艦船電子設(shè)備高加速環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)方法的探討

王一飛，陳中青，孫成，黃泳樟，劉玉石，彭德強(qiáng)

（1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所，揚(yáng)州 225001；2.中國船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測中心，揚(yáng)州 225001）

引言

環(huán)境應(yīng)力篩選是指對產(chǎn)品施加規(guī)定的環(huán)境應(yīng)力，以發(fā)現(xiàn)和剔除制造過程中的不良零件、元器件和工藝缺陷等早期故障的一種工序或方法[1]。由其定義可見，環(huán)境應(yīng)力篩選是一種工藝手段，其目的是發(fā)現(xiàn)和剔除早期故障。

目前，電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選主要參照GJB 1032A-2020 《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》和《海軍電子裝備環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)施方法（2006）》中規(guī)定的方法進(jìn)行。

1 環(huán)境應(yīng)力篩選方法現(xiàn)狀

對于電子設(shè)備，GJB 1032A 未詳細(xì)劃分篩選的層次，但是提出了大型產(chǎn)品應(yīng)優(yōu)先在較低的裝配級別進(jìn)行篩選的要求。其篩選應(yīng)力分為溫度循環(huán)和隨機(jī)振動應(yīng)力，施加順序?yàn)橄冗M(jìn)行缺陷剔除階段在進(jìn)行無故障檢驗(yàn)階段。其中缺陷剔除階段包括5 min 隨機(jī)振動篩選和10個循環(huán)的溫度循環(huán)篩選，隨機(jī)振動一般在溫度循環(huán)前實(shí)施。無故障檢驗(yàn)階段包括10~20 個循環(huán)的溫度循環(huán)和（5~15）min 的隨機(jī)振動篩選。

《海軍電子裝備環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)施方法（2006）》中詳細(xì)劃分了篩選層次（模塊級、單元級和分機(jī)（整機(jī)）級），并列出了每一篩選層次的項(xiàng)目和參數(shù)。①模塊級篩選要求溫變率不低于15 ℃/min，包括隨機(jī)振動篩選階段（水平和垂直兩個方向）和溫度循環(huán)篩選階段。其中隨機(jī)振動為每個軸向5 min，溫度循環(huán)應(yīng)不低于24 個周期，但不得超過40 個周期。②單元級篩選溫變率為不小于5 ℃/min，包括缺陷剔除隨機(jī)振動篩選階段（一般為垂直印制板方向）、缺陷剔除溫度循環(huán)篩選階段、無故障檢驗(yàn)溫度循環(huán)階段和無故障檢驗(yàn)隨機(jī)振動篩選階段。相較于模塊篩選，單元級篩選增加了通電的要求。同時，溫度循環(huán)的保溫時間相應(yīng)增加，循環(huán)數(shù)相應(yīng)減少，一般為缺陷剔除10 個循環(huán)+無故障檢驗(yàn)10 個循環(huán)。對于無故障檢驗(yàn)隨機(jī)振動篩選階段，一般要求連續(xù)5 min 無故障可結(jié)束篩選。③分機(jī)級篩選與單元級基本相同，主要區(qū)別為缺陷剔除溫度循環(huán)為5 個周期，同時保溫時間相對更長[2]。

綜上所述，現(xiàn)有的環(huán)境應(yīng)力篩選方法是多個篩選階段的組合，在每個階段分別施加振動或溫度應(yīng)力。經(jīng)統(tǒng)計，按照上述環(huán)境應(yīng)力篩選方法的要求，研制階段或生產(chǎn)初期的分機(jī)（整機(jī)）產(chǎn)品必須進(jìn)行（80 ～120）h 的環(huán)境應(yīng)力篩選；批生產(chǎn)階段，按照簡化方案，分機(jī)（整機(jī)）至少應(yīng)進(jìn)行40 h 的篩選，且這40 h 必須是產(chǎn)品連續(xù)無故障發(fā)生。由此可見，現(xiàn)有的篩選試驗(yàn)周期相對較長。

2 高加速環(huán)境應(yīng)力篩選方法

造成電子產(chǎn)品故障的因素包括溫度、鹽霧、潮濕、振動、沖擊等，但鹽霧、霉菌、潮濕等應(yīng)力導(dǎo)致的故障不是以早期故障的形式表現(xiàn)出來，而是隨著時間的推移呈上升趨勢，因此不宜作為環(huán)境應(yīng)力篩選的加速應(yīng)力。而溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力是導(dǎo)致電子產(chǎn)品出現(xiàn)早期故障主要因素，因此高加速環(huán)境應(yīng)力篩選采用溫度和振動應(yīng)力的綜合，同時施加電子產(chǎn)品規(guī)定的電應(yīng)力。

2.1 高低溫保持溫度

高低溫保持溫度通常是指試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣溫度，一般情況下高低溫保持溫度選擇電子設(shè)備的極限工作溫度。在高加速應(yīng)力篩選中為了縮短溫度保持時間，將篩選的溫度上下限值在電子產(chǎn)品工作極限溫度基礎(chǔ)上分別擴(kuò)展（5 ～10）℃。但擴(kuò)展后的高溫保持溫度應(yīng)不高于電子產(chǎn)品的所有器件高溫工作極值中的最低值，擴(kuò)展后的低溫保持溫度應(yīng)不低于所有器件低溫工作極值中的最高值[3]。

2.2 升降溫速率

在進(jìn)行溫度篩選試驗(yàn)時，試驗(yàn)箱風(fēng)速一般設(shè)定為（2 ～4）m/s。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在風(fēng)速為2.5 m/s 時篩選效果最佳，因此篩選試驗(yàn)通常將風(fēng)速設(shè)定為2.5 m/s。

在試驗(yàn)箱風(fēng)速設(shè)定為2.5 m/s、最大溫變率設(shè)定為（10 ～20）℃/min 時，篩選效果隨著溫變率的升高而更顯著。在試驗(yàn)箱風(fēng)速不變，溫變率超過20 ℃/min 以后，電子設(shè)備自身的溫度變化與試驗(yàn)箱設(shè)定的溫度運(yùn)行曲線相比有明顯的滯后，篩選效果不理想。綜合篩選效果，高加速應(yīng)力篩選一般設(shè)定風(fēng)速為2.5 m/s，溫變速率不低于10 ℃/min 但不高于20 ℃/min。

2.3 高低溫保持時間

鑒于受結(jié)構(gòu)、尺寸、重量、材料、功率等因素的影響，各個電子設(shè)備的熱慣性具有一定的差異。因此，不同電子設(shè)備的溫度保持時間不同，溫度穩(wěn)定時間一般根據(jù)溫度調(diào)查結(jié)果來確定。

保持時間的確定還要考慮完成功能測試所需的時間，因此，在高加速應(yīng)力篩選中高低溫保持時間以（60 ～120）min 為宜。

2.4 溫度循環(huán)周期

鑒于篩選的目的是剔除早期故障。因此，在確定溫度循環(huán)周期數(shù)時需要考慮兩方面的因素：一是溫度循環(huán)周期的設(shè)定數(shù)不能太少，否則不能將早期缺陷盡可能的剔除出來；二是溫度循環(huán)周期的設(shè)定數(shù)也不應(yīng)太多，周期數(shù)太多不僅延長篩選周期，同時可能會對電子設(shè)備造成疲勞累積效應(yīng)。此外，在進(jìn)行溫度循環(huán)周期設(shè)定時，還要綜合考慮電子設(shè)備的復(fù)雜程度、技術(shù)成熟度、設(shè)計水平、工藝可靠性等多種因素。具體可根據(jù)電子設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。例如，對于成熟度較高的電子設(shè)備可設(shè)定為3 個周期，對于新研設(shè)備可設(shè)定為5 個周期或更長。

2.5 振動應(yīng)力

高加速應(yīng)力篩選中施加的振動應(yīng)力為隨機(jī)振動，主要參數(shù)為加速度功率譜密度、頻率范圍、振動軸向、振動時間等。典型的隨機(jī)振動普如圖1 所示。

圖1 典型隨機(jī)振動譜

隨機(jī)振動篩選應(yīng)采用圖1 所示的振動頻譜，頻率范圍為（20 ~ 2 000）Hz。

1）常規(guī)篩選的功率譜密度為0.04 g2/Hz，對應(yīng)的加速度為6.06 g。高加速應(yīng)力篩選的功率譜密度可根據(jù)電子設(shè)備具體情況選擇0.04 g2/Hz 或0.05 g2/Hz。

2）隨機(jī)振動對電子設(shè)備會造成疲勞累積，尤其電子設(shè)備去除減震器后承受的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際使用環(huán)境，如再隨意增加振動時間可能會對電子設(shè)備造成過應(yīng)力損傷。因此，在功率譜密度為0.04 g2/Hz 的條件下，振動時間應(yīng)不超過20 min[1]。當(dāng)按此譜形用較低或較高量值進(jìn)行振動，可按公式（1）計算出等效的振動時間，以保證電子設(shè)備不因過應(yīng)力造成損傷。

式中：

T—等效時間min；

Ti—實(shí)際振動時間min；

W0—0.04 g2/Hz；

Wi—所用振動量值，g2/Hz。

3）隨機(jī)振動一般選取一個軸向施振，對于以印制板為主要內(nèi)部構(gòu)成的電子設(shè)備，振動軸向應(yīng)選擇垂直于印制板的方向。

2.6 電應(yīng)力

高加速環(huán)境應(yīng)力篩選與常規(guī)篩選施加的電應(yīng)力略有不同，高加速環(huán)境應(yīng)力篩選中施加的電應(yīng)力是在低溫升溫至高溫保持過程中滿負(fù)載通電工作，降溫及低溫保持過程中不通電。

按照溫度循環(huán)一次進(jìn)行上限電壓、標(biāo)稱電壓和下線電壓拉偏。

3 案例

本文以某型艦船電子設(shè)備為研究對象，共選取4 套（1#~4#）設(shè)備，其中兩套（1#、2#）采用常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選方法進(jìn)行，兩套（3#、4#）采用高加速環(huán)境應(yīng)力篩選方法進(jìn)行。

該設(shè)備的高低溫極限工作溫度為+50 ℃和-10 ℃。選用的元器件中極限高溫工作的最低值為+70 ℃，極限低溫工作的最高值為-40 ℃。

3.1 常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選條件

常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選的流程如圖2 所示。

圖2 常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選流程圖

根據(jù)GJB 1032A 和《海軍電子裝備環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)施方法（2006）》的規(guī)定，本次溫度循環(huán)溫度上限為+50 ℃，溫度下限為-10 ℃，溫變率為5 ℃/min，上下限溫度保持時間為120 min，試驗(yàn)中低溫升溫至高溫高溫結(jié)束通標(biāo)稱電壓，共進(jìn)行5 個故障剔除溫度循環(huán)和10 個無故障檢驗(yàn)溫度循環(huán)（連續(xù)5 個無故障發(fā)生則結(jié)束），具體如圖3 所示。

圖3 常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選溫度循環(huán)剖面

隨機(jī)振動應(yīng)力按照圖1 的隨機(jī)振動譜施加，隨機(jī)振動功率譜密度W 為0.04 g2/Hz，分為缺陷剔除階段（5 min）和無故障檢驗(yàn)階段（15 min 中有連續(xù)5 min無故障則結(jié)束）。

3.2 高加速環(huán)境應(yīng)力篩選條件

按照高加速環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)方法確定本次高低溫工作極限值分別為+60 ℃和-20 ℃。溫度變化率選取15 ℃/min，溫度循環(huán)周期為5 個周期。根據(jù)該電子設(shè)備前期溫度調(diào)查結(jié)果，確定高低溫保持時間為120 min。

隨機(jī)振動應(yīng)力選擇圖1 的隨機(jī)振動譜。其中；第1 個溫度循環(huán)施加的隨機(jī)振動功率譜密度W 為0.01 g2/Hz，第2 個循環(huán)為0.02 g2/Hz……第5 個循環(huán)為0.05 g2/Hz，每個循環(huán)振動時間均為5 min，振動軸向?yàn)檠赜≈瓢宓拇怪狈较?。按照公式?）計算，5 個周期隨機(jī)振動的等效時間為5/64+5/8+5×27/64+5+5×125/64=17.6 min，在（15 ～20）min 內(nèi)的最佳篩選時間內(nèi)。

該型電子設(shè)備標(biāo)稱電壓為220 V/50 Hz，電壓變化值為標(biāo)稱值的±10 %，滿負(fù)載為2 kW。試驗(yàn)中第1 溫度循環(huán)施加上限電壓242 V，第2 循環(huán)施加220 V，第3 循環(huán)施加198 V，第4 循環(huán)施加242 V，第5 循環(huán)施加220 V。

按照上述條件，制定的高加速環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)綜合剖面如圖4 所示。

圖4 高加速環(huán)境應(yīng)力篩選綜合剖面

3.3 兩種篩選方法的對比

經(jīng)統(tǒng)計，采用常規(guī)方法完成兩套電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選共用時94 h，平均每套用時47 h（溫度循環(huán)46 h+隨機(jī)振動1 h），篩選過程中未發(fā)生故障。采用加速方法完成兩套電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選共用時45 h 40 min，平均每套用時22 h 50 min（不含排除故障時間），篩選過程中共出現(xiàn)兩個早期故障。

由此可見，高加速環(huán)境應(yīng)力篩選周期縮短至常規(guī)篩選的50 %以內(nèi)，不僅大大縮短篩選周期，同時提高了篩選效果。

4 結(jié)論

本文所提出的高加速環(huán)境應(yīng)力篩選方法不僅適用于艦船電子設(shè)備，同時適用于其他平臺的電子設(shè)備，電氣產(chǎn)品、光電、機(jī)電等產(chǎn)品也可參考該方法使用。