高加速应力筛选定量评价的应用探讨★

2014-12-10陆家乐李劲刘冬梅王首臻

电子产品可靠性与环境试验 2014年6期

陆家乐，李劲，刘冬梅，王首臻

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东广州 510610；3.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东广州 510610；4.中航工业洪都，江西南昌 330024；5.第二炮兵装备研究院，北京 100085）

0 引言

环境应力筛选是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力，将其内部缺陷加速发展为故障，并加以发现和排除的工艺手段，因此环境应力筛选是质量控制检查和测试过程的延伸。环境应力筛选包括定性筛选和定量筛选，目前我国军工电子产品筛选主要参照GJB 1032-1990[1]“电子产品环境应力筛选方法”实施定性筛选。对于高可靠要求的军工电子产品，应用传统的环境应力筛选方法，将会面临筛选效率低、暴露问题试验时间长和不彻底的问题，最终导致生产周期长，影响生产进度和增加了生产费用。高加速应力筛选（HASS）是一门新兴的筛选技术，通过对产品施加远高于产品正常工作的环境应力，在短时间内快速地激发并消除产品的潜在缺陷，确保产品的可靠性不会因为制造过程而降低，目前已在欧美、日本等发达国家得到广泛的应用。随着我国技术的发展，HASS筛选技术必将成为我国军工生产质量控制的有力补充。

定量环境应力筛选是环境应力筛选的高级阶段，要求在筛选效果、成本和产品的可靠性目标、现场故障修理费用之间建立定量关系的筛选。目前我国定量筛选主要依据GJB/Z 34-1993[2]《电子产品定量环境应力筛选指南》实施，该标准对于应用传统筛选方法的产品具有较好的指导性，但对于采用多种新技术、主要应用综合环境应力进行筛选的HASS并没有涉及，导致工程实践中HASS难以实现筛选并进行定量评价。

本文以某航空电子产品为对象，尝试通过HASS等效转化为传统筛选的方法进行筛选与定量评价，探讨一套基于GJB/Z 34-1993，且易以工程实施的HASS定量评估方法，满足军工电子产品批产可靠性控制发展的需求。研究的总体思路如图1所示。

图1 总体思路

1 HASS应用定量筛选的途径分析

1.1 HASS定量筛选关键参数提炼

GJB/Z 34-1993规定的定量筛选则要根据具体产品的可靠性指标要求、结构和复杂程度，适当地安排筛选组装等级，以及所用的筛选应力，保证筛选后受筛产品中的残留可筛缺陷密度与可靠性要求相一致[3]。所以，对引入缺陷数、筛选应力强度，以及检测仪表的检测能力都要进行定量的控制，并通过筛选中的监测评估结果，对筛选进行定量的调整，最终达到残留缺陷密度的定量目标。

通过对定量筛选评价体系分析，与筛选方法直接相关的条件只有 “筛选应力强度计算”，而在GJB/Z 34-1993中，筛选应力强度只提供了温度循环、恒定高温、随机振动和扫频正弦振动4种筛选应力的筛选强度计算公式，对于以三轴超高斯宽频振动、温度振动综合应力为特征的HASS筛选技术并不适用。

因此，HASS的定量评估方法研究，其实质是对HASS应力筛选强度计算方法的研究。

1.2 HASS定量筛选关键参数确定方法选择

要解决HASS筛选强度计算的问题，可选择两种途径（如图2所示）。

a）方法一：根据HASS的应力特性，建立高加速应力筛选综合应力循环的筛选强度模型，并提出筛选强度计算公式。

b）方法二：研究一套HASS效果等效转化为基于传统应力的筛选的方法，利用标准现行筛选强度计算公式进行筛选强度评估。

图2 HASS筛选强度确定方法

第1种方法需采集大量的实际HASS应用数据，提炼出综合应力筛选强度模型，因此具有通用性。我们以某重点型号为基础调研16家成品单位的定量筛选应用情况，发现均未推广应用，即定量筛选在我国型号中开展得并不普及，可供参考的数据贫乏；另外，由于HASS的实施需采用专用的强化试验设备，制约了HASS的普及，也无相关可参考数据。综上所述，第1种方法在现阶段难以开展应用研究。

第2种方法不需要收集大量产品的HASS应用数据，但必须基于产品个性特点及其HASS剖面，且要求其HASS应力具有转化为传统筛选应力的可行性。该方法只适合已有完善的HASS方案的产品，转化结果不具有通用性，但其他产品的HASS筛选评估可借鉴该方法。通过对HASS与传统筛选应力特征比较（如表1所示），我们认为与第一种方法相比，通过HASS与传统筛选应力等效转化确定HASS的筛选强度的方法更可行。

表1 高加速应力筛选与传统筛选的差异

1.3 HASS定量筛选关键参数确定方法的思路

HASS主要利用机械应力和热应力使产品缺陷处迅速产生疲劳损伤，从而达到快速地激发缺陷的目的。HASS剖面一般由快速温度循环和六轴向随机振动组成，两种筛选应力综合地施加。传统的环境应力筛选采用组合施加应力的方式，并不考虑各种筛选应力综合使用的耦合效应，因此定量筛选标准GJB/Z 34-1993只提供了温度循环、恒定高温、随机振动和扫频正弦振动4种筛选应力的筛选强度计算公式，分别计算各筛选应力的筛选强度。

我们研究HASS筛选强度计算的思路如图3所示。

图3 HASS筛选强度计算的思路

HASS的筛选应力为快速温度循环和六轴向随机振动的综合应力，其筛选强度SS（HASS）由温度循环的筛选强度 SS（HASS温循）和振动的筛选强度SS（HASS振动）组成，同时由于两种应力为综合地施加，其耦合效应会使单应力的激发效果增强，故存在 “a”和 “b”的加速系数。若能找到基于传统筛选设备的HASS等效转化方法，将HASS分解为基于传统设备的温度循环和随机振动两种组合应力（其筛选强度分别为 SS（传统温循）和 SS（传统振动）），通过定性的筛选效果等效评价方法证明两种筛选方式效果相当，即两种方法的筛选强度相等SS（HASS）=SS（转化），按 GJB/Z 34-1993中温度循环（公式 1）和随机振动（公式2）的筛选强度计算公式，可计算出HASS的等效筛选强度。

式（1）中：SS——筛选强度；

R——温度变化范围R=（Tu-TL）（℃）；

v——温度变化率（℃/min）；

N——循环次数

式（2）中：SS——筛选强度；

Grms——实测的振动加速度均方根值（g）；

t——振动时间（min）

由此可见，解决了以下两个关键问题，即可实现产品的HASS筛选强度的计算。

1）定性的筛选效果等效评价方法；

2）基于传统筛选设备的HASS等效转化方法。

综合上述分析，我们尝试地利用某航空电子产品，研究基于HASS与传统筛选等效转化的HASS应力筛选强度计算方法。

2 HASS定量筛选评估案例

某航空电子产品具有成熟的HASS方案[4]（剖面如图4所示），已进行了相应的HASS应用和外场跟踪，效果良好。

由于对激发产品缺陷起决定性作用的不是产品外部环境，而是产品自身对外部环境应力的响应，我们决定使用传统筛选设备对HASS筛选时产品内部对温度、振动的响应值，以及响应特性进行模拟，若模拟得当，理论上可以达到使用传统设备等效HASS筛选的目的。案例实施总体思路如图5所示。

图4 某航空电子产品及其HASS剖面

图5 案例实施总体思路

2.1 明确定性的筛选效果等效评价方法

目前国际上流行的筛选效果评价方法为缺陷植入法，即选取一定数量的产品典型工艺缺陷，以人为的方法植入到产品中，通过统计不同的筛选方式所激发的植入缺陷数量，定性评价不同筛选方式的筛选效果。

某航空电子产品在前期HASS剖面设计时已采用此方法进行了筛选效果的确认，对产品的典型缺陷及缺陷的植入法积累了大量的经验[5]，因此本次研究仍沿用缺陷植入法对筛选效果进行等效评价。其应用方法如图6所示。

图6 缺陷植入法等效性评估思路

2.2 基于传统筛选设备的HASS等效转化

筛选等效评价方法确定后，可通过反复迭代的方法对HASS剖面进行等效转化，摸索可行的方法。

传统的环境应力筛选设备与HASS筛选设备有很多本质的区别，比如：升降温速率、低温极值、宽频振动和三轴向振动等很多参数无法使用传统的环境应力筛选设备直接模拟（传统环境应力筛选设备与HASS筛选设备的主要不同如表1所示）。要实现使用传统的环境应力筛选设备对HASS筛选效果的等效转化，就必须分析两种试验设备本质上的差异，只有通过各种方法使产品内部对HASS和传统筛选各种应力的响应趋于一致，才可能达到使用传统的环境应力筛选设备模拟HASS筛选效果的目的。

在研究过程中，转化的环境应力筛选应力剖面基于传统试验设备的局限，遵循以下原则：

1）温度循环高温阶段参数直接引用HASS剖面（传统设备可达到110℃）；

2）低温参数、温变速率以传统筛选设备的最大能力确定（传统设备无法达到-80℃和60℃/min的温变率）；

3）保温时间以温度响应的调查结果确定；

4）转化后的振动激励谱型及持续时间以实测HASS激励谱型并结合产品振动响应的调查结果，经工程化处理后确定。

基于传统筛选设备的HASS等效转化过程如图7、8所示。

图7 温度循环的转化

图8 HASS振动的转化过程

2.3 筛选效果等效评价方法及筛选强度的计算

实现了产品HASS剖面对传统筛选设备的转化后，需对其筛选效果进行评估，我们采用故障植入法比较两种筛选方法的筛选效果。本次验证植入的缺陷完全参考前期产品HASS验证过程中植入缺陷的部位和植入方式，共植入6个缺陷，如表2所示。

分别按产品HASS剖面和转化的筛选方案实施筛选，其激发效果如表3所示。

根据表3所示的埋入缺陷的析出情况对比，我们认为本次基于HASS转化的筛选效果能等效HASS。从HASS转化后的筛选应力为温度循环和随机振动的组合应力，符合GJB/Z 34-1993提供的筛选强度计算公式要求，可按公式（1）和公式（2）对其筛选强度进行计算，其筛选强度值等效产品HASS的筛选强度值，可作为产品定量筛选计算的参数。产品转化后的筛选强度计算值和按GJB 1032-1990筛选的筛选强度的计算值如表4所示。

表2 产品植入缺陷情况

表3 HASS与转化后筛选的缺陷析出情况对比

3 结束语

国外多年的实践证明，HASS作为新兴的筛选方法，其筛选效率高，与一般环境应力筛选相比，达到筛选的目的所需要的时间大大减少，能节省大量人力和成本。对于以三轴超高斯宽频振动、温度振动综合应力为特征的HASS技术，当前的定量筛选并不适用。

由于应用数据的缺乏，目前难以通过研究HASS应力筛选强度模型达到定量评估的目的，本文尝试通过HASS等效转化为传统筛选的方法进行筛选与定量评价，探讨一套基于GJB/Z 34-1993，而且易以工程实施的HASS筛选定量评估方法，通过某航空电子产品的HASS转化验证，我们认为提出的HASS定量筛选评估方法，能紧贴产品特性，效果明显，且具有良好的工程适用性，能为军工电子产品批产可靠性控制应用新技术提供有益的借鉴。