電子產品的環境應力篩選研究

中國電子科技集團公司第二十研究所 王紅征

1.引言

隨著工程研制的深人，對電子產品的可靠性要求提高，電子產品的環境應力篩選ESS工作得到了更加地重視，大量、長期的篩選實踐證明，ESS是提高電子產品使用可靠性的有效措施。目前環境應力篩選的依據是90年代實施的《GJB 1032電子產品環境應力篩選方法》，但其適用范圍寬，而且隨著現代技術的不斷進步，該標準中規定的篩選條件已不能適應現代產品生產的需要。因此，在工程研制中，需要對GJB 1032進行適當裁剪與改進，應當依據產品本身的特點來確定應力篩選條件，以提高ESS的效能比。

2.環境應力篩選及其應用中需注意的問題

在電子產品的研制和生產過程中，會因種種原因而引入各種缺陷。ESS的目的就是選擇最能激發其潛在缺陷的環境和應力，使潛在缺陷加速發展成為故障，從而發現和排除由于不良元器件、制造工藝和其它原因引入的缺陷造成的早期失效[1]。設計篩選方法時，一般考慮同時使用溫度循環和隨機振動，并將它們組合起來[2]。在ESS實施過程中必須注意以下幾個問題：

(1)環境應力篩選不是一種試驗，而是一道工序，沒有通過/不通過準則。

(2)環境應力篩選不是費時費力，浪費資源的行為。

(3)環境應力篩選是一種無損檢驗，其應力通常不超過產品能承受的極限。

(4)隨機振動時產品最好與振動臺保持剛性連接。

(5)溫度循環時盡可能地去掉產品外殼。

(6)高組裝等級的篩選不能代替低組裝等級的篩選。

3.提高環境應力篩選的有效性

3.1 溫度循環

溫度循環的參數為：上限溫度值、下限溫度值、溫度變化速率、上下限溫度保持時間和溫度循環次數。由GJB/Z34提供的溫度循環篩選度的公式[3](1)可以看出，影響溫度循環篩選效果的參數主要是溫度范圍、溫度變化率以及循環次數。

式中：

R—溫度循環中的溫度變化范圍(℃)；

—溫度變化速率(℃/min)；

N—循環次數；

e—自然對數的底數。

3.1.1 溫度范圍

溫度范圍的確定要根據產品的設計極限工作溫度、產品的儲存極限溫度以及在篩選過程中是否通電等情況綜合考慮。但是應盡可能增加溫度變化的幅度，以提高篩選的效率。

因此，為了進一步提高電子產品環境應力篩選的有效性，篩選方法可以同時使用產品的存儲溫度和工作溫度，增加溫度變化的范圍。例如某車載電子產品的存儲溫度為-40～+60℃，工作溫度為-10～+40℃，其溫度循環的條件為在-40/+60℃時儲存不通電，在-10/+40℃時通電工作，溫變率為5℃/min，溫度循環次數為10次(最后三個循環連續無故障)。事實證明該方法能有效地剔除早期故障，提高產品的使用可靠性。

3.1.2 溫度變化率

一般來說，溫變率越高，篩選效果越好。在溫度循環中，升降溫速率的快慢直接影響到熱應力的強度。根據GJB1032中對于溫變率的要求是“不低于5℃/min”。工程應用中對很多產品的篩選條件設置都為5℃/min，但是由于受篩產品本身的熱慣性，試驗箱中受試產品的實際溫變率小于5℃/min，而且產品越復雜，其實際溫變率就越低。如果受試產品采用密閉機箱，其內部溫變率將更低，將嚴重影響篩選的有效性。假設將某簡單電子產品A和復雜電子產品B放在篩選箱內，按溫度范圍為-55～+70℃，溫度變化率為5℃/min的條件進行溫度循環。由于產品A的熱慣性較小，產品A能很快響應試驗箱內的溫度變化，設其全程平均的升降溫速率均為4.0℃/min，而產品B平均的升降溫速率為1.5℃/min。按溫度循環篩選度公式，假設都進行10個溫度循環，可計算出產品A和B的篩選度分別為：0.8817和0.602。

因此實際應用中應根據產品本身的熱慣性和試驗設備的能力等確定溫度變化率?，F在很多電子產品的環境應力篩選溫度變化率都有所提高，尤其是機載電子產品。提高溫變率除了提高篩選效能之外，還可以縮短溫度循環時間節約能源。因此，建議結構簡單，易達到熱平衡的產品，升降溫速率可以取得稍微小些；對復雜產品，殼體密封性又較好的產品，升降溫速率要取得稍微大些，但是不能對電子產品造成疲勞破壞。

3.1.3 溫度循環次數

根據GJB 1032，電子產品缺陷剔除階段的溫度循環為10次或12次；無故障檢驗階段的溫度循環為10-20次或12-24次。GJB 1032中規定的溫度循環次數已不能完全適用于所有產品，實際產品中通常采取將故障剔除階段和無故障循環階段簡化。例如某地面設備的溫度循環就選擇了GJB 1032中的簡化方案，在最大120h的范圍內，要求有至少40h的連續無故障工作時間，其溫度范圍為-40～+55℃，溫度變化率為10℃/min，該方案的篩選度為0.9866，能達到暴露產品早期缺陷的目的。

表1所示列出了一些不同溫度循環條件下對應的篩選度。

表1 不同條件下的溫度循環篩選度

由此可以看出在選擇合理的溫變率、溫度上下限的情況下，可以根據篩選度來確定溫度循環次數，既可以有效剔除潛在缺陷，減少早期故障，又可以節約資源。

目前還有很多產品的篩選應力由傳統的單項應力順序施加發展為綜合應力，即同時施加溫度循環和振動應力，縮短了篩選時間，提高了篩選效率。例如某機載電子產品在采用綜合應力的條件下做連續5個無故障循環，溫變率為10℃/min左右，大大提高了篩選的效費比。

3.2 隨機振動

由隨機振動剔除早期缺陷的機理可知，隨機振動對產品的損傷是疲勞累積效應，達到一定程度后即可形成疲勞破壞，因此不能隨意增加振動時間。為了最大限度減少隨機振動對產品壽命的影響，GJB1032規定隨機振動在0.04g2/Hz功率譜密度值作用下，不得超過20min。通過篩選實踐分析認為20min是對單個軸向、單個組裝等級來說的。

振動軸向的選擇取決于產品的物理結構特點、內部部件布局以及產品對不同軸向振動的靈敏度。GJB1032規定隨機振動方向一般選擇一個軸向施振，即可以有效完成篩選[4]。在實際操作中，通常選擇垂直軸向進行振動。由于實際產品中的印制板不僅呈一個方向排列，對于不同布置的印制板而言，在單個方向的振動中，其承受的振動應力有很大的區別。所以，為了提高篩選的有效性，應根據產品的特點選擇振動的軸向，必要時可以進行兩個方向或三個方向的振動。例如某彈載產品的振動選擇3個軸向，振動時間5min/軸向，溫度循環前一個敏感軸向，溫度循環后其它兩個軸向施加。

3.3 環境應力篩選中的電應力

篩選中是否通電和進行性能檢測要視具體情況來確定。從提高篩選效果出發，篩選中應盡量地通電并進行性能檢測。在溫度循環中，降溫及低溫保持階段應斷電，因為通電使產品發熱，會影響產品溫度變化速率；另一方面，低溫結束前進行通電檢測時可以考核產品的低溫啟動能力。隨機振動中，通電篩選最合適的組裝等級是單元級，因為此時已積累了足夠數量的缺陷，可使整個單元激發起適當的振動響應。所以在可以通電的情況下，要盡量進行通電篩選，以更好的鑒別和剔除產品的早期故障。

4.結束語

環境應力篩選對于提高產品的使用可靠性，減少現場故障率有非常重要的作用。為了保證產品能有更高的可靠性，需要加強對ESS的理解，同時對篩選條件進行分析和改進，只有這樣才能實現ESS的目標。

[1]何國偉,戴慈莊.可靠性試驗技術[M].北京:國防工業出版社,1995.

[2]祝耀昌.環境應力篩選譯文集(第四集)[C].航空工業總公司第三零一研究所,1996.

[3]GJB/Z34《電了產品定量環境應力篩選指南》[M].北京:國防科學技術工業委員會,1993.

[4]國防科學技術委員會.GJB 1032-90電子產品環境應力篩選方法[S].1991.