通過優(yōu)化環(huán)境應(yīng)力篩選提高電子產(chǎn)品可靠性

王道震，徐建生，汪瀾，劉紅波，張憲坤

（1.天津七一二通信廣播股份有限公司，天津 300462； 2.駐天津地區(qū)第一軍事代表室，天津 300202）

引言

目前環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）是出廠前的最后一步工序，而且每個產(chǎn)品都需要進(jìn)行ESS。 科學(xué)合理的環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）能夠提高產(chǎn)品的可靠性，減少外場返修率。

在GJB 1032中缺乏對組件級篩選的詳細(xì)介紹。各項(xiàng)目組針對其自身組件和整機(jī)產(chǎn)品開展環(huán)篩時，僅憑經(jīng)驗(yàn)或直接套用標(biāo)準(zhǔn)來確定應(yīng)力量值和循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，僅解決了“有無”的問題，缺少對篩選標(biāo)準(zhǔn)的深入理解及探索，未充分達(dá)到激發(fā)早期故障的目的。

環(huán)境應(yīng)力篩選在工程研制階段應(yīng)該盡早剔除有缺陷的器件和焊點(diǎn)，提高固有可靠性。在設(shè)計定型階段，應(yīng)能順利通過可靠性鑒定/試驗(yàn)，確保節(jié)點(diǎn)，節(jié)省經(jīng)費(fèi)。在使用階段，提高使用可靠性，降低返修率和全壽命周期成本。

本文旨在尋找一種低成本且高效的篩選方案，思路是把環(huán)境應(yīng)力篩選工作重心前移，把故障盡早發(fā)現(xiàn)盡早處理，具體方法是適當(dāng)增加組件級的溫度沖擊次數(shù)。

1 組件級溫度沖擊的探索

以往我單位的組件級溫度沖擊次數(shù)為3次，下面我們進(jìn)行了溫度沖擊次數(shù)的篩選度計算。

1.1 溫度穩(wěn)定時間的確定

參照GJB 360B-2009《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》上極限溫度下的試驗(yàn)室時間如表1。

表1 溫度穩(wěn)定時間

我公司絕大多數(shù)的電路板單板的重量在0.1～0.3 kg之間，為穩(wěn)妥起見，我們將溫度穩(wěn)定時間定為1 h（含快速溫變時間）。

1.2 溫度上下限的確定

考慮到外場環(huán)境工作的溫度為（-55～70）℃，試驗(yàn)室環(huán)境必須要覆蓋高低溫的極限溫度。參照GJB 360B確定溫度沖擊中試驗(yàn)條件A 確定溫度上下限（-55～85）℃。

表2是GJB 150.4A中關(guān)于低溫的統(tǒng)計，-55 ℃能覆蓋全部的中國的低溫極值，在世界范圍的低溫極值也能覆蓋在94 %以上。

表2 低溫極值出現(xiàn)概率

1.3 溫度沖擊次數(shù)的確定

參照GJB/Z 34-1993《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》中溫度循環(huán)的篩選度公式。計算一定溫度范圍、一定溫變率，一定循環(huán)次數(shù)下的篩選度：

式中：

SS—篩選度；

R—溫度變化范圍；

e—自然對數(shù)的底；

V—溫度變化率（℃/min）；

N—溫度沖擊次數(shù)。

GJB/Z 34中規(guī)定的溫度沖擊的試驗(yàn)條件A循環(huán)次數(shù)為5次，試驗(yàn)條件A-1循環(huán)次數(shù)為25。為了細(xì)化方案，選擇間隔5個循環(huán)來計算溫度沖擊的篩選度。選取溫度沖擊次數(shù)分別為3，5，10，15，20，25時，各篩選度如表3所示。

圖1 組件級溫度沖擊剖面（5 min之內(nèi)完成轉(zhuǎn)換）

1.4 溫度沖擊的試驗(yàn)設(shè)計

從表3中可知，140 ℃的溫差范圍，28 ℃/min的溫變率，10個循環(huán)的篩選度為0.999 998，也就是漏篩的概率為百萬分之二，15個循環(huán)的漏篩的概率小于十億分之二。考慮到客觀實(shí)際，電路板的個數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個龐大的數(shù)值，設(shè)計試驗(yàn)方案時，同時從經(jīng)濟(jì)上考慮，我們將15個循環(huán)作為循環(huán)次數(shù)的上限（篩選流程圖如圖2）。

圖2 采用兩箱法進(jìn)行組件級篩選的流程圖

表3 不同循環(huán)次數(shù)下的溫度沖擊篩選度

1.5 溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)論

10個循環(huán)后5類電路板中出現(xiàn)故障的種類有4類，電路板種類上故障比例為80 %，55塊電路板中，17塊出現(xiàn)故障，電路板數(shù)量的故障比例為31 %（如圖3），說明10個溫度循環(huán)的篩選還是有很顯著效果的。

圖3 組件級故障統(tǒng)計餅圖

所有電路板（共5類，55塊）在增加5個循環(huán)后的常溫測試及高低溫測試中沒有新增故障。

我公司產(chǎn)品中存在的缺陷主要是由于裝配連接或緊固操作不當(dāng)或工藝方法不當(dāng)造成的，常見的缺陷是虛焊、松脫、短路、開路等。環(huán)境應(yīng)力篩選能夠及時激發(fā)此類故障。

由表4 可知，通過試驗(yàn)證明，在經(jīng)歷了15個循環(huán)的溫度沖擊與10個循環(huán)的溫度沖擊后對比，故障沒有增加。說明10個循環(huán)對應(yīng)的篩選度理論值0.999 998在試驗(yàn)中已經(jīng)證明是足夠的，考慮到時間上的經(jīng)濟(jì)性，沒有必要再增加循環(huán)次數(shù)。

表4 組件級溫度沖擊故障統(tǒng)計

2 單板溫度沖擊的實(shí)施流程圖

1）按大綱規(guī)定的溫度條件進(jìn)行10個循環(huán)的篩選。

2）恢復(fù)常溫后，對產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)試并進(jìn)行檢測，若無故障，則認(rèn)為產(chǎn)品通過溫度循環(huán)篩選，篩選結(jié)束。

3）若產(chǎn)品故障，則對產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)，排除故障后按大綱規(guī)定的溫度條件繼續(xù)進(jìn)行5個循環(huán)的篩選。若無故障，則篩選全部結(jié)束；若產(chǎn)品故障，則繼續(xù)排故，直至產(chǎn)品能經(jīng)受5個溫度循環(huán)后無故障發(fā)生，篩選結(jié)束。

4）原則上累計不超過20個溫度循環(huán)，若20個溫度循環(huán)完畢后檢查產(chǎn)品仍有故障，則認(rèn)為產(chǎn)品未通過溫度循環(huán)篩選，建議進(jìn)重新行設(shè)計或改進(jìn)工藝或?qū)收闲酒M(jìn)行DPA分析。

5）因故中斷后恢復(fù)試驗(yàn)時，須扣除中斷所在循環(huán)內(nèi)的中斷前試驗(yàn)時間。

組件級溫度篩選流程見圖4。

圖4 組件級（印制板）溫度篩選流程圖

3 整機(jī)環(huán)境應(yīng)力篩選

組件級環(huán)篩只進(jìn)行溫度沖擊，不進(jìn)行電應(yīng)力和振動應(yīng)力的施加。所以整機(jī)級環(huán)篩側(cè)重于電應(yīng)力、振動應(yīng)力、溫度應(yīng)力的綜合。

圖5中設(shè)計了整機(jī)環(huán)境應(yīng)力篩選的剖面，對GJB 1032-1990進(jìn)行了優(yōu)化,加上了電壓拉偏和在低溫啟動和高溫啟動階段的三次重啟上電。電壓和三次重啟的設(shè)置借鑒了可靠性鑒定試驗(yàn)的做法，這樣可以方便后續(xù)一次性通過可靠性試驗(yàn)。整機(jī)級環(huán)境應(yīng)力篩選故障統(tǒng)計見表5。

圖5 整機(jī)級環(huán)境應(yīng)力篩選剖面

表5 整機(jī)級環(huán)境應(yīng)力篩選故障統(tǒng)計

4 結(jié)論

環(huán)境應(yīng)力篩選是可靠性鑒定試驗(yàn)的預(yù)處理。我單位部分整機(jī)已經(jīng)按照此次試驗(yàn)方案進(jìn)行完環(huán)境應(yīng)力篩選并激發(fā)出產(chǎn)品缺陷。后續(xù)進(jìn)行的可靠性鑒定試驗(yàn)，均能夠一次性順利通過，并不再出現(xiàn)環(huán)篩過程中已出現(xiàn)的故障，最終驗(yàn)證了我們環(huán)篩方案的有效性。