應(yīng)力篩選技術(shù)在艦載計算機(jī)上的應(yīng)用?

萬 岳

（中國船舶重工集團(tuán)公司第724研究所 南京 211100）

1 引言

在20世紀(jì)60年代，美國為了研制載人宇宙飛船，并確保其成功，對電子產(chǎn)品提出了接近于1的可靠度要求。首先采用了“快速溫度循環(huán)加隨機(jī)振動”的方法對電子產(chǎn)品進(jìn)行篩選，從而保證了“阿波羅”登月的成功。實(shí)踐證明了它是一種十分有效的方法；但由于它施加的應(yīng)力等級和試驗(yàn)方法是一種脫離環(huán)境技術(shù)條件的地面強(qiáng)化試驗(yàn)，引起了爭議。人們懷疑是否會在采用強(qiáng)化方法激發(fā)缺陷和隱患的同時把好的元器件也損壞了，或者“吃掉”一部分產(chǎn)品的壽命。由于對這種應(yīng)力篩選的作用和機(jī)理及試驗(yàn)準(zhǔn)則缺乏了解和全面的數(shù)據(jù)積累和分析，一時無法推廣。其后，美國格魯曼公司針對人們的各種懷疑和猜測作了大量試驗(yàn)與研究，統(tǒng)計了各種應(yīng)力因素對激發(fā)故障的有效性，并且在產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)、篩選試驗(yàn)和采用隨機(jī)振動與快速溫度循環(huán)方法排除故障等方面取得大量數(shù)據(jù)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，1975年發(fā)表了研究報告，參考文獻(xiàn)［3］。

美國海軍在此期間重點(diǎn)抓了可靠性設(shè)計問題，在確認(rèn)可靠性設(shè)計問題基本解決之后，發(fā)現(xiàn)元器件和制造工藝技術(shù)造成的隱患是不可避免的，而且成為當(dāng)前影響電子產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵問題。洛克希德告訴也審查了原來的試驗(yàn)方法，采用隨機(jī)振動和快速溫度循環(huán)，使電子產(chǎn)品可靠性得到大幅度的提高。海軍經(jīng)過分析進(jìn)而認(rèn)為，隨著電子產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高，裝機(jī)密度越來越高，因此隱患和失效是難以避免的。為尋求一種早期暴露隱患和缺陷的方法，應(yīng)力篩選技術(shù)受到重視，1979年頒布了NAVMAT-P-9492“海軍電子產(chǎn)品生產(chǎn)篩選大綱”，強(qiáng)制地在有關(guān)廠商中推行。按該大綱篩選后的電子產(chǎn)品裝艦，使用中無出現(xiàn)故障，大大提高了產(chǎn)品的可靠性，也證實(shí)了應(yīng)力篩選的有效性，引起美國國防部的重視，繼而引起全國反響。1982年由美國環(huán)境科學(xué)學(xué)會頒布了“電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南”［1］，在環(huán)境應(yīng)力篩選年會上被公認(rèn)為是提高可靠性的“絕招”。這種有效的方法已在美國和其它國家得到使用，并為此制造了各種環(huán)境-可靠性綜合試驗(yàn)箱，該項技術(shù)在我國已逐步推廣，它必將使我國電子產(chǎn)品的可靠性有大幅度的提高。

2 應(yīng)力篩選的基本思想

應(yīng)力篩選的思想［1］是選擇有效的環(huán)境因素，用較高的應(yīng)力等級施加于產(chǎn)品（單元板或整機(jī)）進(jìn)行試驗(yàn)，盡可能地激發(fā)它的故障和隱患使其提早暴露，采取糾正措施或更換元器件，但又不使產(chǎn)品的壽命受到影響，從而減少現(xiàn)場故障，提高產(chǎn)品的可靠性。有人認(rèn)為剛剛研制組裝完成的電子產(chǎn)品其可靠性只有設(shè)計值10%左右，那么產(chǎn)品就存在90%的故障發(fā)生概率，它代表了產(chǎn)品固有隱患故障數(shù)的作用。工藝不變，并忽略其他因素的影響，那么對可靠性而言，現(xiàn)場故障數(shù)FA與固有隱患數(shù)FC及篩選掉的隱患數(shù)Fs之間有如下關(guān)系：FA=FC-Fs。

因此要提高現(xiàn)場可靠性就必須盡可能多地篩選掉隱患。應(yīng)力篩選就是基于這種原理而產(chǎn)生的。

3 應(yīng)力篩選的作用原理

熱循環(huán)之所以有較高的激發(fā)故障作用是它具有較高的熱應(yīng)力和熱疲勞的交互作用同試時作用于電子產(chǎn)品之上，所施加的應(yīng)力也不局限于現(xiàn)場應(yīng)力數(shù)據(jù)和產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的界限值，而是以其能最大限度地激發(fā)隱患為篩前提的，所以在考慮熱循環(huán)時其溫度范圍寬，由115℃至180℃；其變溫速率大，由5℃/min至20℃/min。由于電子產(chǎn)品是由多種復(fù)合材料所組成，如元器件芯片，內(nèi)引線與外引線，封裝接合部，焊點(diǎn)的導(dǎo)線與焊料，印制線路板的導(dǎo)線與基極，金屬化孔的沉銅層和電鍍層等，都是由不同材料組成的。在熱應(yīng)力的作用下，由于各種材料的熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生一定的機(jī)械應(yīng)力，如果用恒定溫度試驗(yàn)，則到某一時刻這些應(yīng)力會衡定在某個值，只要材料能耐受這些恒定應(yīng)力，或者有隱患的地方在恒定應(yīng)力下尚能承受，則該隱患就不能暴露出來，因此恒定高溫或低溫的作用只能篩選出處于臨界狀態(tài)的隱患。采用快速熱循環(huán)不但拉開了溫度差，而且因溫度反復(fù)交變具有較高速率，致使不同材料在承受雙向變化的熱應(yīng)力的同時使其應(yīng)力差也變大，這樣就在結(jié)合部可產(chǎn)生有效的作用，使隱患能得以暴露，又通過多次循環(huán)產(chǎn)生熱變疲勞應(yīng)力，加速了激發(fā)時效。

隨機(jī)振動試驗(yàn)的效率高于正弦掃描振動試驗(yàn)［5］，更高于定頻振動試驗(yàn)。這是因?yàn)檎覓呙钑r頻率是依次激振的，在一定時間內(nèi)某一共振點(diǎn)上停留的時間很短，定頻振動則有很大可能使共振點(diǎn)得不到激勵，因此不足以激發(fā)共振暴露隱患。而采用隨機(jī)振動時則使每個頻率同時激勵，有充分時間對有缺陷部位引起共振使其暴露，且整個試驗(yàn)持續(xù)時間很長，適當(dāng)?shù)膽?yīng)力強(qiáng)度不會使無缺陷產(chǎn)品受到損害，因此是一種既不苛刻又相當(dāng)徹底的方法。

定頻正弦試驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)故障最大的效率為16%，最小為0%，平均為7%；隨機(jī)振動試驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)故障最大效率為50%，最小為11%，平均為34%。按能量等效準(zhǔn)則折算之結(jié)果，三種振動篩選的效果的比較如表1所示。

表1 三種振動篩選的效果

應(yīng)力篩選的基本指導(dǎo)思想［2］歸結(jié)為對電子硬件施加足夠高的應(yīng)力，使其隱患在出廠之前盡可能多地暴露出來，而所施加的應(yīng)力不必受設(shè)計技術(shù)條件的限制，也不必真實(shí)地模擬現(xiàn)場工作的環(huán)境條件，但不能改變失效機(jī)制。

應(yīng)力篩選并不是元器件篩選所可替代的。雖然全部元器件經(jīng)篩選后能剔除有顯著缺陷元器件，但一些有微缺陷的元器件在元器件篩選時可能通得過，而在裝配中元器件又可能受到機(jī)械應(yīng)力和焊接時熱應(yīng)力的損傷，虛焊、電路板缺陷、裝配和布線、接插件等都可能產(chǎn)生隱患，它只有在單元板篩選或部件以至整機(jī)篩選時才會被暴露出來［10］。

4 應(yīng)力篩選的等級

4.1 溫度循環(huán)

表2 溫度循環(huán)統(tǒng)計表

4.2 電應(yīng)力

單元級在研制周期要求施加電應(yīng)力［4］，定型產(chǎn)品可不施加，部件/系統(tǒng)級要求施加電應(yīng)力。圖1、圖2、圖3分別為系統(tǒng)級和模塊級熱循環(huán)的典型溫度曲線。

圖1 無冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品的通電溫度循環(huán)曲線

圖2 有冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品的通電溫度循環(huán)曲線

圖3 單元級熱循環(huán)典型溫度曲線

4.3 振動應(yīng)力

隨機(jī)振動譜型如圖4所示。

圖4 隨機(jī)振動譜型

5 篩選應(yīng)力的有效性

由于應(yīng)力篩選在產(chǎn)品出廠前最大限度地剔除了故障和隱患［3］，因而使現(xiàn)場使用時故障率大大降低，降低故障的幅度約可達(dá)25%～90%。

對電子設(shè)備來說，較有效的篩選應(yīng)力是熱循環(huán)，可能篩出平均為75%～85%的有缺陷產(chǎn)品，采用振動則可篩出平均15%～25%，而振動采用隨機(jī)較正弦效率高得多（在具體工程實(shí)施中由于硬件構(gòu)成的不同也有一定差異）。溫度循環(huán)和隨機(jī)振動交互作用的次序和篩選的效果無關(guān)，但這兩種應(yīng)力可以為后一個應(yīng)力的作用產(chǎn)生觸發(fā)效果。因此，有些篩選方法采用了隨機(jī)振動-熱循環(huán)-隨機(jī)振動，或熱循環(huán)-隨機(jī)振動-熱循環(huán)的方法［6～7］。這樣可得到更為滿意的效果。表3舉例說明這兩種順序篩選應(yīng)力的相互作用。

表3 篩選故障比

由表2可以看出，隨機(jī)振動能造成隱患被觸發(fā)于臨界狀態(tài)，有利于下次熱循環(huán)中隱患暴露出來；而振動前的熱循環(huán)也可以造成隱患的被觸發(fā)于臨界狀態(tài)，有利于下次振動試驗(yàn)中隱患的暴露［11］。

6 應(yīng)力篩選技術(shù)在艦載計算機(jī)上的應(yīng)用

艦載計算機(jī)是艦船控制的計算機(jī)，它的可靠度高低直接關(guān)系到艦船的狀態(tài)。為了提高它的可靠性，我們采用了應(yīng)力篩選，對每一塊單元板施加一定的熱應(yīng)力和振動應(yīng)力，艦載計算機(jī)的應(yīng)力篩選條件參考文獻(xiàn)［4］，見表3。

表3 艦載計算機(jī)篩選應(yīng)力條件

采用以上的應(yīng)力篩選條件，在振動篩選時激發(fā)出兩次隱患，均是由于元器件在組裝的預(yù)成形過程中外引線在彎折時受到損傷，或是彎曲半徑過小造成的。這種隱患按正常環(huán)境試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)不一定能檢查出來。因此應(yīng)力篩選技術(shù)對早期激發(fā)隱患是有效的。

由于試驗(yàn)設(shè)備的限制采用兩箱法進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，其實(shí)帶有溫度沖擊的作用，比有一定變溫速率的試驗(yàn)要嚴(yán)酷一些，因此我們采用了最低限值的溫度變化范圍。振動試驗(yàn)也是因設(shè)備關(guān)系缺乏隨機(jī)控制系統(tǒng)而采用窄帶掃描隨機(jī)技術(shù)［9］。

試驗(yàn)中調(diào)制的帶寬是按照單元板的構(gòu)成和安裝邊界條件及下式求得的，不同邊界條件和構(gòu)成的單元板的固有頻率可按參考文獻(xiàn)［2，7，12］求取。

7 結(jié)語

應(yīng)力篩選技術(shù)是一種能使產(chǎn)品可靠性大幅度提高的好方法，經(jīng)我們采用此法后的初步統(tǒng)計，從產(chǎn)品調(diào)試到老練期間已將產(chǎn)品故障率降低了87%左右。當(dāng)然，因?yàn)樗且环N新的方法，我們還要繼續(xù)摸索和積累更多的數(shù)據(jù)，使它不斷完善。但從國外普遍應(yīng)用的前景及其發(fā)展的過程證明了其優(yōu)越性。航天工業(yè)部已推廣了此方法，并訂入可靠性保障大綱而取得明顯效果，愿它在電子行業(yè)中能得到普遍推廣［8～9］。我們還希望除隨機(jī)振動控制設(shè)備外，帶有溫度變化速率可控的溫度循環(huán)試驗(yàn)箱也應(yīng)加速研制，以使我國電子產(chǎn)品的可靠性有大幅度的提高。