電子產品環境應力篩選溫度穩定性測試研究

林琳，晏效鋒，張熙川

（中航工業自動控制研究所檢測試驗中心，西安 710065）

在產品的整個壽命周期內，環境因素引起產品的故障占總故障數的50%左右。在各種環境因素引起的故障中，溫度、振動和濕度環境因素引起的故障分別為40%，27%和19%，溫度是引起產品故障數量最多的環境因素。

在溫度試驗的實施過程中，對機載電子產品溫度穩定相關要求的理解不夠，主要表現在：

1）在實際操作中很少對產品達到溫度穩定時間進行直接測量或計算；

2）將產品溫度穩定與試驗設備內部達到溫度穩定兩者概念混淆；

3）忽略溫度穩定的要求，在試驗中產品的溫度穩定時間為零。

溫度穩定時間是確定溫度試驗必不可少的條件之一，對保證試驗再現性也很重要。

1 溫度穩定的要求

GJB 150A在通用要求第3.5條對產品溫度穩定的要求為：除另有規定外，當試件中具有最大溫度滯后效應的功能部件的溫度變化率不超過2 ℃/h 時，則認為試驗樣品達到了工作時的溫度穩定；當試件中具有最大溫度滯后效應的功能部件的溫度達到試驗溫度時，則認為試件達到了不工作時的溫度穩定。一般不考慮結構件或無源件的溫度穩定[1]。

GJB 1032 在附錄B 中對產品溫度穩定的要求為：產品按高、低溫設定值進行溫度循環，當安裝在產品上的2/3的熱電偶溫度在設定溫度的±10 ℃范圍之內，則認為產品達到了溫度穩定，該時間點和試驗設備達到設定溫度點的時間之差即為高、低溫溫度穩定時間[2]。

HB 6167在總則第3.1條對產品溫度穩定的要求為：當設備內部最大質量處的溫度達到規定溫度的±3 ℃范圍以內時，認為其達到了設備不工作狀態的度穩定；當設備內部最大質量處的溫度每小時變化不超過2 ℃時，認為其達到了工作狀態的溫度穩定。無法測量其內部最大質量處溫度的設備，可以認為其不工作狀態達到溫度穩定的最短時間為3 h，其工作狀態達到溫度穩定的最短時間為2 h[3]。

GJB 150A 對產品達到溫度穩定的要求最嚴格，在軍民機的環境試驗標準中，筆者分析由于GJB 150A針對的是軍用設備，因此在要求標準上要略高于適用于民用機載設備的HB 6167 中的規定；HB 6167的優點是針對無法測量的設備（或產品）給出了一個最短時間，使標準的操作性更強。另外，比較明顯的差異是環境試驗標準和環境應力篩選標準（GJB 1032）之間的差異，由于環境應力篩選提供的是不損壞產品前提下，能激發產品故障（或缺陷）的加速應力環境，而且篩選對產品的考核重點在升降溫速率和循環次數，對產品的溫度穩定要求相對較低，因此對產品達到溫度穩定的要求也較低。

2 溫度穩定測試方法

不同產品在同一溫度下達到溫度穩定的時間不同，溫度穩定所需時間還與試驗箱的能力和試驗溫度有關，因此不可能提供一個統一的溫度穩定時間，而需要通過一定的方法來確定。根據有關資料，典型的確定方法有直接測量法、重量法、時間常數法等。其中首推直接測量法。

2.1 直接測量法

從GJB 150 對溫度穩定的定義來看，就是用直接測量法來確定試驗樣品溫度穩定的時間，即在樣品熱容量最大的部位安裝溫度傳感器。試驗過程中監測該處的溫度值，當其符合溫度穩定的定義時，則認為樣品達到了溫度穩定。

2.2 重量法

重量法是按受試產品的重量來決定高低溫的保持時間，僅適合于結構簡單、材料單一的產品。如HB 6-71-76《飛機電機電器環境試驗方法》的總則中提出試驗樣品重量與溫度穩定時間對照表（見表1）。對于大部分產品來說，由于結構復雜、零部件材料各不相同，且內部還有微氣候存在，認為保溫時間與重量成比例是不合理的，對一些試驗樣品用直接測量法找出的溫度穩定時間與重量法計算的時間差別很大。因此，國內外一些先進的標準都不采用這一方法。

表1 試驗樣品重量與溫度穩定時間對照表Table 1 Equipment weight and temperature stabilization time comparison table

2.3 時間常數法

時間常數法是國際電工委員會（IEC）采用的方法，即在試驗前直接用熱電偶或其它傳感器測量試驗樣品熱容量最大部位的溫度。當此溫度升到試驗溫度的0.632 倍時停止測量。將這段升溫所需時間作為該試驗樣品的熱時間常數，并把該常數的4 倍作為溫度穩定時間。該方法要對試驗樣品進行實測，因此在許多情況下，不如在試驗過程中直接測量樣品溫度簡便、準確。

3 溫度穩定測試方法研究

由于直接測試更簡便和準確，因此在某型機載電子產品的環境應力篩選試驗中，確定其溫度穩定時間使用了溫度傳感器安裝在產品上直接測量的方式，但通過非接觸測量的方式來幫助確定產品傳感器的安裝點。

3.1 產品非接觸測試

通過紅外熱成像儀或紅外輻射儀及其軟硬件組成的非接觸溫度測量系統進行非接觸測試。在不與被測產品表面接觸的情況下，來獲得常溫環境下產品內部的熱分布情況（如圖1所示）。從而獲得產品熱點以及產品自身的關鍵點及典型位置。

圖1 某型產品印制板溫場分布Fig.1 Temperature field distribution of a PCB

3.2 產品直接測試

在產品上直接安裝溫度傳感器測試的方式被稱為接觸式測試，其測量系統有熱電偶數據采集單元、接口和軟件等組成（如圖2所示）。根據非接觸測試獲得的產品熱點以及產品自身的關鍵點及典型位置作為熱電偶的安裝點，試驗箱內共安裝熱電偶10支，其中9 支熱電偶直接安裝在產品表面及內部，1支用于測試試驗箱內部空間溫度。

某型機載電子產品測試的條件為：高溫工作溫度為70 ℃，低溫工作溫度為-55 ℃，升降速率為10 ℃/min，測試共計3 個循環。由溫度傳感器獲得的各通道測試曲線如圖2所示。

圖2 各通道熱電偶測試曲線Fig. 2 Test curves of temperature stabilization time in every channel thermocouple

根據GJB 1032附錄要求，在產品上2/3的熱電偶的溫度在設定溫度的±10 ℃之內時，認為產品達到了該溫度點的溫度穩定。因此根據由熱電偶測得的溫度曲線，得到每個循環測得的溫度穩定時間見表2。該型產品溫度穩定時間取平均值分別為67 min（達到-55 ℃的溫度穩定）和37 min（達到70 ℃的溫度穩定）。

表2 某型機載電子設備溫度穩定時間測試結果Table 2 Measurement result of equipment temperature stabilization time

3.3 測試方法總結

溫度穩定的測試方法可以通過非接觸測試來確定產品的熱點，這可以作為確定熱電偶安裝點的參考條件；在產品上確定熱電偶安裝點時，也要密切關注產品的關鍵器件和關鍵點，保證關鍵器件必須達到溫度穩定；在產品上安裝熱電偶應盡可能多，這樣試驗結果較為準確；溫度穩定時間的確定至少應保證2次測試，從而驗證測試的準確性，避免只進行一次測試帶來較大的誤差。

4 結語

關于溫度穩定的測試中所用的方法、手段可推廣用于GJB 150A 和HB 6167，可以使產品依據自身特點開展試驗，而并非在產品大小各異、結構不同的情況下，千篇一律的使用同一中溫度穩定時間。

同時在GJB 4239的工作項目403環境響應調查中部分內容（如溫度分布、熱點）也可以采用，也推薦在溫度響應調查之前，產品的環境適應性設計在工程樣機制造后，通過接觸式和非接觸式的溫度測試獲得的數據來進行改進、迭代設計，從而將產品的環境適應性在研制階段就通過設計納入產品中，使機載電子設備的環境適應性不斷提高。

[1]GJB 150A-2009，軍用設備實驗室環境試驗方法[S].

[2]GJB 1032-1990，機載電子產品環境應力篩選方法[S].

[3]HB 6167-1989，民用飛機機載設備環境條件和試驗方法[S].