電子產品環境應力篩選的有效性分析

王奇鋒，尉明，孫軼，趙娜

（中航工業西安航空計算技術研究所，陜西西安，710068）

0 引言

環境應力篩選（ESS）作為一項質量過程控制技術已在電子、機電等產品的研制與生產過程當中得到廣泛應用。從試驗技術發展來看，其經歷了早期是burning技術、常規ESS技術、定量ESS技術、HASS技術、HASA技術等技術的變遷，但不管如何變化，其目的始終不變，即剔除產品早期故障，使產品的使用可靠性接近或達到其設計的可靠性水平（圖1的F點和G點）。

圖1 篩選剔除壽命期浴盆曲線中早期故障部分示意圖

一個使產品在經歷了ESS后能達到F點的試驗方案是一個有效的試驗方案，其試驗結果有效。從圖1中可以看到，常規產品浴盆曲線中的F點與經過強化后產品浴盆曲線中的G點均是達到預期使用可靠性的點。通常情況下F點可以通過GJB/Z34中的試驗方法得到，但該方法僅適合大批量或有特殊要求的產品，而G點可以采用加速篩選的概念，使產品在最短的時間達到使用可靠性的要求。兩種不同的試驗方法均可得到相同的篩選效果。

圖2 影響ESS有效性的魚刺圖

環境應力篩選的有效性，簡單的說就是“在一個生產周期內，通過對產品施加合適的應力，在最短的時間內，使有缺陷的產品最大數量的失效并被剔除出去”。達到了這個目的，該試驗方案就是有效的試驗方案，而試驗方案的執行效果就應該是最能體現篩選有效性的F點或G點。而實際情況并不是這樣，這是因為影響ESS有效性的因素很多，這些因素如果沒有妥善處理好，將影響ESS的效果。

影響ESS有效性的因素主要來自于篩選度、檢測效率與工程管理。前兩者的乘積是篩選檢出度[1]。對于篩選度來說，其因素組成主要有溫度循環與振動；對于檢測效率來說，其因素組成主要有電應力與檢測設備；對于工程管理來說，其因素組成主要有標準作業指導書與試驗工藝、過程控制、夾具設計與應力響應分析。在后續的章節中對這幾個因素分別探討。

1 與篩選度相關因素帶來的影響分析

電子產品的故障均服從于耐環境強度“干涉”理論。如果產品耐受使用環境強度的能力小于使用環境應力，則產品將發生故障。據統計，產品故障中溫度環境占40%，振動占27%。通過設計合理的溫度和振動應力組合可以有效剔除產品大部分潛在缺陷，因此，無論是現在使用的ESS 方法，還是新興的HASS或HASA方法，主要使用都是溫度循環應力和振動應力。

1.1 溫度循環應力

在溫度循環參數中，對篩選效果最有影響的是溫度變化范圍R、溫度變化速率V以及循環次數N。增大溫度變化范圍和變化速率能加強產品的熱脹冷縮程度和縮短這一過程的時間，增加熱應力；而循環次數的增加則能累計這種激發效應。故，加大上述三個參數中任一參數的量值均有利于提高溫度循環篩選效果。其篩選度計算公式如下所示：

SS=1-exp{-0.0017(R+0.6)0.6[ln(e+v)]3* N }

式中，R -篩選的溫度范圍，v-溫度變化速率，N-循環次數。

表1 是按上述公式計算的結果

（1）溫差越大、溫變速度越高、循環數越多，其篩選度越高。

（2）在幾種組合方案中，幾種不同的篩選方案可以得到相同的篩選度。

這里需要注意的是：當溫變率越高時，在溫升時產品上的凝露現象越嚴重。通常采用通干燥風或氮氣的方法來解決這一問題；同時，應盡量確保溫度應力是直接作用在產品的電子部件上。

1.2 振動應力

GJB1032規定ESS篩選的振動應力一般施加在溫度循環的兩頭，即在溫度前后分別施加一次振動應力。與振動應力相關的主要參數是振動軸向、振動譜型、振動量值、振動時間等。

（1）振動軸向：一般選擇產品的敏感方向作為施振軸向。在實際操作中，對于組成復雜、器件安裝密度高、封裝形式多樣、尺寸重量差異較大的產品，為保證篩選效果，應盡量考慮在三個軸向上依次或同時進行振動篩選。三軸同時振動的方式最為嚴酷，也是最為真實的模擬產品的使用環境。圖3是一種三軸同時施加振動的一種振動臺。

圖3 三軸向振動臺

（2）振動譜型：隨機振動是在很寬的頻率范圍上對產品施加振動，產品在不同的頻率上同時受到應力，使產品落在頻段范圍內的共振點同時受到激勵。這就意味著具有不同共振頻率的元部件同時在共振，從而使安裝不當的原件受扭曲、碰撞等而被損壞的概率增加。因此，振動的譜型一般選擇GJB1032中的隨機振動譜。當有特殊用途時，也可采用產品進行功能振動時的譜型。

振動量值與振動時間：這兩個因素在GJB/Z34中明確指出，是與篩選度密切相關。從下面的公式中可看到，振動量值越大，振動時間越長，產品的振動篩選度越高。

這里需要注意的是：振動是一種可加速的應力，其高量值與低量值在振動時間上有等效的計算公式。同時產品交付用戶使用時，期望達到F點而不是過F點。因為過了，將會犧牲產品的使用壽命。

小結：與篩選度相關影響因素主要體現在試驗方案的設計上。ESS試驗在本質上來說就是一個加速試驗，其目的就是通過篩選找到F點。因此，為達到篩選的有效性，在試驗應力的類型與量值的選擇上可以不局限于產品的實際使用環境。同時，用戶的反饋也是試驗方案需要調整的原因之一，一個在篩選過程中從不暴漏問題但總聽到用戶抱怨、或篩選時總是故障不斷的試驗方案都不是一個有效的試驗方案。

2 與檢出效率相關因素帶來的影響分析

檢出效率是篩選的重要因素。施加的環境應力把潛在缺陷變成一個明顯的故障后，剔除故障的能力僅取決于測試儀表尋找故障并加以定位的能力。因此，應盡可能采用檢測效率高的測試儀表。需考慮兩個方面：電應力、檢測設備的自動化程度及測試覆蓋的全面性。

2.1 電應力

篩選中是否通電和進行性能檢測要視具體情況而定。一般來說，應盡量通電并進行性能檢測，特別是當電應力本身能激發某些缺陷使之發展為故障時，如有可能，建議考慮施加拉偏應力。如在試驗方案設計上即可以設計成在每個循環的低溫啟動時施加低拉偏電應力，在高溫工作時施加高拉偏電應力；也可考慮在不同的循環段按低電應力、正常電應力、高電應力分別施加。需注意的是，由于環境應力篩選提高的是產品的使用可靠性，不是固有可靠性，故電應力的施加通常是在產品的設計初期，可靠性增長試驗之前進行。

2.2 檢測設備

沒有檢測的ESS試驗，只能在試后進行外觀等方面的檢驗，篩選效率較低。對航空電子產品來說，試驗中的加電檢測是必須的，且對檢測設備有較高的要求。如自動化程度高，有自動記錄與自動判別功能，當產品出現問題時，能自動報警等。檢測設備做的好的，甚至可以做到在現有實測數據與歷史實測數據之間進行對比，以便發現產品性能參數的實測值與標稱值的差值變化是否有不良規律，這樣可以反饋到相應的生產環節進行修訂。同時在軟件上，測試的覆蓋性是一個相當重要的一個環節。覆蓋性低的，有可能產品的軟缺陷已被激發，但檢測設備會報產品工作正常。如某芯片在試驗后發現有一個管腿在焊接過程中未焊好，試驗后已脫焊、懸空，但產品加電檢測正常。如果該產品在外觀檢時沒有發現該問題，則產品會交到用戶處，該現象會導致整個芯片焊接強度的下降，將產品失效的風險留給了用戶。

小結：與檢測效率相關的影響因素，對電子產品來說主要體現在檢測設備的自動化程度與測試的覆蓋性上。自動化程度越高，越能減少因人員變化帶來的差異影響；覆蓋性越大，越能將已篩出故障的產品暴漏出來。由于牽扯到費效比，因此，在合理的情況下，盡量做好檢測設備。

3 與試驗工程管理相關的因素帶來的影響分析

ESS試驗是一個工程性試驗，在產品的設計階段，其主要職能是盡量暴漏設計問題；在產品的生產階段，主要職能是盡量暴漏產品生產的工藝問題。在整個ESS試驗周期內，其業務范圍包括了篩選規程的編制、檢測設備的設計與驗證、試驗夾具的設計與測定、產品的應力響應分析、不同篩選設備的標準作業指導書、試驗過程中的中斷與故障的處理等工作。這里面任何地方出現問題，都有可能對篩選試驗的有效性造成影響。下面分別敘述：

3.1 標準作業指導書與試驗工藝

該部分的兩個環節，是具體指導篩選實施的要求。

（1）試驗工藝：試驗工藝是對篩選大綱具體執行的詮釋。其將已確定的試驗條件、應采用的篩選設備的類別與特性、檢測設備的操作步驟、產品在不同設備中的安裝連接方式與要求、各種傳感器的布置位置、檢測的項目內容與格式記錄等內容固化，以確保每次ESS試驗效果的一致性；

（2）標準作業指導書：由于每臺篩選設備的特性存在個體的差異性，因此，應清楚的了解每一臺篩選設備特性，以便在執行篩選時不會有差錯。如對于快速溫度變化箱來說，溫度范圍、有效容積、溫度偏差位置的變化、進風與出風的方式、帶熱負載的能力等就是關鍵指標，應在指導書中進行標示以減少篩選執行上的偏差。

3.2 過程控制

該部分包括了產品的預處理、篩選試驗的實施及實施后報告的編制。這里，僅對容易出問題的幾個環節進行敘述。

（1）產品的預處理：試驗前可通過紅外熱像儀對產品的發熱情況進行測量，將發熱量大的部位放在風向的末端；對于整機產品來說，要開蓋后進行試驗（能開的盡量打開），便于空氣流通；對于模塊產品來說，如果無測試機箱，則每個模塊平鋪在箱內同一層上（盡量與風向垂直）。如果有測試機箱，則測試機箱要多開孔，且機箱的開孔部位最好與模塊平面垂直，便于空氣的流動。

（2）產品的擺放位置：被試產品必須擺在支架上，產品與試驗箱底部、頂部及四周箱壁之間有足夠的間隔距離，保證氣流能在產品之間、試驗產品與箱壁之間自由循環。單臺產品擺放在箱子的有效容積的中間；多臺產品擺放時，除要遵循產品體積應小于箱子容積的1/10外，還要考慮產品最好是平鋪在一層的限制，以避免產品之間的相互影響。如果產品之間在空間投影有疊放，則當箱內的循環風從吹過時，先吹過的產品的迎風面與后吹過產品的背風面之間的溫度差往往會有較大的溫度差。

（3）振動篩選的控制方法有單點、多點平均和最大值控制法等多種不同方式，它們都會產生振動控制信號，產品響應會造成較大差異，可能還會造成過應力或者欠篩選。通過振動響應分析之后應該固化振動控制方法和控制點的安裝位置（包括固定方法），必要時還應該確定傳感器的類型。

（4）不同夾具的振動傳遞率各不相同，對于同樣的產品應該使用同一種夾具進行篩選。不同的安裝方式也會影響到振動傳遞率，每次篩選都應使用同樣的安裝方式。

（5）產品在進行ESS試驗時，不可避免的會遇到各種中斷，當確認是因來自試驗設備本身或其周邊環境（如水、電、氣等基礎設施）引起的中斷時，應在導致中斷的因素恢復正常后或采取更換試驗設備的手段確保試驗繼續進行；當中斷已確定不是因試驗設備引起的時，應先記為“故障”并上報，當故障審查小組確定中斷是因產品本身引起的，則故障確定，試驗停止，故障產品進行返工處理。

這里需特別注意的是引起中斷的原因是檢測設備引起的，除對檢測設備進行維修外，還需要對其可能產生的歷史影響進行分析。

3.3 夾具設計與應力響應分析

該部分包括三部分工作：振動夾具測定，產品的溫度敏感點測定與監控、產品振動響應分析。

（1）振動夾具設計與測定：夾具的作用是將振動能量不失真地傳遞到受試品上。夾具設計應考慮如下因素：產品在夾具上安裝方式應與實際安裝方式相同、產品的安裝數量、夾具在振動臺上安裝方式、各類線纜的布置、夾具的加工方式等。生產出的夾具應通過測定來檢查其是否會把產品不應受到的應力傳遞給產品，同時給出振動的最佳控制位置。

（2）產品的溫度敏感點測定與監控：通過紅外熱像儀顯示產品的溫度敏感點，并在這些敏感點上粘接熱電偶，通過溫度巡檢儀監測產品敏感點在溫度應力下的變化，以獲得產品在溫度下的相關信息。

（3）產品振動響應分析：通過接觸式或非接觸式振動傳感器，獲得產品在受到振動應力時的模態，在關鍵點上粘接傳感器，以獲得產品在振動下的相關信息。

小結：與工程管理相關的影響因素，對電子產品來說主要體現在篩選實施過程中的方方面面。從具體產品篩選工藝的制定，到產品與夾具的測量，到整個篩選過程中的執行，都需要有標準流程指導，這樣最后篩選的效果才能得到保障。

4 結論

（4）試驗工程的有效管理是實現ESS試驗有效性的保障。

綜上所述，一個有效的ESS試驗需要在多方面進行關注，這是一個長期的、協同配合才能達到的效果。歸納以下幾點。（1）一個有效的ESS試驗方案是一個動態的試驗方案，其應根據產品生產的情況與用戶的反饋情況進行試驗方案的調整；（2）一個篩選度高的方案要基于產品特點進行設計，而不是僅看試驗設備的能力；（3）一臺檢出效率高的檢測設備是剔除缺陷產品的必要條件；

參考文獻

[1] GJB/Z34-93,電子產品定量環境應力篩選指南[Z].

[2]田開讓.有效的可靠性管理技術[J].電子產品可靠性與環境試驗.2001(1):21-24.