淺析無線電高度表按照GJB 1032選取環境應力篩選方案

李 妍

（北京藍天航空科技有限責任公司， 北京 100085）

隨著現代科學技術的快速發展，現代化戰爭武器裝備的使用要求也在逐步提高。對軍事裝備的可靠性的要求也更加嚴格、精準。

環境應力篩選是可靠性工程工作的一個重要環節。產品質量的好壞與其是密不可分的。有些人認為做環境應力篩選是浪費人力物力。的確，做環境應力篩選需要投入一定的人力、物力、財力，但我們應該這樣算一筆賬，雖然前期投入了不少，但產品質量能夠保證，這比什么都要重要。否則不但會增加產品因質量問題來回更換所造成的損失，外場的維護費用也是一筆不小的開支，無形中增加了產品的質量成本。而且最關鍵的是產品質量不過關，還會有誰敢使用你的產品。

雖然有些產品也號稱做過了環境應力篩選，但如果方案中所規定的產品所受應力時間和循環次數均達不到GJB 1032–1990《電子產品環境應力篩選方法》的要求，那還是不能算是真正進行了環境應力篩選。這也是許多產品可靠性指標不高和使用中故障率較高的原因之一。

那么我們應該怎樣才能制定出符合GJB 1032的環境應力篩選方案，使產品能達到要求，從而使其可靠性能有質的提高？

現在我們就以無線電高度表為例，簡要說明它的環境應力篩選方案。

1 無線電高度表環境應力篩選方案

無線電高度表是一種應用連續波雷達原理測量飛行體離地面真實高度的測高設備，它以大地或海面作為反射面，測量無線電波從飛機到地面再反射到飛機所需的往返時間，從而來計算出飛行器離地的高度。

因此，無線電高度表能在各種環境條件下精確測量高度。民用客機、軍用飛機、直升機、以及導彈等飛行器上都需要利用無線電高度表來提供高度信息。

由于無線電高度表應用的廣泛性和重要性，它質量的穩定性、可靠性的好壞直接影響了飛機性能，甚至關系到飛行員的生命安全，所以，無線電高度表的環境應力篩選也就尤為重要。

環境應力篩選主要分為溫度循環和隨機振動兩種。

1.1.溫度循環法

溫度循環是環境應力篩選中最有效的篩選應力之一。

溫度循環的機理主要是熱應力和熱疲勞。

電子產品是由各類元器件組成，而元器件由不同材料組成，這些材料的熱膨脹系數不同，溫度變化時，不同材料交界間就會產生壓縮或拉伸應力，即熱應力。當熱應力達到一定程度后會對器件產生破壞作用，造成破壞性失效。

此外，某些器件在工作時所產生的熱循環在具有不同熱膨脹系數的材料之間會產生周期性的切向應力，這種應力的反復作用導致界面處材料的疲勞和界面結合的損傷，使器件特性裂化，這就是熱疲勞失效。

其試驗主要選擇的參數是試驗溫度范圍、溫度變化速率、高低溫保持時間、循環次數及通斷電要求等。這幾個參數的組合是否適當，直接影響到篩選效果，因此針對不同產品的具體情況，如何選擇每種參數，再進行組合是一項十分關鍵的工作。

1.1.1.溫度范圍

溫度范圍它由高、低溫極值決定，選擇溫度極值的關鍵是給產品施加適當應力以析出缺陷而不損壞好的產品。

不同的電子產品根據不同使用要求和環境要求，其所用的元器件類型和等級不同，采用的安裝工藝也不同，所以要暴露其潛在缺陷所需的極值溫度也不同，應針對產品的特點選擇合理的高低溫試驗范圍。

按照GJB 1032 “溫度循環試驗條件”的規定，高低溫極限值一般取產品的工作極限溫度，也可取非工作溫度。

通常情況下，是根據電子元器件的工作溫度來確定篩選所用的溫度范圍的：選取所有元器件高溫工作極限中的最低溫度作為溫度篩選的上限溫度；所有元器件低溫工作極限中的最高溫度作為溫度篩選的下限溫度。

在實踐中，使用的溫度范圍基本上在90℃～180℃之間，選取的最小溫度變化范圍是：組件125℃（通常低溫-55℃，高溫75℃），單元110℃（通常低溫-40℃，高溫70℃），系統100 ℃（通常低溫-45℃，高溫60 ℃）。在上述確定方法的基礎上，根據產品的設計能力，選取的溫度變化范圍盡可能大，以提高篩選效率。

這里它的高低溫極限值為：高溫：60℃ 低溫：-45℃。

1.1.2.溫度變化速率

溫度變化速率通常指的是篩選箱內空氣溫度變化的平均速率。

升、降溫速率的快慢直接影響到熱應力的強度。如果升、降溫速率變化過慢，熱應力作用慢，一些潛在缺陷不足以發展成故障，所以達不到剔除潛在缺陷之目的；但是升、降溫速率過快，熱應力強度是增大了，但這勢必會由于熱力學應力作用過大而損傷質量好的器件。

溫度變化速率的選擇取決于受篩產品的特性，同時還應考慮篩選設備能力。為尋找最佳的溫度變化速率，要求對受篩產品進行溫度調查，尤其對產品的關鍵部位，依據產生在產品上的溫度響應結果并結合篩選設備能力進行確定。

按照GJB 1032 “溫度循環試驗條件”的規定，我們這里采用的溫度變化率的平均值為5℃/min。

1.1.3.高低溫保持時間

按照GJB 1032 “溫度循環試驗條件”的規定，按照GJB 1032附錄B的方法試驗確定。一次循環的時間為3 h20 min或4 h。

高、低溫保持時間由兩部分組成：元器件溫度達到穩定所需的時間和在溫度極值下硬件浸泡的時間。

對于前者，通常有兩種穩定準則：一種是當產品內響應最慢的元件的溫度與極值溫度之差在極值溫度的15% 以內時，就認為達到了溫度穩定。

另一種是在受篩產品的典型部位安裝溫度傳感器進行溫度調查，當溫度傳感器指示值在極值溫度的 土2℃時，才認為達到溫度穩定。

為了縮短溫度穩定時間，可采用風速大的篩選箱來篩選，在不影響產品結構強度和各級組件固定連接方式的情況下，盡可能去除機柜蓋子，加快產品部件周圍的空氣對流速度。

對于后者，即浸泡時間，其目的有2個：保證釬料發生蠕變，這段時間一般為5 min；完成功能測試，時間常常大于5 min。因此，對于不需要監測的產品，浸泡時間為5 min，對于需要監測的產品，浸泡時間則延長至完成功能測試所需要的時間（≥5 min）。

1.1.4.循環次數

溫度循環次數的選取與受篩產品的結構復雜程度、設計和工藝成熟度密切相關。結構簡單的產品，溫度循環次數可適當少些；產品結構越復雜，所需的溫度循環次數也就越多。用于篩選的產品，一方面希望產品內部潛在缺陷盡可能析出，另一方面又不至于過分消耗產品的有效壽命。對印制板組件來說，一般選擇為20～40個溫度循環，而對單元和系統來說，常選擇為12～20個溫度循環。

按照GJB 1032 “溫度循環試驗條件”的規定，在缺陷剔除試驗中，溫度循環為10次或12次，相應試驗時間為40h。在無故障檢驗中則為10～20次或12～24次，時間為40 h～80 h。

1.1.5.通/斷電

按照GJB 1032 “溫度循環試驗條件”的規定，對無冷卻系統的試驗產品，在升溫和高溫保持階段通電，而在降溫及低溫保持階段斷電。

由于無線電高度表是無冷卻系統的產品，故應按以上要求進行試驗。

在通電過程中對產品進行性能檢測，及在高溫保持階段的后10 min進行產品測試。如圖1所示。

1.2.隨機振動法

圖1 溫度循環圖

隨機振動是在寬頻率范圍上對產品施加振動，產品上所有諧振頻率在整個振動時間內同時受到激勵，因而能快速析出潛在的缺陷。

振動篩選的關鍵核心是譜形和總量值。如圖2所示。

圖2 隨機振動圖

1.2.1.振動譜型和量值

一個充分篩選的振動頻譜應當是寬帶的，頻率范圍常為20 Hz～2 000 Hz，必要時可依據產品情況，將頻率范圍縮小到100 Hz～1 000 Hz，以保證受篩產品所有諧振頻率在整個振動時間內同時受到激勵。

由于產品中缺陷的析出取決于缺陷處的振動響應，而不是取決于振動輸入，因此為了能將產品中的缺陷很好地析出，而又不使敏感的和關鍵的元器件以及好的元器件損壞，必須先對產品尤其對振動響應不清楚的產品進行振動調查，摸清產品對振動輸入的響應特性，包括共振頻率、優勢頻率和各組件對振動輸入的響應情況，再根據產品的振動響應特性來確定振動量值，以保證振動輸入的量值大小既能激發缺陷又不損壞產品，從而達到理想的篩選效果。

根據經驗，元件級、組件級篩選量值通常取（0.04～0.045 g2/Hz，而整機產品或含有不耐振部件的產品篩選量值一般低于0.04 g2/Hz（通常取0.02～0.04 g2/Hz)，但具體量值需經過振動調查來確定。

按照GJB 1032“隨機振動實驗條件”的規定，篩選振動量值一般為0.04 g2/Hz，加速度均方根值（Grms）為6.06 g。

1.2.2.振動軸向和振動時間

隨機振動原則上應在3個軸向進行。但由于產品的結構特點及復雜程度、內部部件布局以及產品對不同軸向振動的響應程度不同，振動軸向可以是1個軸向也可以是2個或3個軸向。

按照GJB 1032 “隨機振動試驗條件”的規定，一般情況下只選取單一軸向振動即可有效地完成篩選，但這一軸向應是最敏感的軸向，析出的缺陷應遠大于其它2個軸向，具體振動軸向需要通過對3個互相垂直軸向進行振動調查，確定產品關鍵部位的響應，找出最敏感的軸向，必要時，可以增加振動軸向以使篩選更充分。我們這里選取Y軸方向振動。

按照GJB 1032–1990中 “隨機振動試驗條件”的規定，在缺陷剔除試驗階段為5 min、在無故障檢驗階段為（5～15）min。

2 間歇故障及處理方法

之所以要做環境應力篩選，就是為了發現問題，解決問題。通過篩選，以激發出盡可能多的故障。所有故障都應記錄下來并加以修復。

2.1 溫度循環中的間歇故障

當在溫度循環中發現間歇故障而又無法定位時，應通過復現故障應力環境的方法查找故障源：

將有故障的產品（或其組件）安裝在試驗箱中，連接好電源及其檢測線路。

將試驗箱的溫度調到出現故障的溫度，讓產品以最大或最小負荷周期工作使故障重現，并找出故障源；

如果溫度循環中出現故障，但不知道出現故障的具體時間和溫度應力環境，可以按正常溫度循環的應力施加一個完整的循環，直到出現故障并找出故障源為止。

2.2 振動循環中的間歇故障

若在振動中發現故障、停止振動后又無法定位時，應通過復現振動應力的方法使故障再現，從而找出故障源。

將產品安裝在振動臺上，連接好功能檢測設備和儀表。

由低到高選定振動量值（如表1），以復現故障，如果選定的量值不能復現故障，則適當增加量值，直到復現故障為止，并找出故障源，同時記錄每個量值振動所用時間。

計算使用每一量值振動的時間相當于0.04 g2/Hz的等效時間并相加，但其總時間不能超過15 min。

如果低量值無法發現故障，則應把量值增加到0.04 g2/Hz調查，若故障仍不復現，則應檢查檢測設備及其線路，以確定是否存在非關聯故障。

3 試驗報告

試驗報告是記錄整個試驗的過程，可以對試驗進程進行控制和管理。因此試驗報告表格的編寫也尤為關鍵。這里建議至少編寫以下4個表格：無線電高度表溫度篩選記錄表、無線電高度表振動試驗記錄表、溫度篩選故障情況記錄表、振動篩選故障情況記錄表。

表1 加速度均方根值、功率譜密度及等效時間對照表

4 結束語

綜上所述，環境應力篩選是產品質量的可靠性保證，我們應該科學、合理地確定篩選方案。根據環境應力篩選機理、產品的可靠性和GJB 1032的要求，選取溫度循環一隨機振動作為應力組合，可以有效的剔除早期失效。環境應力篩選將會成為我們將來產品質量、可靠性強而有力的后盾支持。