电子产品的环境应力筛选研究

中国电子科技集团公司第二十研究所 王红征

1.引言

随着工程研制的深人，对电子产品的可靠性要求提高，电子产品的环境应力筛选ESS工作得到了更加地重视，大量、长期的筛选实践证明，ESS是提高电子产品使用可靠性的有效措施。目前环境应力筛选的依据是90年代实施的《GJB 1032电子产品环境应力筛选方法》，但其适用范围宽，而且随着现代技术的不断进步，该标准中规定的筛选条件已不能适应现代产品生产的需要。因此，在工程研制中，需要对GJB 1032进行适当裁剪与改进，应当依据产品本身的特点来确定应力筛选条件，以提高ESS的效能比。

2.环境应力筛选及其应用中需注意的问题

在电子产品的研制和生产过程中，会因种种原因而引入各种缺陷。ESS的目的就是选择最能激发其潜在缺陷的环境和应力，使潜在缺陷加速发展成为故障，从而发现和排除由于不良元器件、制造工艺和其它原因引入的缺陷造成的早期失效[1]。设计筛选方法时，一般考虑同时使用温度循环和随机振动，并将它们组合起来[2]。在ESS实施过程中必须注意以下几个问题：

(1)环境应力筛选不是一种试验，而是一道工序，没有通过/不通过准则。

(2)环境应力筛选不是费时费力，浪费资源的行为。

(3)环境应力筛选是一种无损检验，其应力通常不超过产品能承受的极限。

(4)随机振动时产品最好与振动台保持刚性连接。

(5)温度循环时尽可能地去掉产品外壳。

(6)高组装等级的筛选不能代替低组装等级的筛选。

3.提高环境应力筛选的有效性

3.1 温度循环

温度循环的参数为：上限温度值、下限温度值、温度变化速率、上下限温度保持时间和温度循环次数。由GJB/Z34提供的温度循环筛选度的公式[3](1)可以看出，影响温度循环筛选效果的参数主要是温度范围、温度变化率以及循环次数。

式中：

R—温度循环中的温度变化范围(℃)；

—温度变化速率(℃/min)；

N—循环次数；

e—自然对数的底数。

3.1.1 温度范围

温度范围的确定要根据产品的设计极限工作温度、产品的储存极限温度以及在筛选过程中是否通电等情况综合考虑。但是应尽可能增加温度变化的幅度，以提高筛选的效率。

因此，为了进一步提高电子产品环境应力筛选的有效性，筛选方法可以同时使用产品的存储温度和工作温度，增加温度变化的范围。例如某车载电子产品的存储温度为-40～+60℃，工作温度为-10～+40℃，其温度循环的条件为在-40/+60℃时储存不通电，在-10/+40℃时通电工作，温变率为5℃/min，温度循环次数为10次(最后三个循环连续无故障)。事实证明该方法能有效地剔除早期故障，提高产品的使用可靠性。

3.1.2 温度变化率

一般来说，温变率越高，筛选效果越好。在温度循环中，升降温速率的快慢直接影响到热应力的强度。根据GJB1032中对于温变率的要求是“不低于5℃/min”。工程应用中对很多产品的筛选条件设置都为5℃/min，但是由于受筛产品本身的热惯性，试验箱中受试产品的实际温变率小于5℃/min，而且产品越复杂，其实际温变率就越低。如果受试产品采用密闭机箱，其内部温变率将更低，将严重影响筛选的有效性。假设将某简单电子产品A和复杂电子产品B放在筛选箱内，按温度范围为-55～+70℃，温度变化率为5℃/min的条件进行温度循环。由于产品A的热惯性较小，产品A能很快响应试验箱内的温度变化，设其全程平均的升降温速率均为4.0℃/min，而产品B平均的升降温速率为1.5℃/min。按温度循环筛选度公式，假设都进行10个温度循环，可计算出产品A和B的筛选度分别为：0.8817和0.602。

因此实际应用中应根据产品本身的热惯性和试验设备的能力等确定温度变化率。现在很多电子产品的环境应力筛选温度变化率都有所提高，尤其是机载电子产品。提高温变率除了提高筛选效能之外，还可以缩短温度循环时间节约能源。因此，建议结构简单，易达到热平衡的产品，升降温速率可以取得稍微小些；对复杂产品，壳体密封性又较好的产品，升降温速率要取得稍微大些，但是不能对电子产品造成疲劳破坏。

3.1.3 温度循环次数

根据GJB 1032，电子产品缺陷剔除阶段的温度循环为10次或12次；无故障检验阶段的温度循环为10-20次或12-24次。GJB 1032中规定的温度循环次数已不能完全适用于所有产品，实际产品中通常采取将故障剔除阶段和无故障循环阶段简化。例如某地面设备的温度循环就选择了GJB 1032中的简化方案，在最大120h的范围内，要求有至少40h的连续无故障工作时间，其温度范围为-40～+55℃，温度变化率为10℃/min，该方案的筛选度为0.9866，能达到暴露产品早期缺陷的目的。

表1所示列出了一些不同温度循环条件下对应的筛选度。

表1 不同条件下的温度循环筛选度

由此可以看出在选择合理的温变率、温度上下限的情况下，可以根据筛选度来确定温度循环次数，既可以有效剔除潜在缺陷，减少早期故障，又可以节约资源。

目前还有很多产品的筛选应力由传统的单项应力顺序施加发展为综合应力，即同时施加温度循环和振动应力，缩短了筛选时间，提高了筛选效率。例如某机载电子产品在采用综合应力的条件下做连续5个无故障循环，温变率为10℃/min左右，大大提高了筛选的效费比。

3.2 随机振动

由随机振动剔除早期缺陷的机理可知，随机振动对产品的损伤是疲劳累积效应，达到一定程度后即可形成疲劳破坏，因此不能随意增加振动时间。为了最大限度减少随机振动对产品寿命的影响，GJB1032规定随机振动在0.04g2/Hz功率谱密度值作用下，不得超过20min。通过筛选实践分析认为20min是对单个轴向、单个组装等级来说的。

振动轴向的选择取决于产品的物理结构特点、内部部件布局以及产品对不同轴向振动的灵敏度。GJB1032规定随机振动方向一般选择一个轴向施振，即可以有效完成筛选[4]。在实际操作中，通常选择垂直轴向进行振动。由于实际产品中的印制板不仅呈一个方向排列，对于不同布置的印制板而言，在单个方向的振动中，其承受的振动应力有很大的区别。所以，为了提高筛选的有效性，应根据产品的特点选择振动的轴向，必要时可以进行两个方向或三个方向的振动。例如某弹载产品的振动选择3个轴向，振动时间5min/轴向，温度循环前一个敏感轴向，温度循环后其它两个轴向施加。

3.3 环境应力筛选中的电应力

筛选中是否通电和进行性能检测要视具体情况来确定。从提高筛选效果出发，筛选中应尽量地通电并进行性能检测。在温度循环中，降温及低温保持阶段应断电，因为通电使产品发热，会影响产品温度变化速率；另一方面，低温结束前进行通电检测时可以考核产品的低温启动能力。随机振动中，通电筛选最合适的组装等级是单元级，因为此时已积累了足够数量的缺陷，可使整个单元激发起适当的振动响应。所以在可以通电的情况下，要尽量进行通电筛选，以更好的鉴别和剔除产品的早期故障。

4.结束语

环境应力筛选对于提高产品的使用可靠性，减少现场故障率有非常重要的作用。为了保证产品能有更高的可靠性，需要加强对ESS的理解，同时对筛选条件进行分析和改进，只有这样才能实现ESS的目标。

[1]何国伟,戴慈庄.可靠性试验技术[M].北京:国防工业出版社,1995.

[2]祝耀昌.环境应力筛选译文集(第四集)[C].航空工业总公司第三零一研究所,1996.

[3]GJB/Z34《电了产品定量环境应力筛选指南》[M].北京:国防科学技术工业委员会,1993.

[4]国防科学技术委员会.GJB 1032-90电子产品环境应力筛选方法[S].1991.