环境应力筛选试验故障排除方案探讨

刘银玲

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

0 引言

随着现代电子技术的发展，电子产品在各领域中的应用日益广泛，已广泛地应用于军事领域及民用市场，而在使用中出现的质量与可靠性问题也日益增多，给电子装备的产品维修造成了巨大的经济损失，并且直接影响了整机系统的可靠性。为了提高电子产品在使用阶段的质量与可靠性和减少维修费用，根据电子产品失效机理，在研制、生产阶段，对电子产品施加一定的环境应力进行筛选，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，以鉴别和剔除产品工艺和元器件引起的早期失效。在环境应力筛选过程中，电子产品难免会出现故障，出现故障后，必然要采取措施进行排除；否则，如果对故障不予排除，那么，不仅会使产品存在故障隐患，而且也失去了环境应力筛选的意义。因此，如何排除故障是值得我们探讨的问题。在排故过程中，故障排除方案的制订也至关重要，因为欠应力则故障定位不准确，过应力则势必会影响电子产品的寿命。现结合工程实际，针对环境应力筛选试验中出现的故障，从应力筛选试验项目的选取及其条件进行分析，阐述如何制订应力筛选故障排除方案，并通过示例进行说明，与大家一起学习、交流。

1 环境应力筛选项目的确定

1.1 选取高效的筛选项目

美国曾对40多家企业进行调查统计，在各种常用的筛选应力中，按其筛选效率加以比较，依次为温度循环、随机振动、高温、电性应力、热冲击、定频正弦振动、低温、正弦扫描振动、复合环境、机械冲击、湿度、加速度及高度等。根据工程数据显示，其中 “温度循环”和 “随机振动”的效率最佳，是近年来国际上发展很快的一种高可靠度电子产品的筛选技术，可以暴露90%以上的工艺缺陷和元器件缺陷，特别是随机振动筛选对整机来说极为重要。某些资料报道，通过随机振动筛选，可使整机失效率约降低2/3。因此，根据费效比，电子产品一般选择 “温度循环”和 “随机振动”作为环境应力筛选项目。

1.2 筛选条件

a）温度循环的条件

根据GJB 1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》[1]中的规定，温度循环数及温度试验时间为：在缺陷剔除试验中，温度循环次数为10次或12次，相应的试验时间为40 h；在无故障检测试验中，则为10～20次，或12～24次，相应的试验时间为40～80 h。在实际确定的温度循环方案中，一般需要根据选取的筛选产品，如印制电路板组件、单元级组件、整机，进行综合考虑，以确定温度范围、温度循环次数和温度试验时间。

b）随机振动的条件

根据GJB 1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》中的规定，随机振动的条件为，功率谱密度：0.04 g2/Hz；频率范围：20～2000 Hz；振动持续时间： （5+15） min；通/断：通电监测。其中，振动持续时间 （5+15） min的意义为：前5 min为剔除故障时间；后15 min为无故障检测时间，并且应有连续5 min无故障。

2 故障排除方案的确定

在开始环境应力筛选试验之前，就应当制订出一个详细的故障寻找方案。该方案可以是正文中试验步骤的一部分或补充，它应与产品性能监测工作相协调，并尽可能地充分利用机内检测和性能监测得到的全部数据，包括趋向性数据，以此来判断和发现故障所在。

2.1 故障产品的选取

在进行电子产品应力筛选时，对器件的失效或工艺的缺陷一般都容易查出，但有时有些故障的产生会影响被监测产品的性能，致使故障确诊困难。此时可考虑对产品故障进行层层分解，直到在较低的装配级别 （如模块或组件上），施加一定的环境应力进行故障寻找。

2.2 性能监测的要求

施加环境应力期间，应尽可能多地监测产品性能参数，一旦某一故障出现而且将影响其它功能监测时，则应停止试验，开始故障寻找。

2.3 温度应力的要求

对于温度循环，如果故障是周期出现的，则应记录故障产生的时刻及相应的电应力和温度应力状况，接着开始进行故障寻找。

a）若已知首次出现故障的时刻，则应在该时刻的相应环境应力量级下查找故障所在。

b）如果不知道故障出现的确切时刻或上述寻找无结果，则可能需要进行一次或一次以上的温度循环以便查找出故障所在。因为根据温度循环方案，温度循环的次数有许多次，并且有余量，故所增加的温度循环一般不会影响产品的使用寿命。

2.4 振动应力的要求

从随机振动条件中得知，振动持续时间为（5+15）min（功率谱密度为0.04 g2/Hz），其中，15 min振动试验用于故障排除的试验时间只有10 min。因此，随机振动对产品承受随机振动的能力有限制，与温度循环不同，不能随意地增加振动时间。

为了最大限度地减少为故障寻找而必须进行的随机振动对产品寿命的影响，规定筛选及故障寻找施加振动总时间，在0.04 g2/Hz功率谱密度值的作用下，不得超过20 min，其中故障寻找试验应在尽可能低的振级上进行，以使等效时间减至最小。等效时间TD的计算公式为：

式 （1）中：TD——在其它应力水平 （功率谱密度W）下的等效振动时间 （min）；

W——实际施加的应力水平 （功率谱密度值）。

数值计算结果参见GJB 1032-1990，如表1所示。

表1 振动量级与时间的等效关系

3 示例

从以上的阐述可知，寻找故障时施加的环境应力的难点是振动条件的选取。这是因为，如果施加的振动条件的选取较大，则有可能对产品产生过应力的伤害；如果施加的振动条件的选取较小，则有可能因欠应力而不能暴露产品的缺陷，达不到分析的效果。有鉴于此，下面以一个示例对寻找故障时施加的振动条件的选取进行探讨。

一般地，进行印制板组件、单元 （分机、整件）级或设备级筛选时，随机振动应力条件为：功率谱密度取0.04 g2/Hz，总振动时间不超过20 min。其中，前5 min（0.04 g2/Hz）为缺陷剔除试验时间，在后面的15 min试验时间内，无故障检验中，不允许出现故障的检测时间为5 min（0.04 g2/Hz），这样，只允许余10 min（0.04 g2/Hz）来发现和查找故障。

根据以上试验情况，制订一个故障寻找方案，其示例如表2所示。

表2 故障寻找方案示例

4 结束语

环境应力筛选故障寻找方案是环境应力筛选的重要内容之一。筛选的目的就是剔除或发现早期失效的产品。对于出现的故障如果不加以排查，或将其整个报废，存在的缺陷隐患仍然存在，也就失去了筛选的意义。因此，制订筛选故障寻找方案既有必要，又要合理，才能到达事半功倍的效果。不妥之处，敬请批评指正。

[1]GJB 1032-1990，电子产品环境应力筛选方法 [S].