電子產(chǎn)品振動應(yīng)力篩選試驗方法應(yīng)用探討

蘆 田，馬麗然，于韶明，秦之瑾

（1.北京強度環(huán)境研究所；2.北京航天長征科技信息研究所：北京 100076）

0 引言

電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選是指在產(chǎn)品上施加隨機振動及溫度循環(huán)應(yīng)力，以鑒別和剔除產(chǎn)品工藝和元件引起的早期故障的一種工序或方法[1]。例如原航天部曾在某研制產(chǎn)品樣機中抽取25%～30%的電子組件進行了篩選，靶試中有10%的組件出現(xiàn)故障，其中大部分為未經(jīng)篩選的組件，這一教訓(xùn)引發(fā)了“電子組件必須進行篩選后才能裝機”規(guī)定的出臺[2]。

國內(nèi)電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選標準主要是GJB 1032《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[1]和GJB/Z 34《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》[3]，前者以MIL-STD-2164《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[4]為藍本編寫；后者以MIL-HDBK-344《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[5]為藍本編寫。GJB/Z 34內(nèi)容相對先進，但是由于其篩選大綱設(shè)計、調(diào)整、控制和實施過程十分復(fù)雜，而且元器件和工藝缺陷率方面的數(shù)據(jù)又不十分完整，所以可操作性不強，目前在國內(nèi)尚未得到廣泛應(yīng)用。相比之下，GJB 1032為環(huán)境應(yīng)力篩選確定了統(tǒng)一的要求和實施方法，具有較好的指導(dǎo)意義和較強的可操作性，在統(tǒng)一環(huán)境應(yīng)力篩選實施方法上起到了一定的作用[6]。

振動應(yīng)力是環(huán)境應(yīng)力篩選的主要應(yīng)力之一[7]。對于電子產(chǎn)品而言，溫度循環(huán)容易引起焊點故障，而振動應(yīng)力容易引起引線故障。振動應(yīng)力篩選試驗中涉及欠篩選和過篩選等問題，這些問題曾導(dǎo)致多個型號出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，造成多批次型號產(chǎn)品浪費。實際證明，采用適當?shù)恼駝討?yīng)力篩選試驗方法能對提高電子產(chǎn)品交付合格率起重要作用。

本文基于GJB 1032，并參考GJB/Z 34，對振動應(yīng)力篩選試驗方法中的一些問題進行探討，以期提出正確的篩選條件和篩選方法。

1 振動應(yīng)力篩選試驗方法概述

1.1 篩選的目的及對象

為強調(diào)環(huán)境應(yīng)力篩選的工序?qū)傩?，區(qū)分環(huán)境應(yīng)力篩選與環(huán)境試驗，祝耀昌[8]甚至提出環(huán)境應(yīng)力篩選中的篩選、篩選設(shè)備和篩選條件不應(yīng)稱為試驗、試驗設(shè)備和試驗條件。作為一道工序，環(huán)境應(yīng)力篩選是電子產(chǎn)品必須經(jīng)歷的過程，與產(chǎn)品的使用環(huán)境無關(guān)，主要目的是鑒別和剔除早期故障。與產(chǎn)品的其他加工工序地位相同，只不過使用的設(shè)備與環(huán)境試驗的設(shè)備相似。

研制階段和批生產(chǎn)初期的全部產(chǎn)品均應(yīng)進行環(huán)境應(yīng)力篩選；在批生產(chǎn)中、后期，可根據(jù)產(chǎn)品批量及質(zhì)量穩(wěn)定情況進行抽樣篩選。

環(huán)境應(yīng)力篩選中，組件及整機直接篩選會帶來一些問題，特別是對于振動應(yīng)力篩選而言。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、振動夾具等的固有特性[9]會造成組件及整機振動應(yīng)力篩選中某些頻段過篩選和某些頻段欠篩選，因此應(yīng)盡量采用較低裝配級別產(chǎn)品進行篩選，最好是印制電路板級。

1.2 振動應(yīng)力篩選條件

工藝存在缺陷的元器件環(huán)境耐受力與工藝正常的元器件有較大差別，特別是電子產(chǎn)品的引線部分，如果存在缺陷，則在振動應(yīng)力的作用下缺陷會迅速發(fā)展成故障。振動應(yīng)力篩選過程中或篩選后通過測試手段可以發(fā)現(xiàn)這些故障并將其剔除。

色譜柱 YMC-C30：4.6×250mm，5μm；檢測波長：445nm；柱溫：35℃；流動相：甲醇∶水=95∶5，等梯度洗脫；流速：0.8mL/min；進樣量：20μL。

振動應(yīng)力篩選條件目前仍采用如表 1[1]所示的隨機振動譜，篩選方向取決于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性及產(chǎn)品對振動方向的敏感程度，一般情況下選擇垂直于電路板方向即可滿足篩選需求。按照GJB 1032要求，在缺陷剔除階段施振時間為5 min，在無故障檢驗階段施振時間為5～15 min。

常規(guī)振動應(yīng)力篩選的量值采用表1的0.04g2/Hz，把握不大的產(chǎn)品可根據(jù)振動篩選進行的效果由低到高適當調(diào)整振動量值，但一般不超過0.04g2/Hz。表 1頻率范圍為 20～2000 Hz，必要時可縮小到100～1000 Hz，視產(chǎn)品情況而定[3]。

表1 振動應(yīng)力篩選條件Table 1 Vibration stress screening test conditions

1.3 振動應(yīng)力篩選方法

一般電子產(chǎn)品的振動應(yīng)力篩選按照表 1的振動譜進行，選取最敏感的軸向，不確定最敏感軸向時需要增加方向。一般在溫度應(yīng)力施加前后各進行5 min的振動應(yīng)力篩選?？刂泣c選擇在夾具與產(chǎn)品的連接面并且剛度相對較大的位置；對于整機或復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取多點平均控制方法。

對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品，需要首先對受篩選產(chǎn)品進行振動測定，確定其共振頻率、優(yōu)勢頻率和響應(yīng)情況。對產(chǎn)品響應(yīng)大的頻率處，振動輸入應(yīng)減少；反之，對產(chǎn)品響應(yīng)小的頻率處，則應(yīng)加大振動輸入。這樣既保證不損壞產(chǎn)品，又能進行規(guī)定量值的篩選。

對于組件甚至整機產(chǎn)品，為避免因共振引起任何潛在疲勞或峰值應(yīng)力損傷，有必要降低輸入譜上可能引起產(chǎn)品某些部位共振（放大倍數(shù)Q＞10）的頻段內(nèi)的譜值，進行帶谷控制。該方法在MIL-STD-2164中有明確規(guī)定，GJB 1032中未明確。

2 振動應(yīng)力篩選試驗中的常見問題探討

需要開展環(huán)境應(yīng)力篩選的產(chǎn)品種類繁多、數(shù)量龐大，篩選過程中暴露出許多問題。本文就2種常見問題進行分析探討。

2.1 欠篩選試驗

寬頻帶隨機激振引起結(jié)構(gòu)的多共振峰響應(yīng)可導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效，引發(fā)災(zāi)難性后果。以黏彈性阻尼材料為基礎(chǔ)的阻尼減振技術(shù)得到長足的發(fā)展后，為解決多共振峰振動控制問題提供了一條經(jīng)濟而有效的途徑，成為航天工程中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一[10-11]。減振器能夠顯著增強電子產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，然而在進行振動應(yīng)力篩選時，有些單位按照使用工況安裝電子產(chǎn)品，即帶著減振器進行振動應(yīng)力篩選，造成電子產(chǎn)品的欠篩選。GJB 1032中對此明文規(guī)定，產(chǎn)品應(yīng)去除包裝物及減振裝置后再進行振動應(yīng)力篩選。

2.2 過篩選試驗

GJB 1032中要求優(yōu)先考慮在較低裝配級別產(chǎn)品進行試驗，但是許多電子產(chǎn)品組件眾多，安裝復(fù)雜，只能進行組件甚至整機振動應(yīng)力篩選。

組件及整機振動應(yīng)力篩選時，出現(xiàn)過很多問題：21世紀初，某航天總裝廠的一批產(chǎn)品到達靶場后，測試異常，導(dǎo)致型號無法正常發(fā)射，經(jīng)過歸零發(fā)現(xiàn)是由于組件篩選時產(chǎn)品上的響應(yīng)顯著超過篩選量級，過篩選導(dǎo)致電子產(chǎn)品壽命折損；航天某所在某戰(zhàn)略型號研制中也出現(xiàn)過因為組件振動應(yīng)力篩選，電子產(chǎn)品響應(yīng)放大導(dǎo)致產(chǎn)品破壞造成型號巨大損失。吸取教訓(xùn)后，目前對于響應(yīng)過大的組件及整機電子產(chǎn)品進行振動應(yīng)力篩選時，均采取了限制響應(yīng)的措施。

為防止過篩選，必須降低導(dǎo)致電子產(chǎn)品響應(yīng)放大的頻段的振動能量輸入，即采用帶谷控制方法。目前振動應(yīng)力篩選中帶谷控制的實現(xiàn)方法主要有主動挖谷法、響應(yīng)控制法和限值控制法3種。

2.2.1 主動挖谷法

主動挖谷法是指根據(jù)電子產(chǎn)品振動應(yīng)力篩選中的共振情況，直接在表1的隨機振動譜中降低響應(yīng)頻段的篩選量值。即通過人為主動更改控制曲線，確保電子產(chǎn)品關(guān)鍵位置的放大倍數(shù)Q不超過安全值，避免過篩選情況。

主動挖谷法的優(yōu)點是主動性高，可以通過技術(shù)人員的豐富經(jīng)驗完成；缺點是不易量化，受技術(shù)人員主觀因素影響大，同一篩選由不同技術(shù)人員操作，挖谷的頻段范圍、量值降低程度會有不同，篩選效果因人而異，難以標準化。

2.2.2 響應(yīng)控制法

響應(yīng)控制法是指將振動控制點設(shè)置在電子產(chǎn)品上，而不是位于夾具與產(chǎn)品連接面處，確保產(chǎn)品關(guān)鍵位置的響應(yīng)為表1的隨機振動譜，從而不會發(fā)生過篩選情況。

響應(yīng)控制法的優(yōu)點是通過直接控制電子產(chǎn)品，確保關(guān)鍵位置的響應(yīng)能較好地符合篩選條件；缺點是只能控制有限的幾個關(guān)鍵點。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品組件，由于結(jié)構(gòu)傳遞特性的復(fù)雜性，控制點位置振動應(yīng)力為篩選條件，但是其他位置的電子產(chǎn)品可能欠篩選，也可能過篩選，因此該方法不適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品組件和整機產(chǎn)品。

2.2.3 限值控制法

限值控制法是指在夾具與產(chǎn)品連接面剛度較大的位置安裝控制點，同時在敏感位置的電子產(chǎn)品處安裝限值點；控制譜采用表1篩選譜形，量值為0.04g2/Hz；限值譜采用相同譜形，量值根據(jù)產(chǎn)品振動環(huán)境適應(yīng)性確定。進行振動應(yīng)力篩選試驗時，控制曲線會自動挖谷，實現(xiàn)帶谷控制，同時保證了產(chǎn)品上各點放大倍數(shù)不超過安全值。

限值控制法的優(yōu)點是能夠很好地滿足各產(chǎn)品上的響應(yīng)放大不超過要求，同時又不會造成較大的欠篩選，實際操作相比主動挖谷法容易標準化，適用于實驗室進行規(guī)范試驗；缺點是對于復(fù)雜的組件、整機試驗，限值點較多，增加了實施難度。

3 振動篩選實踐探討

以某型號電子產(chǎn)品為對象，探討其振動應(yīng)力篩選的方法。該電子產(chǎn)品組件為多個電路板組裝而成，為了提高組件中電路板的適應(yīng)性，整個組件通過 4組減振器與整機連接。如圖1所示，多個電路板垂直安裝于組裝盒內(nèi)，組裝盒下方連接4個減振器。

圖1 連接了減振器的某型號電子產(chǎn)品外觀Fig.1 An electrical product connected with vibration reducers

根據(jù)振動應(yīng)力篩選方法，該組件進行振動應(yīng)力篩選時，不能安裝減振器；振動應(yīng)力篩選的方向為垂直于電路板方向；為進行數(shù)據(jù)采集分析，在電路上粘貼一個加速度傳感器測量響應(yīng)，在振動臺滑臺與組裝盒連接處安裝加速度傳感器進行振動輸入控制。如圖2所示。

按照表1的振動篩選譜進行振動加載，振動輸入及響應(yīng)曲線如圖 3所示：電路板共振頻率在630 Hz附近，電路板響應(yīng)有所放大，加速度方均根量級從輸入的6.06grms放大至13.83grms，如此直接進行振動應(yīng)力篩選會造成該電子產(chǎn)品的過篩選。

圖2 振動應(yīng)力篩選中的某型號電子產(chǎn)品Fig.2 Electrical product’s in vibration stress screening

圖3 某產(chǎn)品振動應(yīng)力篩選輸入及響應(yīng)曲線Fig.3 Vibration stress screening input and response curve

為避免過篩選，分別采用主動挖谷法、響應(yīng)控制法、限值控制法進行振動應(yīng)力篩選。根據(jù)圖3中電路板上測點的響應(yīng)情況，在共振頻率630 Hz處進行挖谷，圖4(a)為主動挖谷法輸入及響應(yīng)，可以看到挖谷后電路板響應(yīng)顯著降低，但是效果因人而異；圖4(b)為響應(yīng)控制法輸入及響應(yīng)，以某電路板上測點進行控制，結(jié)果顯示該電路板滿足篩選要求，但該方法只能保證一塊電路板滿足篩選要求，無法保證其他電路板也滿足要求；圖4(c)、(d)為限值控制法的控制及響應(yīng)，限制譜譜形均為表1篩選譜形，限值量級分別為0.04、0.08、0.4、4g2/Hz，其中圖4(c)為限值控制法控制譜，隨著限值量值的增加，控制曲線的谷深越來越淺；圖4(d)為限值控制法電路板上測點響應(yīng)譜，隨著限值量值的增加，電路板上響應(yīng)越來越高，可以根據(jù)電路板設(shè)計要求，合理設(shè)定限值譜量值，滿足振動篩選要求。

圖4 振動應(yīng)力篩選的帶谷控制Fig.4 Notching control of vibration stress screening

4 結(jié)束語

環(huán)境應(yīng)力篩選作為鑒別和剔除電子產(chǎn)品早期故障的一種工序或方法，在實際生產(chǎn)中具有重要作用，很多單位已經(jīng)要求所有電子產(chǎn)品必須經(jīng)過環(huán)境應(yīng)力篩選才能交付。

振動應(yīng)力篩選作為環(huán)境應(yīng)力篩選的組成部分，對于電子產(chǎn)品十分重要。正確理解振動應(yīng)力篩選的目的與對象，有助于更好地進行篩選試驗，選擇正確的篩選條件、采用適當?shù)暮Y選方法，避免欠篩選及過篩選。帶谷控制是復(fù)雜組件、整機電子產(chǎn)品的振動應(yīng)力篩選的重要控制方法，在實際振動應(yīng)力篩選中選擇合適的帶谷控制法能夠確保篩選效果。

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