng)力篩選研究

牛鑫，宋清山，王賓，劉冰洋

（總參信息化部駐新鄉(xiāng)地區(qū)軍事代表室，河南 新鄉(xiāng) 453006）

0 引言

環(huán)境應(yīng)力篩選 （ESS）是指通過(guò)向電子產(chǎn)品施加一定的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力，將其內(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(guò)程，是一種工藝手段。它能夠發(fā)現(xiàn)和排除不良元器件、制造工藝和其他原因引起的早期故障，是裝備研制和生產(chǎn)過(guò)程中一項(xiàng)非常重要的工作。GJB 450A-2004將其作為裝備研制和生產(chǎn)過(guò)程重要的可靠性工作項(xiàng)目（工作項(xiàng)目401）之一，GJB 899A-2009的4.6節(jié)中明確地提出 “可靠性試驗(yàn)之前，受試產(chǎn)品應(yīng)完成環(huán)境應(yīng)力篩選”。將ESS用于裝備生產(chǎn)，能夠有效地加快生產(chǎn)進(jìn)度、降低返修費(fèi)用、提高備件有效性，確保裝備戰(zhàn)備完好性。將ESS用于研制過(guò)程，能夠有效地縮短設(shè)計(jì)研制周期。美國(guó)工業(yè)界硬件研制中積累的可篩選缺陷數(shù)據(jù)表明，研制過(guò)程中可篩選缺陷引起的故障約占總故障數(shù)的90%，為使硬件設(shè)計(jì)和研制工作有效地進(jìn)行，必須使用環(huán)境應(yīng)力篩選來(lái)減少或消除設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 環(huán)境應(yīng)力篩選方法

環(huán)境應(yīng)力篩選起源于電子設(shè)備制造過(guò)程中常用的老練 （老化）和敲擊等工藝。1979年美國(guó)海軍率先發(fā)布電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選大綱，在此后的30多年中，ESS應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已逐漸地形成了一些通用工藝手段。

1.1 環(huán)境應(yīng)力篩選的類(lèi)型

ESS可分為常規(guī)篩選、定量篩選和高加速篩選3種類(lèi)型。

a）常規(guī)篩選

常規(guī)篩選是目前應(yīng)用最廣泛的篩選方法，它以剔除早期故障為目標(biāo)，不要求篩選結(jié)果與產(chǎn)品可靠性目標(biāo)和成本閾值建立定量關(guān)系。典型的常規(guī)篩選標(biāo)準(zhǔn)有GJB 1032-90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[1]（對(duì)應(yīng)美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2164（1985））、QJ 3138-2001《航天產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南》[2]、HB/Z 213-1992《電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選指南》[3]（對(duì)應(yīng)IES（1990）組件環(huán)境應(yīng)力篩選指南）和美軍標(biāo)MIL-HDBK-2164A《電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選工序》[4]等。這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用，對(duì)提高產(chǎn)品可靠性發(fā)揮了重要作用。

b）定量篩選

定量篩選主要參考GJB/Z 34-1993《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》[5]和MIL-HDBK-344A（1993） 《電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選》[6]這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。定量篩選要求篩選效果和成本與產(chǎn)品的可靠性目標(biāo)、現(xiàn)場(chǎng)故障修理費(fèi)用之間建立定量關(guān)系。定量篩選要對(duì)引入缺陷密度、篩選檢出度、殘留缺陷密度這3個(gè)變量進(jìn)行評(píng)估。采用定量篩選的好處是能夠根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和可靠性要求，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整篩選組裝等級(jí)和篩選應(yīng)力，而且篩選后產(chǎn)品的可靠性水平與可靠性要求能夠保持一致。定量篩選的約束條件較多，如計(jì)算引入缺陷密度和殘留缺陷密度、評(píng)估篩選檢出度等，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的ESS專(zhuān)家，以及元器件缺陷率和工藝缺陷率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

c） 高加速應(yīng)力篩選 （HASS）

HASS采用遠(yuǎn)大于常規(guī)ESS的應(yīng)力，加速產(chǎn)品缺陷的暴露，所需的時(shí)間比常規(guī)ESS短得多。20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)的Gregg K.Hobbs在強(qiáng)化設(shè)計(jì)和增強(qiáng)ESS理論的基礎(chǔ)上提出了高加速壽命（HALT） 和高加速應(yīng)力篩選 （HASS） 概念[7]， 并于1990年創(chuàng)辦了QualMark公司，專(zhuān)門(mén)從事HALT和HASS試驗(yàn)設(shè)備制造。此后的30年間，HASS因其 “加速”特性而逐漸地被波音、惠普、福特等大型企業(yè)所接受。國(guó)內(nèi)也有多家院校和研究所對(duì)HASS/HALT進(jìn)行技術(shù)跟蹤，并進(jìn)行過(guò)多項(xiàng)強(qiáng)化試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)還頒布了GJB 5103-2004《彈藥元件加速壽命試驗(yàn)方法》等HALT標(biāo)準(zhǔn)，但目前還沒(méi)有一個(gè)能夠被廣泛接受的HASS標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)力

典型的環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)力有：恒定高溫、溫度循環(huán) （可細(xì)分為慢速溫變和快速溫變）、溫度沖擊和掃頻振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)，以及組合應(yīng)力等。眾所周知，溫度循環(huán)加隨機(jī)振動(dòng)的組合方法的篩選效果最好，但其費(fèi)用也是最高的。GJB 1032-90和GJB/Z 34-1993中對(duì)各種篩選方法的介紹非常詳細(xì)，本文不再細(xì)述。

1.3 被篩選對(duì)象的組裝等級(jí)

ESS可以在元器件、組件、單元或設(shè)備 （系統(tǒng)）4個(gè)產(chǎn)品組裝等級(jí)上進(jìn)行，由于任何一級(jí)組裝和加工都會(huì)產(chǎn)生新的引入缺陷，因此，為徹底消除早期故障，任何一級(jí)上的篩選都不能代替高一等級(jí)上進(jìn)行的篩選。在每個(gè)產(chǎn)品組裝等級(jí)上均安排ESS，在費(fèi)用和生產(chǎn)周期上往往是不現(xiàn)實(shí)的，這就需要在設(shè)計(jì)ESS大綱時(shí)科學(xué)、合理地確定被篩選對(duì)象的組裝等級(jí)。

2 環(huán)境應(yīng)力篩選效果驗(yàn)證

ESS具有工藝性、加速性、非通用性和動(dòng)態(tài)性這四大特性。不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)有其特有的篩選方案。為了驗(yàn)證承制單位傳統(tǒng)篩選方法的效果，筆者組織了驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1 驗(yàn)證方案

承制單位的傳統(tǒng)篩選方法為：45℃中溫老化120 h，之后進(jìn)行高、低溫摸底 （各一天）。

驗(yàn)證試驗(yàn)方案為：在完成傳統(tǒng)篩選后，抽取6部整機(jī)，按GJB 1032-90附錄D提供的簡(jiǎn)化方案實(shí)施無(wú)故障檢測(cè)驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)采用10個(gè)周期的溫度循環(huán)，4 h/周期，溫度變化率7℃/min，低溫最后30 min加電，高溫結(jié)束時(shí)斷電，高溫和低溫最后30 min檢測(cè)。試驗(yàn)曲線如圖1所示。

圖1 環(huán)境應(yīng)力篩選驗(yàn)證試驗(yàn)程序

2.2 篩選效果的理論分析

2.2.1 篩選效果的度量

GJB/Z 34-1993在介紹定量篩選方法的過(guò)程中引入了篩選檢出度和篩選度。篩選度的定義為：產(chǎn)品中存在對(duì)某一特定篩選敏感的潛在缺陷時(shí)，該篩選將該缺陷以故障形式析出的概率。從定義上看，篩選度反映的是故障與篩選應(yīng)力的相關(guān)性，而與采取常規(guī)篩選還是定量篩選無(wú)關(guān)。因此，篩選度可以作為篩選效果的參考數(shù)據(jù)。

2.2.2 傳統(tǒng)篩選方法的篩選度

承制單位的傳統(tǒng)篩選可以分解恒溫篩選和慢溫變 （或55℃恒溫）兩次篩選。根據(jù)GJB/Z 34-1993中4.2.1.1.3中的公式和4.2.1.2.3公式計(jì)算如下：

a）恒溫篩選度

公式為：

式 （1）中：R——溫度變化范圍，假設(shè)室溫25℃，則R=45-25=20℃；

T——高溫持續(xù)時(shí)間，T=120 h。

將R和T的值代入式 （1），得到SS1=0.7144。

b） 慢溫變篩選度

公式為：

式 （2）中：R——溫度變化范圍，R=55-（-40）=95℃；

V——溫度變化速率，按4 h計(jì)，V=95/4/60=0.40℃/min；

N——循環(huán)次數(shù)，N=1。

將R、V、N的數(shù)值代入式 （2），得到SS2=0.04。

c）55℃恒溫的篩選度

將R=30℃、T=24 h代入公式后，得到SS2=0.27。

d）總篩選度

假設(shè)篩選出的故障經(jīng)修復(fù)后不再出現(xiàn) （未引入新的缺陷），也就是檢出及修復(fù)，那么高低溫摸底過(guò)程可以看作是對(duì)恒溫篩選殘留缺陷的篩選。此時(shí)，總的篩選度為：

按恒溫篩選和慢溫變的計(jì)算，傳統(tǒng)篩選的篩選度約為72%；

按45℃和55℃兩次恒溫計(jì)算，傳統(tǒng)篩選的篩選度約為79%。由于低溫摸底未計(jì)入，實(shí)際的篩選度可能會(huì)略高。

2.2.3 GJB 1032-90中標(biāo)準(zhǔn)篩選方法的篩選度

GJB 1032-90提供了一種溫度循環(huán)加隨機(jī)振動(dòng)的常規(guī)篩選方法，僅考慮溫度循環(huán)時(shí)，篩選度公式同公式 （2）。

按產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的試驗(yàn)溫度條件，可得到R=95℃；

按溫度變化速率范圍為5～10℃/min，循環(huán)次數(shù)N=10；

將上述參數(shù)代入公式 （2），得到篩選度為：SStol=0.893～0.987。

如果將篩選驗(yàn)證試驗(yàn)也看作一次篩選，將各參數(shù)代入公式 （2），得到篩選度為：SStol=0.95。

2.3 篩選效果的比較

從篩選度計(jì)算結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)篩選工藝的篩選度僅為80%左右，這也就意味著有20%能夠被檢出的故障仍未被篩選出來(lái)，而采取GJB 1032-90中的篩選方法，篩選度能夠達(dá)到90%以上。僅以本次驗(yàn)證試驗(yàn)所達(dá)到的篩選度來(lái)看，也比傳統(tǒng)的恒溫篩選效果好。

驗(yàn)證試驗(yàn)的真實(shí)情況也證實(shí)了這種計(jì)算結(jié)果。雖然6部整機(jī)是在通過(guò)了傳統(tǒng)老化篩選的基礎(chǔ)上進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)，但在驗(yàn)證試驗(yàn)第二周期的低溫試驗(yàn)中又檢出了一例故障。

3 對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選方案的思考

3.1 快速溫度循環(huán)篩選的局限性

從前文的分析中可以看出，GJB 1032-90中的溫度循環(huán)篩選具有非常高的篩選度，篩選效果非常好。但實(shí)踐中一些制約因素限制著這種方法的全面普及。

a）合適的試驗(yàn)箱較少

溫度循環(huán)所用的試驗(yàn)箱是快速溫變箱，溫變速度要求達(dá)到10℃/min以上，這樣的溫變箱要么費(fèi)用較高，不易購(gòu)買(mǎi)；要么體積過(guò)小，放不下幾臺(tái)整機(jī)設(shè)備。訂貨數(shù)量較大時(shí)，篩選時(shí)間會(huì)拉得很長(zhǎng)，難以滿足進(jìn)度要求。

b）故障檢測(cè)困難

GJB 1032-90中規(guī)定的循環(huán)周期時(shí)間最長(zhǎng)為4 h，用于裝備測(cè)試的時(shí)間很短，更來(lái)不及排查故障。

c）勞動(dòng)強(qiáng)度大

GJB 1032-90要求每4 h完成一次測(cè)試，本文采用的驗(yàn)證試驗(yàn)方法中每2 h要進(jìn)行一次測(cè)試，測(cè)試工作量大，不易組織。

d）低溫時(shí)未進(jìn)行加電檢測(cè)

只對(duì)低溫環(huán)境敏感的故障存在未被檢出的風(fēng)險(xiǎn)，影響篩選檢測(cè)效率。

本文提到的恒溫ESS方案雖然篩選度相對(duì)較低，但更便于生產(chǎn)組織。由于環(huán)境試驗(yàn)箱可以做得很大，幾乎不用顧及生產(chǎn)批量的大小，可以在試驗(yàn)箱 （或試驗(yàn)房）中一次性地完成整批產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選，而且檢測(cè)場(chǎng)地和時(shí)間比較寬裕，檢測(cè)效率高得多。

3.2 組裝等級(jí)選擇問(wèn)題

有一種觀點(diǎn)認(rèn)為：組裝級(jí)別越低，檢出缺陷的成本越低，因此，環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)盡可能地在較低的組裝級(jí)別上實(shí)施，一些專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)還以國(guó)外的修理費(fèi)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)這種觀點(diǎn)進(jìn)行支撐。從筆者了解到的情況看，并不是這樣。由于整機(jī)裝備中元器件品種多、數(shù)量少，篩選檢測(cè)設(shè)備的利用率很低，而且隨著器件更新?lián)Q代，檢測(cè)設(shè)備只有幾年的使用期。為進(jìn)行元器件篩選，某承制單位每年花費(fèi)巨額的資金采購(gòu)集成電路篩選和檢測(cè)設(shè)備，即便如此，元器件進(jìn)廠篩選和檢測(cè)率也僅能達(dá)到70%左右。因此，從整機(jī)生產(chǎn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，元器件級(jí)別的篩選費(fèi)用反而是最高的，不宜在整機(jī)廠進(jìn)行元器件級(jí)的篩選。

3.3 環(huán)境應(yīng)力篩選優(yōu)化

ESS的目標(biāo)是盡快篩選和剔除早期缺陷，環(huán)境應(yīng)力的選擇對(duì)篩選效果的影響很大，因此，合理地確定篩選應(yīng)力是制訂ESS方案的首要問(wèn)題。GJB 1032-90和GJB/Z 34-1993并未刻意強(qiáng)調(diào)極限應(yīng)力的選取問(wèn)題，實(shí)踐中，大多采用工作條件或儲(chǔ)存條件作為篩選應(yīng)力。1996年頒布的美軍標(biāo)MILHDBK-2164A較好地解答了環(huán)境應(yīng)力的取值問(wèn)題，“圖1篩選流程”明確了ESS工作程序：首先確定裝備環(huán)境應(yīng)力設(shè)計(jì)極限，再按極限條件進(jìn)行篩選。該圖展示的方法與現(xiàn)行的HALT/HASS非常相似，都是要先確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)極限，而這一點(diǎn)正是裝備科研和生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。在篩選方案的確定上，GJB/Z 34-1993為我們打開(kāi)了另一扇窗戶，通過(guò)評(píng)估篩選度可非常便捷地評(píng)價(jià)和優(yōu)選篩選效果較好的篩選方案，從而為確定最佳篩選方案提供理論支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)境應(yīng)力篩選是一個(gè)老課題，但仍有許多新情況需要研究，尤其是近年來(lái)HALT/HASS迅猛發(fā)展的勢(shì)頭與標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)匱乏的矛盾日漸突出，加速推進(jìn)自動(dòng)測(cè)試和數(shù)字化軍檢對(duì)保證裝備質(zhì)量和推進(jìn)HALT/HASS、GJB 1032-90在更廣的范圍內(nèi)應(yīng)用，具有非常重要的意義。

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

[2]QJ 3138-2001，航天產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南 [S].

[3]HB/Z 213-1992，電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選指南 [S].

[4]MIL-HDBK-2164A-1996，電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選工序[S].

[5]GJB/Z 34-1993，電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南 [S].

[6]MIL-HDBK-344A-1993，電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選 [S].

[7] （美）HOBBS G K.高加速壽命試驗(yàn)與高加速應(yīng)力篩選[M].北京：航空工業(yè)出版社，2012.