電子產品環(huán)境應力篩選研究

李 軍 王玉梅

（中國工程物理研究院電子工程研究所 621900）

1 引言

電子產品的可靠性是衡量其性能的重要指標。對武器系統(tǒng)電子產品而言，可靠性是產品研制生產者及使用者關注的重點之一。眾所周知，電子產品的可靠性服從所謂“浴盆曲線”，電子產品的失效率是時間的函數(shù)，隨時間的變化可將失效率劃分為三個階段，即早期失效期、偶然失效期和耗損失效期。在早期失效期，電子產品的失效率隨時間的增加而迅速降低，該階段的失效原因大多是由于設計、原材料和制造過程中的缺陷造成的。為了縮短該階段的時間并剔除出現(xiàn)的早期故障，使得電子產品的失效率處于偶然失效期的較穩(wěn)定階段，人們采用了一些方法和手段，在這些方法和手段中，環(huán)境應力篩選作為重要的技術手段被國內外廣泛使用。尤其是在武器系統(tǒng)電子產品的研制過程中，環(huán)境應力篩選是必不可少的重要環(huán)節(jié)。鑒于環(huán)境應力篩選的重要性，本文對應用于武器系統(tǒng)電子產品的環(huán)境應力篩選技術進行研究。

2 環(huán)境應力篩選簡述

所謂環(huán)境應力篩選（Environmental Stress Screening，ESS），即是在不損壞產品的前提下，選擇若干典型的環(huán)境因素，通過施加適當?shù)沫h(huán)境應力，一定的循環(huán)數(shù)及受應力的時間累積，使產品中的潛在缺陷加速暴露出來，消除產品的早期失效。ESS的目的就是給產品施加一個接近或等于設計的耐環(huán)境強度的應力，使薄弱部分提前暴露出來以便及時修復，從而實現(xiàn)產品各部分耐環(huán)境能力均大于施加的環(huán)境應力，即出現(xiàn)一個破壞應力的下限值，大大縮小陰影區(qū)的面積，使安全范圍擴大，提高產品可靠性。

任何潛在的缺陷發(fā)展成為故障都需要受到一定強度應力一定時間的作用，電子產品只有受到能產生等于或大于閾值的環(huán)境應力才能使某些缺陷變?yōu)楣收稀Ｔ谀承睾偷沫h(huán)境應力中，許多缺陷不會發(fā)展為故障。因此環(huán)境應力篩選的目的即是將那些不滿足環(huán)境應力要求的部分挑選出來，通常的環(huán)境應力篩選的做法是施加合理的溫度、振動等環(huán)境應力。據(jù)統(tǒng)計，溫度應力可篩選出80%的缺陷，振動應力可篩選出20%左右的缺陷。

3 典型環(huán)境應力

環(huán)境應力篩選主要使用溫度循環(huán)和隨機振動兩種應力。

3.1 溫度循環(huán)

溫度循環(huán)篩選需要設定溫度變化范圍、升降溫速率和循環(huán)次數(shù)等參數(shù)。

溫度變化范圍即指溫度循環(huán)從最低溫度到最高溫度的溫度區(qū)間，是環(huán)境應力篩選中影響篩選效果的重要參數(shù)之一。通過擴大溫度變化范圍可以提高篩選率。GJB 1032 要求溫度變化范圍“由產品有關技術條件確定。一般取產品的工作溫度，也可取非工作溫度”。由于電子產品的差異很大，有的電子產品僅由幾個或幾十個元器件及零部件組成，而有的電子產品則可能由成百上千的元器件及部件組成。此外，電子產品的工作環(huán)境和使用要求也不盡相同。因此，溫度變化范圍應根據(jù)電子產品的構成特點和工作環(huán)境確定。具體實施時，應仔細分析電子產品的各組成部分，分別羅列出它們所能承受的溫度范圍，然后取這些溫度范圍的交集作為溫度變化范圍。只有這樣，才能保證溫度變化范圍選擇不當從而造成元器件或部件的損傷。

升降溫速率是影響篩選效率的重要參數(shù)。通常而言，升降溫速率越大篩選效果越好。如果升降溫速率過小，熱應力的作用就大打折扣，會導致一些潛在的缺陷不足無法發(fā)展成為故障，沒有實現(xiàn)剔除潛在缺陷的目的。相反，如果升降溫速率過大，則會使得熱應力強度加大，這有可能對元器件造成損傷。因此升降溫速率應根據(jù)電子產品的自身特點合理選取。GJB 1032提及的參考升降溫速率為5℃/min。

另外，循環(huán)次數(shù)對篩選效果也有較大的影響，篩選效率隨循環(huán)數(shù)的增加而提高。循環(huán)次數(shù)與電子產品的復雜程度相關，產品越復雜，所需的溫度循環(huán)次數(shù)越多。

3.2 隨機振動

電子產品的機械振動有正弦振動和隨機振動等多種振動方式。進行隨機振動時，所有諧振頻率都會受到激勵，因此在機械振動篩選中隨機振動是最有效的方式。對電子產品應力篩選條件的要求，GJB 1032要求隨機振動篩選的功率譜密度為0.04g2/Hz，頻率范圍為20～2000Hz，在缺陷剔除階段隨機振動時間為5min，無故障檢驗階段為5～15min。如果振動時間過長就會使電子產品出現(xiàn)不應發(fā)生的故障。如果有的電子產品在功率譜密度0.04g2/Hz的情況下，不足以激發(fā)潛在缺陷的話，則可適當?shù)靥岣哒駝恿考壓脱娱L振動時間。隨機振動一般要在三個軸向上進行，如果電子產品中多數(shù)PCB電路為同向排列，則可僅在垂直于印制板方向進行的隨機振動。

另外，從提高篩選效率的目的出發(fā)，篩選過程中應當盡可能進行通電檢測。這是由于電應力本身能將電子產品中的缺陷加速發(fā)展為故障。而且篩選出的故障有近一半是在環(huán)境應力下才能發(fā)現(xiàn)的間歇故障，這必須在篩選環(huán)境應力作用下通過通電檢測才能發(fā)現(xiàn)。在溫度循環(huán)中，降溫階段不要通電，因為電子產品通電產生的熱量會影響溫度變化速率。在溫度循環(huán)篩選中應增加性能檢測次數(shù)，以利于及時發(fā)現(xiàn)故障并修復。振動過程中，應加電和進行性能檢測，以保證及時發(fā)現(xiàn)故障。

4 武器系統(tǒng)電子產品環(huán)境應力篩選

武器系統(tǒng)電子產品由于具有高可靠性的要求，需要嚴格執(zhí)行環(huán)境應力篩選。通常需要分別執(zhí)行元器件級、印制板組件級和產品級的環(huán)境應力篩選。印制板組件級和產品級的環(huán)境應力篩選需參照GJB 1032的條款執(zhí)行，元器件級的篩選可按照GJB 360.7的規(guī)定采用高低溫極值溫度循環(huán)沖擊的方法進行。針對武器系統(tǒng)電子產品，環(huán)境應力篩選應盡可能貫穿產品從樣機研制到定型產品交付的整個過程。

電子產品的可靠性是由設計方案所決定的，在武器系統(tǒng)電子產品的樣機研制階段進行環(huán)境應力篩選，在一定程度上可以衡量設計方案的優(yōu)劣，可以有效提高電子產品的固有可靠性。在該階段，電子產品通常需要分別進行缺陷剔除和無故障檢驗試驗。缺陷剔除試驗的目的是對電子產品施加規(guī)定的隨機振動和溫度循環(huán)應力，以激發(fā)出盡可能多的故障，發(fā)現(xiàn)和排除由于不良元器件、工藝缺陷和其它原因造成的早期失效；無故障檢驗試驗的目的在于驗證篩選的有效性。

電子產品的可靠性是通過生產過程實現(xiàn)的，生產過程是聯(lián)系產品研制和產品使用的橋梁。在生產過程中會有多種原因會向產品引入一些潛在缺陷，這些缺陷必須通過環(huán)境應力篩選予以暴露并剔除。在生產過程中，應盡可能在組件級上進行環(huán)境應力篩選，盡早剔除早期故障，避免將潛在缺陷帶入產品級的裝配環(huán)節(jié)中。生產過程的環(huán)境應力篩選應注重排除產品的潛在缺陷，這樣可以保證生產出的產品的可靠性符合產品設計階段所規(guī)定的可靠性指標，滿足用戶的使用要求。對生產多次的定型產品，根據(jù)電子產品的具體情況，可以按照GJB 1032中的“環(huán)境應力篩選試驗的抽樣和簡化”的相關條款執(zhí)行環(huán)境應力篩選：對全數(shù)試驗和抽樣試驗可設法簡化篩選程序，即無故障檢驗可從缺陷剔除試驗時就開始計起，在最大120h的范圍內，要求有至少40h的連續(xù)無故障工作時間。若前40h不出現(xiàn)故障則可免去其后的試驗。此外，對交付的產品應全部進行環(huán)境應力篩選。

對武器系統(tǒng)電子產品而言，合理的環(huán)境應力篩選不會明顯影響元器件的使用壽命，因為元器件的失效率在偶然失效期是隨時間緩慢下降的，環(huán)境應力篩選對它們的影響可以忽略不計。另外，在環(huán)境應力篩選中應堅持失效分析，以利于提高武器系統(tǒng)電子產品的固有可靠性和使用可靠性。

5 總結

環(huán)境應力篩選是武器系統(tǒng)電子產品研制和生產過程的必要環(huán)節(jié)，是確保產品質量與可靠性的重要手段。在進行環(huán)境應力篩選時，應按照GJB 1032的要求并根據(jù)電子產品的具體情況合理設定篩選條件。同時，元器件以及制造技術在不斷發(fā)展，環(huán)境應力篩選也應不斷加以完善以適應新技術的發(fā)展。

[1] 李朝鋒，朱琳，蘇可鵬.電子產品環(huán)境應力篩選方法的分析與探討[J].環(huán)境技術，2010，5：14-16.

[2] 林琳，晏效鋒，張熙川.電子產品環(huán)境應力篩選溫度穩(wěn)定性測試研究[J].裝備環(huán)境工程，2010，7（6）：160-162.

[3] GJB 1032- 90，電子產品環(huán)境應力篩選方法[S].

[4] 田義宏，江雅婷.環(huán)境應力篩選中的振動試驗方法[J]. 強度與環(huán)境，2010，37（6）：18-24.

[5] 劉宏.高加速壽命試驗和高加速應力篩選試驗技術研究[J].電子測試，2009，3：5-8.

[6] 李平，張子華.電子設備話劇應力篩選方法探討[J].電子產品可靠性與環(huán)境試驗，2008，26（2）：42-45.

[7] 張露，張熙川.環(huán)境應力篩選技術及其應用問題分析[J].裝備環(huán)境工程，2006，3（4）：62-65.

[8] 李根成，姜同敏.環(huán)境應力篩選應用研究[J].航天制造技術，2006，1：44-47.

[9] 祝耀昌.環(huán)境應力篩選技術及其應用和發(fā)展綜述[J]. 航天器環(huán)境工程，2007，24（4）：191-197.