環(huán)境應(yīng)力篩選中的故障模式與排故方法分析

賈彥榮 喬兵克 趙祥師 耿靜芬

摘要：新時(shí)期工業(yè)制造發(fā)展下，電子產(chǎn)品層出不窮，為保證電子產(chǎn)品質(zhì)量安全采用環(huán)境應(yīng)力篩選能夠起到一定的驗(yàn)證效果。文章通過(guò)對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選進(jìn)行分析，并探討環(huán)境應(yīng)力篩選下存在的故障問(wèn)題，結(jié)合工作實(shí)際分析故障排除方法。

關(guān)鍵詞：環(huán)境應(yīng)力;應(yīng)力篩選;故障模式;篩選故障

引言

GJB1032—1990中針對(duì)電子產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選給出了普適的標(biāo)準(zhǔn)，在頒布之初取得了較好的效果。但是，由于其是20世紀(jì)90年代制定的標(biāo)準(zhǔn)，因而還是存在著諸多的局限。無(wú)差的、不容裁剪的應(yīng)力條件，已不能滿足快速發(fā)展的多型現(xiàn)代化裝備的篩選需求，環(huán)境應(yīng)力篩選還有待創(chuàng)新。

1環(huán)境應(yīng)力篩選相關(guān)概述

環(huán)境應(yīng)力篩選是剔除電子產(chǎn)品早期故障的重要方法，通過(guò)對(duì)電子產(chǎn)品施加一定的環(huán)境應(yīng)力，可以將產(chǎn)品中的缺陷（主要是工藝缺陷）激發(fā)成早期故障并予以剔除。由于環(huán)境應(yīng)力篩選是針對(duì)所有產(chǎn)品進(jìn)行的，要求100%開(kāi)展環(huán)境應(yīng)力篩選，而目前采用的環(huán)境應(yīng)力篩選方法還屬于常規(guī)的篩選，篩選所需的時(shí)間長(zhǎng)，篩選效果難以精確評(píng)價(jià)，無(wú)論是對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)還是大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，環(huán)境應(yīng)力篩選都占據(jù)了大量的時(shí)間，嚴(yán)重影響了科研生產(chǎn)的開(kāi)展和產(chǎn)品的及時(shí)交付。因此，生產(chǎn)廠家需要更高效的篩選方法，希望利用更短的時(shí)間完成篩選工作，達(dá)到相同或更好的效果。以機(jī)械產(chǎn)品為例，機(jī)械產(chǎn)品由于所處的平臺(tái)與其他產(chǎn)品不同，其故障發(fā)生的原因和規(guī)律受其環(huán)境的影響也有所不同。隨著機(jī)械產(chǎn)品的需求迅速增加，每年的生產(chǎn)任務(wù)成倍增加，原有常規(guī)篩選效率和周期遠(yuǎn)不能滿足需要。本文主要研究機(jī)械電子產(chǎn)品高加速應(yīng)力篩選方法，在常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同類別的產(chǎn)品，在不改變故障模式和失效機(jī)理的條件下，采用更加有效激發(fā)早期故障的應(yīng)力種類、量級(jí)和施加方法，實(shí)現(xiàn)縮短時(shí)間的高效環(huán)境應(yīng)力篩選。

2環(huán)境應(yīng)力篩選中的故障模式分析

機(jī)械電子產(chǎn)品由于所處的環(huán)境不同，與其它電子產(chǎn)品相比，既有電子產(chǎn)品共同的特點(diǎn)，又有其特殊性。電子產(chǎn)品的故障發(fā)生與其工作環(huán)境關(guān)系極大，而機(jī)械電子產(chǎn)品所承受的環(huán)境包含3個(gè)方面：自然環(huán)境、平臺(tái)環(huán)境、誘發(fā)環(huán)境。自然環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、鹽霧、霉菌、太陽(yáng)輻射、海浪及其他自然環(huán)境因素;平臺(tái)環(huán)境因素主要包括振動(dòng)、沖擊、顛震、搖擺與傾斜;誘發(fā)環(huán)境因素主要包括裝配過(guò)程是否適當(dāng)、“三防”處理是否滿足要求。通過(guò)以上分析，影響機(jī)械電子產(chǎn)品故障發(fā)生的因素是多方面的，但是，這些影響因素所產(chǎn)生的效應(yīng)在產(chǎn)品的壽命周期中所處階段卻有區(qū)別。根據(jù)對(duì)近年來(lái)用戶反映的產(chǎn)品故障情況統(tǒng)計(jì)分析，可得出以下結(jié)論：溫度、振動(dòng)是導(dǎo)致機(jī)械電子產(chǎn)品發(fā)生故障的重要因素，也是導(dǎo)致其發(fā)生早期故障的重要因素，但在溫度、振動(dòng)應(yīng)力撤除后，不會(huì)存在殘余應(yīng)力，對(duì)產(chǎn)品的后續(xù)使用也不會(huì)產(chǎn)生影響;鹽霧、霉菌和潮濕等環(huán)境因素在應(yīng)力撤除后，影響不會(huì)消失，將繼續(xù)產(chǎn)生影響，如腐蝕的化學(xué)過(guò)程并未停止，只是可能反應(yīng)速度變慢一些。施加環(huán)境應(yīng)力，使產(chǎn)品內(nèi)部的缺陷變成早期故障表現(xiàn)出來(lái)，且在應(yīng)力撤除后，產(chǎn)品不應(yīng)有應(yīng)力殘余。通過(guò)以上分析，鹽霧、霉菌、潮濕這幾種應(yīng)力不宜作為環(huán)境應(yīng)力篩選選擇的應(yīng)力，同時(shí)通過(guò)收集到的機(jī)械電子產(chǎn)品早期故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出其影響因素仍然以溫度與振動(dòng)為主[1]。

3環(huán)境應(yīng)力篩選排故方法措施

3.1復(fù)驗(yàn)篩選專業(yè)化

對(duì)驗(yàn)收合格的電子元器件，還需要按照統(tǒng)一規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行嚴(yán)格復(fù)驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)電子元器件有關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行補(bǔ)充篩查，以確保電子元器件符合電子產(chǎn)品使用的要求。此外，還要對(duì)電子元器件的合格證書(shū)進(jìn)行查驗(yàn)，如果沒(méi)有取得合格證，則不能進(jìn)行裝機(jī)試用。

3.2環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)項(xiàng)目選擇

GJB450A-2004《裝備可靠性工作通用要求》關(guān)于環(huán)境應(yīng)力篩選指出：裝備生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境應(yīng)力篩選，首先要考慮的是盡快激發(fā)出產(chǎn)品制造過(guò)程引入的潛在缺陷，但不能損壞產(chǎn)品中原來(lái)完好的部分。因此，采用加速應(yīng)力，應(yīng)力的大小不能超過(guò)產(chǎn)品的耐環(huán)境設(shè)計(jì)極限，施加應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間不能在產(chǎn)品中累積起不允許的疲勞損傷。一般采用快速溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)兩個(gè)最有效的應(yīng)力組合進(jìn)行。也可采用對(duì)受篩選產(chǎn)品特別敏感的其它應(yīng)力。結(jié)合GJB1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》的要求，針對(duì)機(jī)械電子產(chǎn)品一般施加溫度應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力和電應(yīng)力三個(gè)項(xiàng)目，采用綜合試驗(yàn)箱來(lái)完成生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境應(yīng)力篩選[2]。

3.3溫度應(yīng)力篩選

由于高加速應(yīng)力篩選的應(yīng)力比常規(guī)篩選時(shí)更大（綜合應(yīng)力），因而對(duì)激發(fā)早期故障的效果更好;由于提高了溫度變化的速率及高低溫極限值，因此縮短了溫度保持時(shí)間，提高了篩選的效率。以某型電子設(shè)備為例分析，常規(guī)篩選1個(gè)溫度循環(huán)篩選周期的時(shí)間與高加速應(yīng)力篩選所需要的時(shí)間對(duì)比下。高加速溫度應(yīng)力篩選時(shí)間比常規(guī)溫度應(yīng)力篩選最短溫度篩選時(shí)間縮短了74%;而且，高加速應(yīng)力施加的是溫度與振動(dòng)的綜合應(yīng)力，振動(dòng)應(yīng)力篩選不占用篩選時(shí)間，而常規(guī)應(yīng)力篩選溫度循環(huán)與振動(dòng)篩選分別進(jìn)行，考慮到振動(dòng)篩選本身需要一定的時(shí)間外，再加上設(shè)備做完溫度篩選搬到振動(dòng)臺(tái)重新連接電纜、設(shè)備加電恢復(fù)工作需要一定的時(shí)間，因此總的高加速環(huán)境應(yīng)力篩選的時(shí)間比常規(guī)篩選時(shí)間可以縮短80%以上，篩選的效率非常明顯。

3.4振動(dòng)應(yīng)力篩選

易某產(chǎn)品應(yīng)力篩選為例，在室內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)過(guò)程中，為了模擬產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境，基于產(chǎn)品實(shí)際使用過(guò)程中的安裝方式，設(shè)計(jì)了特定的試驗(yàn)夾具。依據(jù)產(chǎn)品實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行安裝。依據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)的選取原則，控制點(diǎn)應(yīng)選在夾具或者振動(dòng)臺(tái)面上最接近產(chǎn)品剛度最大的部位，對(duì)于大型整機(jī)可采用多點(diǎn)平均控制。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制點(diǎn)的選擇與控制精度有著密切的關(guān)系。根據(jù)某機(jī)載設(shè)備的特點(diǎn)，可以采取多點(diǎn)控制方法，控制點(diǎn)均勻地分布在試驗(yàn)夾具上。依據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置原則，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在試驗(yàn)產(chǎn)品的關(guān)鍵部位處，使其均方根加速度不得超過(guò)設(shè)計(jì)允許的最大值[3]。若超過(guò)則應(yīng)進(jìn)行譜分析，查出優(yōu)勢(shì)頻率所在，允許降低該處譜值，以保證不使試驗(yàn)產(chǎn)品關(guān)鍵部位受到過(guò)應(yīng)力作用。根據(jù)該機(jī)載組件的安裝特點(diǎn)，本試驗(yàn)中采取多點(diǎn)控制方法?；谠嚰皧A具的安裝方式，綜合地考慮試驗(yàn)夾具的對(duì)稱性及試驗(yàn)過(guò)程中試件所受的振動(dòng)應(yīng)力值較大部位等因素。通過(guò)初期摸底試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在該試驗(yàn)條件下，相對(duì)稱的兩個(gè)試件位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)值差別較大，試驗(yàn)中檢測(cè)結(jié)果顯示響應(yīng)值較大處測(cè)試出現(xiàn)故障。依據(jù)如上的試驗(yàn)條件及實(shí)施規(guī)范開(kāi)展該產(chǎn)品的綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，累計(jì)完成若干批次該機(jī)載整機(jī)設(shè)備的試驗(yàn)工作，試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果及外場(chǎng)使用結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將該統(tǒng)計(jì)結(jié)果與單環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)內(nèi)場(chǎng)故障比率及單環(huán)境應(yīng)力外場(chǎng)使用故障比率相對(duì)比。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，機(jī)械電子產(chǎn)品故障發(fā)生的誘發(fā)環(huán)境因素及其影響，研究了激發(fā)早期故障的應(yīng)力種類;確定了高加速環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)采用的應(yīng)力和量級(jí)、施加方法，從而選取最合適的環(huán)境應(yīng)力篩選方案，嚴(yán)格按照電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選規(guī)范要求，做好全過(guò)程的質(zhì)量控制。

參考文獻(xiàn)

[1]于兆吉，鄭會(huì)明，黃小凱，等.航天器電子設(shè)備溫-濕-振綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與過(guò)程控制方法[J].航天器環(huán)境工程，2015，32（4）：415-418.

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