组件级电子产品ESS试验条件剪裁方法研究

贝广常，李楼德，黄泽贵

（1.空军航空技术装备可靠性办公室，北京　100843；

2.中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川　成都　610036；3.中国人民解放军驻中国电子科技集团公司第二十九研究所军事代表室，四川　成都　610036）

组件级电子产品ESS试验条件剪裁方法研究

贝广常1，李楼德2，黄泽贵3

（1.空军航空技术装备可靠性办公室，北京100843；

2.中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川成都610036；3.中国人民解放军驻中国电子科技集团公司第二十九研究所军事代表室，四川成都610036）

针对组件级电子产品按照GJB1032要求实施ESS试验过程中出现的效率低、时间长等问题，探索了一种基于GJB1032的ESS试验条件剪裁方法，并基于筛选度模型从理论上证明了该方法的可行性。最后，针对某型号中的变频组件，运用所提出的方法制定了温度循环筛选试验条件。通过与GJB 1032中的对应条件对比，所提出的剪裁方法在不影响筛选效果的前提下，可以大大缩短试验时间，提高试验效率，节省人力资源和试验成本。

环境应力筛选；国军标；筛选度；电子组件；剪裁方法

test of the component-level electric products under the requirem ent of GJB 1032，this paper

p roposes the tailor m ethod about ESS test condition.According to the screening strength

model，the method is proved to be actionable.With this method，the temperature screening test

condition is used in a frequency module.Comparing with the corresponding conditions in GJB

1032，we find that，under the premise that the screening effect does not be affected，the

proposed method can cut short the test tim egreatly，improve testefficiency，and save human

resource and test cost.

0　引言

GJB 1032《电子产品环境应力筛选方法》自1990年发布以来，在我国装备研制与生产中得到了广泛的应用，在排除电子产品早期缺陷方面发挥了巨大的作用。该标准是参照美军标MIL-STD-2164制定的，适用范围广，不仅适用于系统与整机等高组装级产品，也适用于电路板等组件级产品。但长期以来，对组件级产品该标准的贯彻情况不容乐观:大部分型号在研制过程中，其组件均存在环境应力筛选试验条件盲目剪裁导致筛选不充分甚至不进行筛选的问题。究其原因，一方面由于该标准中规定的筛选试验时间过长，对某些技术复杂、研制周期紧张或生产批量较大的组件级产品来说试验效率过低，拖延研制和生产计划；另一方面，各研制单位试验设备和人员紧张，对组件筛选不够重视，不能保证所有的组件都进行充分的筛选。另外，随着科学技术的发展，试验设备的性能和技术水平较之前也有了大幅的提高，充分利用更加先进的试验设备，可提高试验效率。

国内外很多专家学者也已经发现上述问题。文献 ［1］对比了各种筛选方法的筛选效能，从效能角度认为温度循环和振动试验组合可达到最优的筛选效果，但并未做出更加深入的探讨。文献 ［2］从工程经验出发，并参考一些国外标准，初步给出了温度循环和随机振动的剪裁方法，但缺少理论依据。文献 ［3］指出了当前GJB 1032在工程应用中所出现的一些实际问题，并建议以MIL-HDBK-2164A为蓝本重新修订GJB 1032标准。美国国防部早在1996年吸取了MIL-STD-2164在执行过程中的经验教训，颁布了指南MIL-HDBK-2164A以取代原标准，该指南的重要变化之一就是允许筛选试验条件剪裁，并给出了剪裁指南。但是，由于该指南仅给出了一个剪裁流程而没有具体的剪裁设计方法，在我国没有得到推广应用［4］。

本文在深入分析GJB 1032标准应用于组件级产品存在问题的基础上，从温度循环筛选试验入手，探索了一种在保证相同筛选效果的前提下，通过提高温变率和温度变化范围来减少温度循环数的剪裁方法。并基于GJB/Z 34中给出的筛选度模型，从理论上证明了该方法的可行性。最后通过一个工程应用实例，说明了该方法的操作步骤和剪裁效果。

1　剪裁方法探讨

ESS试验使用的应力主要用于激发故障，而不是模拟使用环境，一般采用几种典型的在激发产品内部缺陷方面特别有效的应力进行筛选。国外已发表的ESS调查结果［5］表明，对于电子产品，快速温变率的温度循环、随机振动，以及两者的组合或综合是筛选应力强度最高的几种应力，最常用的是温度循环和随机振动的组合，对于其他类型的产品要根据产品的失效机理选择合适的筛选应力。

GJB 1032标准中也规定电子产品一般使用温度循环和随机振动的组合来进行试验［6］，具体的试验项目如表1所示。

表1　GJB1032中规定的ESS试验条件

根据表1可以看出:随机振动筛选时间仅为5 min或15 min，耗费试验时间的筛选项目主要是温度循环，大约为120 h。鉴于随机振动筛选试验所占的试验时间较短，下面主要探讨温度循环试验条件的剪裁可行性及具体的剪裁方法。

1.1温度循环试验条件剪裁方法的理论推导

GJB/Z 34-1993《电子产品定量环境应力筛选指南》中给出了筛选度的概念。筛选度 （screening strength）是指电子产品中存在对某一特定筛选敏感的潜在缺陷时，该筛选将该缺陷以故障形式析出的概率，一般用SS表示。筛选度代表了筛选试验析出早期缺陷的程度大小。针对温度循环筛选试验，计算筛选度的RADC模型［6］为:

SS=1-exp｛-0.001 7（R+0.6）0.6［ln（e+V）］3·N｝

（1）式 （1）中:R——温度变化范围，（TU-TL），℃；

V——温度变化速率，℃/min；

N——循环次数；

e——自然对数的底。

从式 （1）中可以看出:在温度循环参数中，对筛选效果最有影响的是温度变化范围R、温度变化速率V和循环次数N。增大温度变化范围和变化速率能加强产品的热胀冷缩程度和缩短这一过程的时间，增强热应力，循环次数的增加则能累计这种效应。因此上述3个参数中任一参数的量值加大均有利于提高温度循环筛选效果。上下限温度值停留时间的长短对筛选效果的影响相对较小，此时间的长短仅以产品在此温度下能达到温度稳定并足以完成功能检测为准。因此，对于组成较为简单、体积重量较小的组件级产品，缩短上下限温度停留时间有利于缩短整个温度循环的周期，提高试验效率。

根据公式 （1），可得到部分典型温度循环条件下的筛选度，如表2所示。

从表2中可以看出，随着温度变化率V、温度变化范围R或循环次数N的提高，筛选度SS均可得到显著的提高。筛选度SS是参数V、R和N的严格增函数。根据这个规律，在筛选度不变的前提下，若提高温变率V或温度变化范围R，则温度循环试验的循环次数N可相应地减少。但需要注意，温度变化率并不是越大越好。试验已经证明，温度循环的筛选强度并不总是随着温变率的提高而增大，当温变率达到某一特定值后，再增大温变率对环境应力筛选的收效甚微，一般温度循环取值在5～15℃/min之间较为合理［7］。

目前，随着技术的发展，温度循环筛选试验所使用的温度试验箱温变率至少可达10℃/min。另外，随着元器件制造技术的突飞猛进，组成组件类产品的基本单元——元器件能够适应的工作范围也有了大幅的提高，例如:工业级的器件其工作温度能够达到-55～+85℃，某些高质量等级的器件甚至可达到-55～+125℃。在某些装备的研制过程中，一般要求选用工业级以上的器件，因此，大部分组件的工作温度循环范围完全可以提高到-55～+85℃或更高。根据RADC模型，温变率和温度范围的提高，在保证相同筛选度的条件下，为减少试验时间提供了理论支撑。

1.2剪裁程序

1.2.1步骤1:温度循环试验程序剪裁

按照GJB 1032标准的要求，对全数试验可简化试验程序，即无故障检验可从缺陷剔除试验开始计起，在最大120 h时间内，要求至少有40 h的连续无故障工作时间。若前40 h不出现故障，则可免去后面的试验。

1.2.2步骤2:计算剪裁后的温度循环次数

根据RADC公式，计算组件产品采用GJB 1032标准中的筛选条件时，能够达到的筛选度。考虑试样产品的实际情况，确定试验温箱温变率V和其能够满足的最大工作温度变化范围R。在达到与1032标准中规定的试验条件相同筛选度的前提下，根据RADC公式，反推试验循环数N。

最大工作温度范围的确定可通过步进应力施加法来确定［8］。操作步骤如下:

a）起始点温度

低温步进应力试验在室温或某一接近室温的温度条件下进行，通常取+20～+30℃。

高温步进应力试验在室温或某一接近室温的温度条件下进行，通常取+20℃和+40℃。

b）每步保持时间

每步的保持时间应包括元器件及其零部件完全热/冷透的时间和产品检测所需的时间。热/冷透的时间通常在10～20min之间，一般不超过30min。

c）步长

步长通常为10℃，但是在某些时候也可以增加到20℃或减小到5℃。建议在高/低温工作极限前步长设定为10℃，由产品的具体情况来定。

d）高/低温工作极限

在高/低温步进的过程中，一旦发现产品出现异常，就要立即将温度恢复至上一量级，然后进行全面检测；如果产品恢复正常，则判定产品出现异常的温度应力为产品的高/低温工作极限。找到高低温工作极限后，两者之差即为最大工作温度范围。典型的步进应力示意图如图1所示。

图1　典型的步进应力试验示意图

1.2.3步骤3:确定上下限温度停留时间

利用直接测量法试件获取试件温度稳定时间，取温度稳定时间和测量性能指标所需的时间较长者作为温度循环上下限温度停留时间。直接测量法的实施步骤是:在试件表面、内部和附近关键部位（需设计人员和生产人员一同确定）安装多路温度传感器或热电偶，连续检测各点的温度变化情况，按照GJB 150中对温度稳定的定义来确定温度稳定时间［9］。

a）试验样品处于工作状态，若无其他规定，当试验样品中热容量最大的部件每小时温度变化不超过2℃时，则认为试验样品达到了温度稳定。

b）试验样品处于非工作状态，若无其他规定，当试验样品中热容量最大的部件的温度与规定的温度相差在2℃以内时，则认为达到了温度稳定。但任何一个关键部件应在1℃以内。结构件或无源件通常不考虑温度稳定。

1.2.4步骤4:确定最终筛选条件，实施筛选试验

按步骤1、步骤2和步骤3剪裁后的试验条件实施试验，并保证产品满足在连续N个温度循环范围内无故障工作，方可算是筛选合格。

2　应用案例

某一电子设备，已知其工作温度范围为-30～+ 70℃。变频组件是其核心组件之一，该组件净重500 g。按照研制要求，变频组件需全数进行环境应力筛选试验，筛选合格后，方可装机使用。下面按照本文讲述的剪裁方法，制定变频组件的温度循环筛选试验条件。

2.1步骤1：温度循环试验程序剪裁

按照GJB 1032标准中的剪裁要求，对变频组件进行12个循环 （40 h）的温度循环筛选试验，并要求变频组件连续12个循环无故障运行。若前12个循环不出现故障，则可免去后面的试验。

若按照GJB 1032标准中设定的筛选条件，则可计算出温度循环筛选试验的筛选度SS如下:

SS=1-exp｛-0.001 7（R+0.6）0.6［ln（e+V）］3·N｝= 1-exp｛-0.001 7*100.60.6［ln（e+5）］3*12｝= 0.937 3

2.2步骤2：计算剪裁后的温度循环次数

目前各单位环境实验室中提供的温箱温变率可达到10℃/min以上，由此可将温变率从GJB 1032中规定的V=5℃/min提高到V1=10℃/min。最高工作温度范围通过步进应力施加法确定。通过高温步进和低温步进应力摸底，得到高温工作极限为+90℃左右，适当地降低，取为+85℃。同样，得到低温工作极限为-50℃左右，适当地提高，取为-45℃。由此可取最高工作温度范围为R1=130℃，代入RADC模型，得到经过裁剪的筛选循环数N1:

1-exp｛-0.001 7*130.60.6［ln（e+10）］3*N1｝= 0.937 3

求解循环数:N1=5.32。

为筛选充分，取N1=6循环，即能够达到SS= 0.937 3的筛选度要求。相对于之前的12个循环，试验循环数减少了50%。

2.3步骤3：确定上下限温度值停留时间

上下限温度值停留时间的长短仅以产品在此温度下能达到温度稳定并足以完成功能检测为准。采用直接测量法来确定工作温度范围，测试结果表明:在高低温极限温度下，该组件在保温1 h后即可达到温度稳定。而完成变频组件指标测试时间为15 min左右，因此，将上下限温度值停留时间定为:1 h。

2.4步骤4

建立剪裁后的温度筛选试验剖面如图2所示:

图2　　剪裁后的温度循环试验剖面

由图4可知，每个温度循环仅需2.5 h左右，若保证6个循环 （共15 h）连续无故障运行，即可完成筛选。相比GJB 1032标准中规定的连续40 h无故障运行，试验时间节省了25 h，大大提高了试验效率，节省了试验时间。

3　结论

本文指出了GJB 1032标准在实际的工程应用中对组件产品实施ESS试验时面临的试验时间过长的问题，选取筛选度作为衡量标准，从理论上证明了在保证筛选度不降低的前提下，提高温变率和温度范围，减少循环次数的可行性。重点针对GJB 1032标准中耗时较长的温度循环试验条件提出了剪裁设计方法，并给出了某型号变频组件的工程应用实例。经过剪裁后制定的变频组件筛选试验条件与GJB 1032标准中的试验条件相比，在具有相同的筛选效果的前提下，可大大缩短试验时间，提高试验效率。

本方法可用于组件级产品的筛选条件制定，对于整机或系统级产品的筛选试验条件，应以总体单位提供的试验方法为准，或与总体单位协商后进行。

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2001，19（3）:8-12.

Tailor M ethod Research of ESSTest Condition on M odules-level Electronic Products

BEIGuang-chang1，LILou-de2，HUANG Ze-gui3
（1.Department of Aviatic Technology Reliability of Air Force，Beijing 100843，China；
2.No.29 Electronic Research Institute of CETC，Chengdu 610036，China；3.Military Representative Office of PLA in No.29 Electronic Research Institute ofCETC，Chengdu 610036，China）

Aiming at the problem of low efficiency and long period during the process of the ESS

ESS；GJB 1032；screening strength；modules-level electronic products

TB 24；T-652.1

A

1672-5468（2015）02-0014-05 doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2015.02.003

2015-10-20

2015-01-29

贝广常 （1978-），男，山东聊城人，空军航空技术装备可靠性办公室工程师，硕士，从事航空装备寿命和可靠性工作。