軍用電子產(chǎn)品高加速應(yīng)力篩選方法的應(yīng)用分析

肖志斌， 倪修華， 魏 穎， 崔永香

（1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海201109；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）是在電子產(chǎn)品上施加隨機振動及溫度循環(huán)應(yīng)力，以鑒別和剔除制造工藝和元件引起的早期故障的一種工序或方法。在研制階段和批生產(chǎn)初期，軍用電子產(chǎn)品應(yīng)在不同組裝層級進行ESS。在批生產(chǎn)中后期，可根據(jù)產(chǎn)品批量和穩(wěn)定情況進行抽樣篩選。

目前，軍用電子產(chǎn)品一般按照GJB 1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》進行篩選，至少需要進行80 h的溫度循環(huán)和10 min的隨機振動篩選[1]，占用了大量的人力、設(shè)備、場地等資源。然而，經(jīng)過篩選的軍用電子裝備在環(huán)境適應(yīng)性試驗和外場試驗時，故障仍時有發(fā)生。

高加速應(yīng)力篩選（HASS）是在傳統(tǒng)的ESS基礎(chǔ)上，結(jié)合高加速壽命試驗（HALT）發(fā)展起來的。通過在產(chǎn)品上施加遠高于產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力，使產(chǎn)品的缺陷加速析出，以達到縮短篩選時間和提高篩選度的目的，僅需1 h～2h[2]。國外，HASS在計算機、復(fù)印機、電視機、洗衣機等民用產(chǎn)品和導彈、魚雷電子裝置、雷達系統(tǒng)、熱成像槍炮瞄準系統(tǒng)等軍用產(chǎn)品都有成功應(yīng)用[3]。美國已經(jīng)開始在軍用大綱中轉(zhuǎn)向采用HASS。國內(nèi)民用產(chǎn)品領(lǐng)域的華為、中興、美的、大唐通訊等企業(yè)采用了HASS，并形成了國家標準GB/T 32466-2015《電工電子產(chǎn)品加速應(yīng)力試驗規(guī)程 高加速應(yīng)力篩選導則》。然而HASS技術(shù)在我國軍用產(chǎn)品的應(yīng)用并不多[4]。

本文首先闡述了HASS的作用機理，然后對國軍標GJB 1032-1990和國家標準GB/T 32466-2015進行了對比分析，最后給出了應(yīng)用HASS對軍用電子產(chǎn)品進行篩選的建議。

1 高加速應(yīng)力篩選的作用機理

機械應(yīng)力與相關(guān)疲勞損傷服從下列關(guān)系[3]：

式中：D為米勒判據(jù)疲勞損傷累積；N為應(yīng)力循環(huán)數(shù)；S為機械應(yīng)力；β為材料特性參數(shù)，對于大多數(shù)高周疲勞材料其值域為8～12。

從式（1）可以看出，疲勞損傷累積D與機械應(yīng)力S呈指數(shù)關(guān)系，隨著S的增大D快速增大。機械應(yīng)力S的大小取決于結(jié)構(gòu)自身和外部激勵兩方面。在同樣的外部激勵下，有缺陷的電子產(chǎn)品比沒有缺陷的同類產(chǎn)品具有更高的應(yīng)力，在更短的時間內(nèi)達到疲勞損傷極限而變成故障析出。通過加大外部激勵，使缺陷處的應(yīng)力增大，達到使缺陷快速析出的目的。通常，HASS使用遠高于規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力且略低于產(chǎn)品破壞極限或工作極限的應(yīng)力，使產(chǎn)品的缺陷快速析出，以達到縮短篩選時間、提高篩選效率的目的。對于電子產(chǎn)品，ESS通常使用的應(yīng)力為溫度循環(huán)、隨機振動和兩者的綜合。

通過提高溫度變化速率來縮短篩選時間的方法已經(jīng)得到了試驗驗證。史密森進行了不同溫度變化速率下析出晶體管剝離缺陷所需要的溫度循環(huán)次數(shù)試驗。將4×105個樣本平均分為4組，每組以不同溫度變化速率進行試驗，持續(xù)試驗直到認為全部缺陷均已出現(xiàn)故障，得到溫度循環(huán)次數(shù)與溫度變化速率的曲線，如圖1所示[3]。從圖中可以看出，溫度循環(huán)次數(shù)隨著溫度變化速率的升高快速減少，以5℃/min的溫度變化速率進行400次溫度循環(huán)析出的缺陷數(shù)量，在以25℃/min的溫度變化速率下只需要4次循環(huán)。

按照線性結(jié)構(gòu)計算，加倍的振動量值會產(chǎn)生加倍的應(yīng)力，在相同時間下產(chǎn)生的疲勞損傷累積約為1 000倍。在產(chǎn)生相同的疲勞損傷累積條件下，振動量級加倍以后時間縮短為原來的1/1 000，極大地提高了篩選效率。

HASS是在確保產(chǎn)品安全的條件下施加盡可能大的應(yīng)力，以快速地析出缺陷。一般取略低于利用HALT得到破壞極限或工作極限應(yīng)力作為HASS的應(yīng)力。對于電子產(chǎn)品，溫度循環(huán)可以產(chǎn)生高應(yīng)力的低周疲勞，而振動可以快速地累積疲勞損傷，溫度循環(huán)與振動綜合以后的應(yīng)力通常較高，一般HASS采用溫度循環(huán)與振動的綜合應(yīng)力。

智慧吉首PPP項目中，智慧交通整體功能為有效完善動態(tài)交通，優(yōu)化靜態(tài)交通。智慧交通為市民提供精準的實時路況信息、公交車位置信息、便捷的智慧路邊停車和場內(nèi)停車等服務(wù)，為交警提供違章監(jiān)控、違停監(jiān)控、斑馬線不禮讓行人電子抓拍和實時路況監(jiān)控等服務(wù)，為公交公司提供公交車輛進站信息，為公共信息平臺、大數(shù)據(jù)分析平臺、應(yīng)急聯(lián)動平臺、智慧旅游和智慧警務(wù)等提供大量交通數(shù)據(jù)，有力地支撐智慧吉首PPP項目的運營。智慧吉首PPP項目智慧交通子項整體功能如圖2所示。

HASS相對于常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選的優(yōu)勢主要在于提高篩選效率和提高缺陷剔除效果兩方面，這兩方面都可以大幅減少產(chǎn)品研制成本和維護成本。在勞動力緊缺和人力成本急劇上漲的情況下，利用HASS提高篩選效率，降低人工成本顯得尤為重要。篩選效率提高以后，還可以降低篩選設(shè)備的數(shù)量、篩選場地面積和能源消耗。Hobbs指出[3]，在保證相同的篩選效果條件下，篩選一定批量的產(chǎn)品，使用40℃/min進行HASS篩選需要一臺溫箱，而使用5℃/min進行篩選需要4 400臺溫箱。按每臺溫箱售價為5萬美元計算，使用HASS篩選節(jié)省的溫箱采購費用為2.2億美元。再加上場地、能源、人工成本，使用HASS篩選節(jié)省的總成本是十分驚人的。

HASS在提高缺陷剔除效果方面，早在1983年就得到了驗證[3]。在生產(chǎn)中利用低速率、窄范圍溫度循環(huán)篩選的電源產(chǎn)品可靠性為94%。而在利用六軸向振動臺和20℃/min溫度循環(huán)進行HALT和HASS后，在4個月內(nèi)經(jīng)過15次改進，該產(chǎn)品的可靠性達到了99.6%?？煽啃缘奶岣咭馕吨F(xiàn)場故障的降低，而現(xiàn)場故障的處理費用是十分高昂的。

2 GJB 1032與GB/T 32466的對比分析

首先分別介紹GJB 1032和GB/T 32466的基本情況，隨后進行對比分析。

2.1 GJB 1032介紹

GJB 1032是美軍標 MIL-STD-2164（EC）的等效標準，于1990年發(fā)布。

GJB 1032規(guī)定的篩選流程：5 min缺陷剔除隨機振動→40 h缺陷剔除溫度循環(huán)→（40 h～80 h）無故障檢驗溫度循環(huán)→（5 min～15 min）無故障檢驗隨機振動。不計算產(chǎn)品的裝拆和轉(zhuǎn)運時間，進行一次篩選至少需要80 h 10 min。

GJB 1032規(guī)定的隨機振動譜形如圖2所示。

GJB 1032規(guī)定的溫度循環(huán)要求如圖3所示。其中高溫設(shè)定值和低溫設(shè)定值一般取產(chǎn)品的工作極限溫度，溫度變化速率為5℃/min，高溫保持時間和低溫保持時間根據(jù)熱透和冷透原則進行試驗確定，一次循環(huán)時間為3 h 20 min或4 h。在缺陷剔除試驗中，溫度循環(huán)次數(shù)為10次或12次，在無故障檢驗中為10次～20次或12次～24次。

2.2 GB/T 32466介紹

GB/T 32466由深圳市計量質(zhì)量檢測研究院、中檢華納（北京）質(zhì)量技術(shù)中心有限公司等多家單位聯(lián)合起草，適用于電工電子產(chǎn)品及其他電子部件、印制電路板組件等的高加速應(yīng)力篩選。

GB/T 32466規(guī)定篩選曲線示意如圖4所示[5]。采用溫度循環(huán)與隨機振動的綜合應(yīng)力。高溫溫度值、低溫溫度值和振動量級的大小根據(jù)HALT得到的工作極限確定。推薦以高加速壽命試驗確定的高、低溫工作極限溫差值的80%作高低溫溫度的差值，溫度變化速度一般為40℃/min，推薦選取振動工作極限的50%作為篩選試驗的振動量級，或按相關(guān)規(guī)范確定。

2.3 GJB 1032與GB/T 32466的對比

GJB 1032與GB/T 32466的對比如表1所示，兩者的主要差異如下。

（1）篩選條件

表1 GJB 1032與GB/T 32466的對比表

GJB 1032不考慮篩選對象的耐受性、響應(yīng)特性等方面的差異，一般不允許剪裁，全部執(zhí)行相同的環(huán)境應(yīng)力篩選條件。GB/T 32466規(guī)定HASS條件取適當?shù)陀诋a(chǎn)品的工作極限，一般遠高于GJB 1032規(guī)定的應(yīng)力量值。GB/T 32466規(guī)定在執(zhí)行篩選的過程中，還可根據(jù)產(chǎn)品在實際使用過程中的故障返修率和失效原因進行調(diào)整和優(yōu)化。

按照GJB 1032至少需要進行80 h 10 min的篩選，而按照GB/T 32466最多需要10 h（按照每次循環(huán)2 h計算），效率達到8倍以上。

（2）試驗設(shè)備

GJB 1032規(guī)定任何能滿足規(guī)定的溫度條件或隨機振動條件的篩選裝置均可用于篩選，而GB/T 32466規(guī)定應(yīng)盡可能使用該產(chǎn)品前一次HALT或者HASS的試驗設(shè)備，否則應(yīng)先進行篩選確認。篩選確認是在產(chǎn)品上粘貼溫度傳感器和振動傳感器，通過調(diào)整裝置的溫度及振動應(yīng)力，使其與原裝置的溫度響應(yīng)和振動響應(yīng)一致。

（3）篩選驗證

GJB 1032規(guī)定按照給定的篩選條件執(zhí)行篩選即可，不需要進行篩選驗證，而GB/T 32466規(guī)定必須對篩選的有效性和壽命影響進行評價。篩選有效性驗證是驗證對有潛在缺陷產(chǎn)品的篩選效果，優(yōu)先選用可疑產(chǎn)品或參數(shù)邊際化產(chǎn)品，其次可以植入缺陷。如果沒有篩選出故障試驗樣品，則需提高篩選應(yīng)力水平或增加篩選試驗的周期數(shù)。壽命影響評價是評估經(jīng)過篩選后的產(chǎn)品是否還剩余足夠的壽命。規(guī)定應(yīng)至少進行10次篩選而不導致產(chǎn)品故障，即篩選最多消耗產(chǎn)品壽命的10%。

3 應(yīng)用建議

相對于GJB 1032，按照GB/T 32466篩選的效率可以提升8倍以上。在缺陷剔除有效性方面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在國外軍品、國外民品和國內(nèi)民品領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的驗證。然而在國內(nèi)軍用電子產(chǎn)品的應(yīng)用上還鮮有報道。GJB1032規(guī)定的篩選方法在篩選效率、缺陷剔除效果等方面已經(jīng)難以滿足軍用電子產(chǎn)品的短研制周期和高可靠的使用要求。為實現(xiàn)HASS技術(shù)在軍用電子產(chǎn)品的有效、快速、廣泛推廣應(yīng)用，給出以下建議。

（1）制訂頂層標準

從事國內(nèi)軍用電子產(chǎn)品研制的相關(guān)人員，對HASS技術(shù)的掌握的深度和廣度不足。因此建議借鑒GB/T 32466，考慮產(chǎn)品的特殊性編制軍用電子產(chǎn)品HASS的指南性頂層標準。

（2）加強人員培訓

從HASS的優(yōu)點、HASS后產(chǎn)品壽命和安全性方面加強培訓，提高從事HASS人員的認識水平。HASS的優(yōu)點包括提高大幅可靠性和篩選效率、降低人力成本、設(shè)備成本、場地成本以及能源成本。未接受HASS培訓的人員通常會擔心施加在產(chǎn)品上的過大篩選應(yīng)力會過多消耗產(chǎn)品的壽命。其實大量試驗證明，只要制定科學的篩選流程，進行充分的剩余壽命評估驗證，剩余的產(chǎn)品壽命是可以滿足現(xiàn)場使用需要的，即不要關(guān)注HASS消耗了多少壽命，而應(yīng)關(guān)注剩余的壽命是否滿足現(xiàn)場使用要求。此外，HASS的實施也有一套嚴格的流程，每個產(chǎn)品施加的應(yīng)力都不相同，相同的產(chǎn)品在不同的生產(chǎn)階段施加的應(yīng)力也可能不同，操作不當可能造成批量產(chǎn)品的過應(yīng)力損壞，因此需要經(jīng)過培訓掌握科學的HASS流程才能進行HASS篩選，無法像GJB 1032一樣直接套用給定的篩選條件和方法進行篩選。