環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）計劃管理及實施

黃宋均，顧奕翀，廖然

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇四研究所船舶環(huán)境工程與可靠性實驗室，上海 200031）

引言

ESS是一個過程而非普通接受和拒收意義上的試驗，其目的是激發(fā)缺陷而非模擬環(huán)境，因此要鼓勵產(chǎn)生“故障”，ESS 故障的根本原因需要在整個完整過程之前發(fā)現(xiàn)和糾正。ESS 包括了為促發(fā)使用環(huán)境中引起產(chǎn)品故障的硬故障、潛在的、間隙性的或初始的缺陷而施加一種或多種特定類型的應(yīng)力。ESS 中最常用的應(yīng)力是溫度循環(huán)和隨機(jī)振動，溫度循環(huán)和隨機(jī)振動對激發(fā)故障有互相促進(jìn)作用，隨機(jī)振動后的溫度循環(huán)有時會檢測到振動誘發(fā)出不能立刻顯現(xiàn)的故障。

1 背景

在上世紀(jì)五十年代，為了減少由于缺陷的零部件導(dǎo)致的返工，美國國防部采用了部件的功能試驗，又因為零部件的“嬰兒死亡率”而引起的產(chǎn)品的初始高故障率，在上世紀(jì)六十年代又建立了組件高量級的老練，但是這些方法都沒有施加合適應(yīng)力以促發(fā)生產(chǎn)缺陷。美海軍1979 年制訂了篩選大綱NAVMAT P-9492，該篩選大綱是借鑒了格魯曼公司（即B-2 隱形轟炸機(jī)的制造公司）在上世紀(jì)60 年代末為NASA 公司的雙子星登月計劃而設(shè)計的篩選方法。對航天登月來講振動比溫度的考核重要的多，最初設(shè)計的隨機(jī)振動篩選均方根加速度rms 為3 g，但NASA 公司發(fā)現(xiàn)篩選后的產(chǎn)品還有相當(dāng)多的質(zhì)量或工藝缺陷，格魯曼公司經(jīng)研究把rms 提高到6 g，經(jīng)6 個多月數(shù)百次的考核，發(fā)現(xiàn)篩選后的產(chǎn)品故障比原來少了3 倍，而且對絕大多數(shù)產(chǎn)品不會產(chǎn)生不符合實際的損傷。在隨后可靠性試驗后產(chǎn)品的基本可靠性指標(biāo)MTBF 比原來提高了（50～200）%，這就是目前振動篩選6 g 的來歷和在可靠性試驗前進(jìn)行篩選的一個原因。當(dāng)然美海軍當(dāng)時照搬航空設(shè)備篩選方法也存在某些艦船設(shè)備尤其是大型機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)篩選過度的現(xiàn)象而影響產(chǎn)品使用壽命的現(xiàn)象，而目前的振動篩選方法對于產(chǎn)生過大共振的優(yōu)勢頻率處采用了帶谷控制以避免該現(xiàn)象的發(fā)生。美國防部在上世紀(jì)90 年代又制訂了陸?？杖娡ㄓ玫腡RI-SERVICE TECHNICAL BRIEF 002-93-08“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”，對設(shè)備級產(chǎn)品規(guī)定了根據(jù)產(chǎn)品的振動響應(yīng)和設(shè)計強(qiáng)度進(jìn)行振動篩選。

1 ESS 的好處

ESS 可暴露在鑒定和設(shè)計試驗期間未發(fā)現(xiàn)的設(shè)計局限性。另外，研發(fā)期間進(jìn)行ESS 也有明顯好處，可靠性增長試驗（試驗、分析和修理）期間遇到的相當(dāng)多的故障率可能是由不良工藝和有缺陷的零部件引起的，這些非設(shè)計故障可以掩蓋與設(shè)計相關(guān)的故障，還可引起進(jìn)度延遲、影響性能，通過試驗前的篩選可以使這些負(fù)面影響最小化。ESS 主要好處如：減少成本、及時交付、改善交付后可靠性、改善用戶的置信度和/或滿意度、改善生產(chǎn)過程等。

2 ESS 實施的時機(jī)

ESS 一般在生產(chǎn)過程期間進(jìn)行以探測零部件和工藝的潛在缺陷。ESS 還應(yīng)在環(huán)境試驗和可靠性驗證試驗前進(jìn)行，尤其是對于要進(jìn)行可靠性驗證試驗的產(chǎn)品。在可靠性試驗前進(jìn)行篩選的原因是可靠性鑒定和驗收試驗（也叫驗證試驗-必須驗證可靠性指標(biāo)或稱參數(shù)）的統(tǒng)計試驗方案是以產(chǎn)品服從指數(shù)壽命為基礎(chǔ)的，只有經(jīng)過篩選的產(chǎn)品才能基本滿足該要求（即達(dá)到浴盆曲線的故障率恒定期），可靠性驗證試驗才是有意義的。另外，篩選使用的是加速應(yīng)力（當(dāng)然應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計極限應(yīng)力內(nèi)），可靠性用的是實際環(huán)境應(yīng)力，除了部分原本可在篩選中發(fā)現(xiàn)的故障不計成本放到可靠性試驗中去發(fā)現(xiàn)外，有相當(dāng)多的缺陷不能在可靠性試驗中發(fā)現(xiàn)（尤其是高風(fēng)險的試驗方案），得出的可靠性指標(biāo)也是不真實、無意義的。

3 ESS 的計劃和管理

ESS 資源、培訓(xùn)要求和詳細(xì)計劃（包括組件級別和規(guī)定剖面）在生產(chǎn)開始時就必須全部就緒。因為隨著組件生產(chǎn)過程從零件到印制板/模塊、單元、系統(tǒng)，返工的成本逐步上升。在盡可能低的組件級別發(fā)現(xiàn)缺陷就可以減少糾正措施的時間，使返工成本最小。ESS 可用于從零件到成品的任何生產(chǎn)等級。其目的就是以對合適生產(chǎn)的裝備無損害的方式篩選缺陷。經(jīng)有關(guān)管理部門同意，一些如等離子顯示器、真空管之類太易損的部件可不進(jìn)行ESS，因為其設(shè)計屬性經(jīng)不起振動或溫度篩選。另外，篩選應(yīng)確立一個故障報告和糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）。

4 不同級別ESS 的風(fēng)險和效果

表1 提供了在不同級別和功能條件下進(jìn)行ESS 的風(fēng)險和效果。

表1 不同級別ESS 的風(fēng)險和效果

5 通電監(jiān)測和性能檢測

在制訂一個篩選方案時，一個重要的考慮就是產(chǎn)品是加電還是不加電，監(jiān)測還是不監(jiān)測。除非是成品，PWA 通常不加電，因為它們在使用環(huán)境中不是孤立的產(chǎn)品。另外，在篩選過程中，不是總能得到合適的篩選設(shè)備來監(jiān)測PWA。另一方面，單元和系統(tǒng)應(yīng)該加電和監(jiān)測，因為它們作為孤立產(chǎn)品通常是運行的。除初始和最終檢測外，一般從“低溫到高溫”期間和每個循環(huán)的“高溫”駐留期間持續(xù)監(jiān)測產(chǎn)品運行。隨機(jī)振動時應(yīng)全程通電監(jiān)測，以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品間隙性故障。

6 ESS 的剪裁

剪裁原則和隨機(jī)振動及溫度循環(huán)篩選應(yīng)力條件的剪裁方法參見GJB 1032-2020《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》。主要篩選參數(shù)的選擇如下：

1）隨機(jī)振動量級：隨機(jī)振動篩選量級的確定以剪裁輸入而獲得一個可接受的響應(yīng)為依據(jù)。振動探查是確定這些響應(yīng)最合理和直接的方法。應(yīng)在基準(zhǔn)篩選量級的（-6 ～-10）dB（即rms （2 ～3）g）下進(jìn)行振動探查，也可用一個低量級的正弦振動掃頻來獲得整個頻譜上的共振響應(yīng)，若關(guān)鍵響應(yīng)測點的量級超出最大設(shè)計值，應(yīng)對嚴(yán)重共振頻率處（加速度傳遞率Q ≥10）處的譜值進(jìn)行帶谷控制，需要注意的是，振動篩選控制加速度計應(yīng)采用螺接而非粘結(jié)方式。

2）溫度極值：溫度循環(huán)中的溫度極值影響著篩選的效果，溫度范圍（高低溫之差）決定了裝備在每個循環(huán)經(jīng)受的溫度應(yīng)力、應(yīng)變，范圍越大，故障出現(xiàn)越早。通過優(yōu)化溫度極值，可使激發(fā)缺陷的循環(huán)數(shù)最少。選擇溫度極值的關(guān)鍵是適當(dāng)?shù)亟o產(chǎn)品施加應(yīng)力以激發(fā)缺陷而不損傷產(chǎn)品。溫度極值應(yīng)考慮下列關(guān)鍵因素：產(chǎn)品的儲存溫度（高溫和低溫）極限、元器件的最大通電和使用溫度。按美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦范圍通常為：模塊溫度范圍125 ℃（（-50 ～75）℃）、單元溫度范圍110 ℃（（-40 ～70）℃）、系統(tǒng)溫度范圍100 ℃（（-40 ～60）℃）。

3）溫度變化速率：溫度變化速率既影響篩選效果也影響篩選的持續(xù)時間和成本。在溫度應(yīng)力篩選時，因為到產(chǎn)品表面的熱傳遞不均勻、產(chǎn)品表面和內(nèi)部之間的熱滯后、產(chǎn)品各部分不均勻的熱慣量等原因，加熱和冷卻是不均勻的。因此，整個產(chǎn)品可能存在瞬間的溫度梯度，這些溫度梯度和隨之產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、應(yīng)變隨著溫度變化速率的增加而增加。溫度變化速率的選擇取決于產(chǎn)品和預(yù)期缺陷的屬性，如果溫度箱空氣溫度變化速率太高，或駐留時間太短、溫度箱空氣太慢，那么元器件溫度就達(dá)不到溫度箱空氣溫度極值。如PCB 鍍通孔之類元件用高溫變速率激發(fā)缺陷是最有效的，而對焊縫，用低溫變速率和高溫長駐留時間激發(fā)缺陷是最有效的。GJB 1032-2020 要求溫變速率不低于10 ℃/min（整個溫度變化范圍內(nèi)平均值），對于大型整機(jī)和系統(tǒng)，溫變速率可剪裁至5 ℃/min。美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦溫變速率范圍為：PWA 篩選（15 ～20）℃/min；單元篩選（10 ～20）℃/min；系統(tǒng)篩選（10 ～15）℃/min。

4）溫度極值的駐留時間：溫度極值的駐留時間駐留時間由兩個因素組成，即元器件溫度穩(wěn)定需要的時間和將產(chǎn)品在溫度極值溫浸需要時間。

5）溫度穩(wěn)定時間：產(chǎn)品內(nèi)部部件最終達(dá)到溫度箱溫度要求的穩(wěn)定時間應(yīng)由溫度響應(yīng)測定確定。美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦的溫度穩(wěn)定判據(jù)為：在篩選產(chǎn)品中當(dāng)響應(yīng)性能最慢的有關(guān)部件的溫度在最終溫度的15 %以內(nèi)時就達(dá)到了溫度穩(wěn)定。而GJB 1032-2020 要求溫度達(dá)到穩(wěn)定的時間為達(dá)到規(guī)定箱內(nèi)溫度的時間與產(chǎn)品內(nèi)三個重要部位（不含高熱慣性部位）實測溫度均值與箱內(nèi)溫度差不大于10 ℃時的時間之差。

6）溫浸時間：溫浸時間要達(dá)到兩個目的，第一，可使焊錫發(fā)生蠕變，焊錫蠕變需要的時間約為5 min。第二，對于篩選時加電和監(jiān)測的產(chǎn)品，在溫度極值溫浸的時間能進(jìn)行功能測試以發(fā)現(xiàn)在大氣溫度中不會出現(xiàn)的故障。美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦的溫浸時間如下：不監(jiān)測產(chǎn)品：5 min。監(jiān)測產(chǎn)品：有足夠長時間進(jìn)行功能測試或5 min，取較長者。

7）溫度循環(huán)次數(shù)：溫度循環(huán)次數(shù)影響篩選的效果、持續(xù)時間和成本，每個循環(huán)出現(xiàn)的故障數(shù)量通常從開始較低到迅速增加再到以指數(shù)下降至穩(wěn)定，當(dāng)故障數(shù)量穩(wěn)定時通常就達(dá)到了最適宜的循環(huán)數(shù)。美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦溫度循環(huán)數(shù)為：PWA 為20 至40 個循環(huán)，單元或系統(tǒng)為12～20 個循環(huán)。GJB 1032-2020 中缺陷剔除階段為10 個循環(huán)，無故障檢驗階段為10～20 個循環(huán)?？砂串a(chǎn)品實際情況進(jìn)行剪裁，總循環(huán)數(shù)不小于10，無故障檢驗循環(huán)數(shù)不小于4。

7 結(jié)論

環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）是一種改善電氣、電子、光電、機(jī)電等組件和系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性相對便宜的缺陷剔除方法。本文通過ESS 的計劃管理、實施時機(jī)及實施原則等內(nèi)容的介紹，有助于保證ESS 計劃管理的準(zhǔn)確實施。