电子产品环境应力筛选温度稳定性测试研究

林琳，晏效锋，张熙川

（中航工业自动控制研究所检测试验中心，西安 710065）

在产品的整个寿命周期内，环境因素引起产品的故障占总故障数的50%左右。在各种环境因素引起的故障中，温度、振动和湿度环境因素引起的故障分别为40%，27%和19%，温度是引起产品故障数量最多的环境因素。

在温度试验的实施过程中，对机载电子产品温度稳定相关要求的理解不够，主要表现在：

1）在实际操作中很少对产品达到温度稳定时间进行直接测量或计算；

2）将产品温度稳定与试验设备内部达到温度稳定两者概念混淆；

3）忽略温度稳定的要求，在试验中产品的温度稳定时间为零。

温度稳定时间是确定温度试验必不可少的条件之一，对保证试验再现性也很重要。

1 温度稳定的要求

GJB 150A在通用要求第3.5条对产品温度稳定的要求为：除另有规定外，当试件中具有最大温度滞后效应的功能部件的温度变化率不超过2 ℃/h 时，则认为试验样品达到了工作时的温度稳定；当试件中具有最大温度滞后效应的功能部件的温度达到试验温度时，则认为试件达到了不工作时的温度稳定。一般不考虑结构件或无源件的温度稳定[1]。

GJB 1032 在附录B 中对产品温度稳定的要求为：产品按高、低温设定值进行温度循环，当安装在产品上的2/3的热电偶温度在设定温度的±10 ℃范围之内，则认为产品达到了温度稳定，该时间点和试验设备达到设定温度点的时间之差即为高、低温温度稳定时间[2]。

HB 6167在总则第3.1条对产品温度稳定的要求为：当设备内部最大质量处的温度达到规定温度的±3 ℃范围以内时，认为其达到了设备不工作状态的度稳定；当设备内部最大质量处的温度每小时变化不超过2 ℃时，认为其达到了工作状态的温度稳定。无法测量其内部最大质量处温度的设备，可以认为其不工作状态达到温度稳定的最短时间为3 h，其工作状态达到温度稳定的最短时间为2 h[3]。

GJB 150A 对产品达到温度稳定的要求最严格，在军民机的环境试验标准中，笔者分析由于GJB 150A针对的是军用设备，因此在要求标准上要略高于适用于民用机载设备的HB 6167 中的规定；HB 6167的优点是针对无法测量的设备（或产品）给出了一个最短时间，使标准的操作性更强。另外，比较明显的差异是环境试验标准和环境应力筛选标准（GJB 1032）之间的差异，由于环境应力筛选提供的是不损坏产品前提下，能激发产品故障（或缺陷）的加速应力环境，而且筛选对产品的考核重点在升降温速率和循环次数，对产品的温度稳定要求相对较低，因此对产品达到温度稳定的要求也较低。

2 温度稳定测试方法

不同产品在同一温度下达到温度稳定的时间不同，温度稳定所需时间还与试验箱的能力和试验温度有关，因此不可能提供一个统一的温度稳定时间，而需要通过一定的方法来确定。根据有关资料，典型的确定方法有直接测量法、重量法、时间常数法等。其中首推直接测量法。

2.1 直接测量法

从GJB 150 对温度稳定的定义来看，就是用直接测量法来确定试验样品温度稳定的时间，即在样品热容量最大的部位安装温度传感器。试验过程中监测该处的温度值，当其符合温度稳定的定义时，则认为样品达到了温度稳定。

2.2 重量法

重量法是按受试产品的重量来决定高低温的保持时间，仅适合于结构简单、材料单一的产品。如HB 6-71-76《飞机电机电器环境试验方法》的总则中提出试验样品重量与温度稳定时间对照表（见表1）。对于大部分产品来说，由于结构复杂、零部件材料各不相同，且内部还有微气候存在，认为保温时间与重量成比例是不合理的，对一些试验样品用直接测量法找出的温度稳定时间与重量法计算的时间差别很大。因此，国内外一些先进的标准都不采用这一方法。

表1 试验样品重量与温度稳定时间对照表Table 1 Equipment weight and temperature stabilization time comparison table

2.3 时间常数法

时间常数法是国际电工委员会（IEC）采用的方法，即在试验前直接用热电偶或其它传感器测量试验样品热容量最大部位的温度。当此温度升到试验温度的0.632 倍时停止测量。将这段升温所需时间作为该试验样品的热时间常数，并把该常数的4 倍作为温度稳定时间。该方法要对试验样品进行实测，因此在许多情况下，不如在试验过程中直接测量样品温度简便、准确。

3 温度稳定测试方法研究

由于直接测试更简便和准确，因此在某型机载电子产品的环境应力筛选试验中，确定其温度稳定时间使用了温度传感器安装在产品上直接测量的方式，但通过非接触测量的方式来帮助确定产品传感器的安装点。

3.1 产品非接触测试

通过红外热成像仪或红外辐射仪及其软硬件组成的非接触温度测量系统进行非接触测试。在不与被测产品表面接触的情况下，来获得常温环境下产品内部的热分布情况（如图1所示）。从而获得产品热点以及产品自身的关键点及典型位置。

图1 某型产品印制板温场分布Fig.1 Temperature field distribution of a PCB

3.2 产品直接测试

在产品上直接安装温度传感器测试的方式被称为接触式测试，其测量系统有热电偶数据采集单元、接口和软件等组成（如图2所示）。根据非接触测试获得的产品热点以及产品自身的关键点及典型位置作为热电偶的安装点，试验箱内共安装热电偶10支，其中9 支热电偶直接安装在产品表面及内部，1支用于测试试验箱内部空间温度。

某型机载电子产品测试的条件为：高温工作温度为70 ℃，低温工作温度为-55 ℃，升降速率为10 ℃/min，测试共计3 个循环。由温度传感器获得的各通道测试曲线如图2所示。

图2 各通道热电偶测试曲线Fig. 2 Test curves of temperature stabilization time in every channel thermocouple

根据GJB 1032附录要求，在产品上2/3的热电偶的温度在设定温度的±10 ℃之内时，认为产品达到了该温度点的温度稳定。因此根据由热电偶测得的温度曲线，得到每个循环测得的温度稳定时间见表2。该型产品温度稳定时间取平均值分别为67 min（达到-55 ℃的温度稳定）和37 min（达到70 ℃的温度稳定）。

表2 某型机载电子设备温度稳定时间测试结果Table 2 Measurement result of equipment temperature stabilization time

3.3 测试方法总结

温度稳定的测试方法可以通过非接触测试来确定产品的热点，这可以作为确定热电偶安装点的参考条件；在产品上确定热电偶安装点时，也要密切关注产品的关键器件和关键点，保证关键器件必须达到温度稳定；在产品上安装热电偶应尽可能多，这样试验结果较为准确；温度稳定时间的确定至少应保证2次测试，从而验证测试的准确性，避免只进行一次测试带来较大的误差。

4 结语

关于温度稳定的测试中所用的方法、手段可推广用于GJB 150A 和HB 6167，可以使产品依据自身特点开展试验，而并非在产品大小各异、结构不同的情况下，千篇一律的使用同一中温度稳定时间。

同时在GJB 4239的工作项目403环境响应调查中部分内容（如温度分布、热点）也可以采用，也推荐在温度响应调查之前，产品的环境适应性设计在工程样机制造后，通过接触式和非接触式的温度测试获得的数据来进行改进、迭代设计，从而将产品的环境适应性在研制阶段就通过设计纳入产品中，使机载电子设备的环境适应性不断提高。

[1]GJB 150A-2009，军用设备实验室环境试验方法[S].

[2]GJB 1032-1990，机载电子产品环境应力筛选方法[S].

[3]HB 6167-1989，民用飞机机载设备环境条件和试验方法[S].