电子产品环境应力筛选方法及其应用研究★

朱永

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽　合肥　230000）

电子产品环境应力筛选方法及其应用研究★

朱永

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230000）

环境应力筛选是保证产品使用可靠性的重要途径。论述了环境应力筛选的目的和意义，分析了环境应力筛选方案设计的关键技术，阐述了电子产品如何制定环境应力筛选的方案及程序，并结合某型雷达环境应力筛选给出设计和应用实例。

环境应力筛选；温度循环；随机振动；老炼

0　引言

在电子产品的制造过程中，由于经历了大量的、复杂的操作工艺或者误用了不合格的元器件，从而会引入各种明显的缺陷和潜在的缺陷。明显的缺陷通过常规的检验手段，如目检、常温功能测试和其他质量保证工序即可排除；潜在的缺陷用常规的检验手段无法检查出来，这些潜在的缺陷如果在工厂中不被剔除掉，最终将在使用期间的应力作用下以早期故障的形式暴露出来。在研制阶段和生产期间，产品的样本最终应通过GJB 899中规定的可靠性鉴定和验收试验，产品样本通过可靠性鉴定试验仅说明其设计的固有可靠性达到了规定的要求，产品的样本通过了可靠性验收试验并不表明该生产批中所有的其他产品均具有与其相同的可靠性［1-2］。如何针对产品特点，制定有效的环境应力筛选方法，快速地消除早期故障，把缺陷暴露和消除在出厂前，是产品可靠性工作的重要内容。

1　环境应力筛选的目的和意义

GJB 451-90《可靠性维修性术语》将环境应力筛选定义为:为发现和排除不良零件、元器件、工艺缺陷和防止出现早期失效，在环境应力下所做的一系列试验。环境应力筛选的目的在于已知产品在实际使用中将会遇到的主要环境，以及其应力强度，选择其最能激发在研制中的缺陷的环境和应力，强调以剔除元器件、部件的早期失效及暴露设计和制造工艺的不足而采取的有效措施。环境应力筛选 （工作项目401）是国家军用标准GJB 450A-2004《装备可靠性工作通用要求》中规定的可靠性工作项目，其目的是为研制和生产的产品建立并实施环境应力筛选 （ESS）程序，以便发现和排除由不良元器件、制造工艺和其他原因引入的缺陷所造成的早期故障［3-4］。我国颁布了GJB 1032-90《电子产品环境应力筛选方法》和GJB/Z 34-93《电子产品定量环境应力筛选指南》2个通用标准，它可用于海、陆、空等6类军事装备，也适用于机载、舰载等战术导弹，以及有批量的战略导弹。对于运载火箭、卫星等无批量的产品，环境应力筛选亦适用。在研制阶段使用环境应力筛选，可以发现设计问题，以采取有效的纠正措施，这样不仅能大大节省以后的试验时间和费用，还能提高产品的固有可靠性。鉴定试验前采用环境应力筛选，可以消除由制造工艺不当和有缺陷的元件造成的故障，从而使环境鉴定试验和可靠性鉴定试验的结果正确、有效，消除非设计问题对鉴定试验的干扰。生产阶段对产品进行环境应力筛选，使产品的早期故障消灭在出厂前，从而大大提高产品现场可靠性和减少现场维修费用。使用阶段的故障产品在修复后，也要进行环境应力筛选，以消除更换件和维修操作可能引入的故障。特别地，航天系统产品所施加的筛选应力是和环境验收试验结合在一起考虑而不是单独进行的［5］。因此，环境应力筛选作为一项重要的可靠性保证措施，在产品研制生产的全过程切实地贯彻实施，对提高产品可靠性、降低成本有重要意义。

2　环境应力筛选方案设计

环境应力筛选方案设计是环境应力筛选成功的关键，而筛选类型、筛选组装层次、筛选应力、筛选程序和要求是方案设计的核心。

2.1筛选类型的确定

环境应力筛选可分为3种类型:常规环境应力筛选、定量环境应力筛选和高加速环境应力筛选。常规环境应力筛选是指不要求筛选结果与产品可靠性目标和成本阈值建立定量关系的筛选。筛选所使用的方法是凭经验确定的，对筛选效果的好坏和费用是否合理不作定量分析，仅以能筛选出早期故障为目标。常规环境应力筛选现行标准是GJB 1032-90《电子产品环境应力筛选方法》，它的特点是易以掌握和应用，它是目前应用最广泛、时间最长的筛选类型。定量环境应力筛选是指要求筛选的效果和成本与产品的可靠性指标和现场的故障修理费用之间建立定量关系的筛选。定量筛选是通过定量地选择所用应力的强度和检测仪表的检测率，正好把计算得到的制造过程所引入的产品的缺陷全部剔除，从而使产品的早期故障率达到规定的定量目标值，现行标准是GJB/Z 34-93《电子产品定量环境应力筛选指南》。由于定量筛选的应用需要提供正确的元器件和工艺的缺陷率、应力强度和检测设备检出能力的数据，而且筛选方案设计和方案调整过程非常繁杂，标准中提供的国内外这方面的数据不够完整且准确度差，所以应用较少。高加速应力筛选 （HASS）是近年来在高加速极限试验 （HALT）的基础上发展起来的一种新的筛选类型，这种方法的特点是使用的应力大，需要的时间短。HASS应力强度比常规ESS大得多，只适用于研制阶段过程应用HALT获得工作极限和破坏极限的产品。HASS技术目前在国际上虽然已开始越来越广地应用，但并没有制订相应的标准。这一技术在国内基本还处于应用探索阶段［6］。综上所述，某型雷达整机由天馈分系统、伺服分系统、发射分系统、接收分系统、监控分系统和信号处理分系统组成的复杂电子设备，很难采用定量和高加速环境应力筛选的方法，在工程研制中采用GJB 1032-90《电子产品环境应力筛选方法》规定的常规环境应力筛选方案。

2.2筛选组装层次的选择

图1　 某型雷达筛选层次

为了保证能够彻底地消除早期故障，应在各个组装等级安排环境应力筛选，任何一级中的筛选不能代替高一级所进行的筛选，这是因为，在将低组装等级的各种产品组装成高一级产品时，由于使用了外购件及组装工艺，会引入新的缺陷。但是，随着组装等级的提高，其筛选检出度将降低，而筛选成本亦会随着提高。只有从低层次到高层次各级产品都进行环境应力筛选，才能保证整机产品的可靠性。雷达整机产品的研制经验表明，若只在高层次上进行环境应力筛选，则很难分析故障 （缺陷）的原因，找到根治缺陷的办法，而且花费也很大。因此，从经济原则和易以实施考核，环境应力筛选应尽量在低层次产品上进行。不从低层次产品开始做环境应力筛选，往往会适得其反。某型雷达整机从结构层次上划分，包括伺服平台、发射机、接收机和控制与信号处理单元4个分机，每个分机由元器件、印制板、电路模块 （或组件）和电线电缆等组成，筛选组装层次的确定如图1所示。明，在常用的13种环境应力中，温度循环、随机振动和高温老炼是最有效的3种筛选应力，如图2所示［5］。温度和振动由于其作用机理的不同，筛选出的缺陷也可能不同，振动多半是筛选出机械性的缺陷，而温度循环则还能发现元器件性能漂移、密封失效和污染等缺陷。通电老炼对于工艺制造过程中可能存在的潜在缺陷，如表沾污、引线焊接不良、沟道漏电、硅片裂纹和氧化层针孔等均有较好的筛选效果；此外还可促使电性能参数稳定并对参数不稳定的产品有一定的筛选作用。某型雷达整机在研制过程中涉及元器件装焊、电路板装配和电缆连接等多种工序，采用在相应的筛选组装层次上组合应用温度循环、随机振动和高温老炼3种应力:印制板 （或模块）级，其主要工序为元器件装焊，采用温度循环筛选；分机级，主要为电路板装配和电缆焊装工序，采用温度循环和随机振动相结合的方法进行筛选；整机级，主要为电缆连接和机械安装，同时整机涉及功能和性能指标的测试和验证，采用验收振动和老炼相结合的方法进行筛选。温度循环、随机振动和高温老炼的应力量级应力值设计参照GJB 1032-90《电子产品环境应力筛选方法》、GJB/Z 34-93《电子产品定量环境应力筛选指南》和QJ 908A-98《电子产品老炼试验方法》中规定的原则进行，即不能超过产品的设计极限且不应明显地影响产品的寿命和技术性能。

在雷达整机的研制中，对选用的国产元器件筛选方法和要求 （包括温度、机械和电等多种应力）在产品规范中明确并由厂家实施，委托方下厂监制和验收；对于进口元器件委托有资质的单位按产品筛选标准进行了二次筛选，合格后装机使用［7］。无法测试、筛选的元器件采取相应的质量保证措施及整机试验验证。本文重点讨论板级 （或模块级）以上层次的产品筛选。

2.3筛选应力的确定

环境应力筛选主要作为一种工艺，其暴露出的缺陷也具有明显的工艺特性。例如:大部分缺陷是由于装配连接或紧固操作不当，或工艺方法不当造成的。常见的缺陷是虚焊、松脱、短路和开路等。

国内外已发表的环境应力筛选调查统计结果表

图2　 筛选应力类型

2.4筛选试验程序和要求

环境应力筛选试验程序由初始性能检测、缺陷剔除试验、无故障检验及最后性能检测等组成。试验前，对受筛产品进行初始性能检测:按有关标准和技术文件进行外观、机械及电气性能检测并记录。凡检测不合格者，则不能继续进行环境应力筛选。在试验过程中，按要求施加应力，一般顺序为:1）第一次随机振动；2）温度循环；3）第二次随机振动；4）功率老炼。试验后，对受筛产品的性能进行检测。

尽管环境应力筛选试验已广泛地应用在电子产品的研制、生产等各个阶段，但在实际应用时，为防止产品出现过应力或欠应力，确保试验成功有效，需要注意以下试验要求。

a）试验夹具在规定的功率谱密度频率上限2 000 Hz以内不应有振频率存在，即在20～2 000 Hz范围内沿振轴方向的传递函数必须保持平坦，其不平坦允许偏差不得超过±3 dB（设计如有困难，500～2 000 Hz允许放宽到±3 dB，但累计带宽应在300 Hz以内）［8］；试验条件允许偏差应符合GJB 1032-90中4.4节的规定。

b）随机振动试验时，元器件应进行点封或固封。受试产品与夹具或振动台台面的连接应模拟产品实际的安装状态，包括受力方式、连接件数量及尺寸等，不允许使用设计上没有的附加固定；有支架或减震器的单机原则上应去除支架和减震器，试验应尽量采用多点平均控制，控制点应选在产品与振动台台面或夹具的连接面上，靠近产品底板处；故障修复后再试验的时间与故障前的试验时间 （在0.04 g2/Hz功率谱密度值下）的总和建议控制在20 min以内。

c）温度循环试验以高温工况开始，以高温工况结束。试验时应采取措施，防止产品受潮，如试验箱吹干燥风等；同时，为保证筛选效果，如雷达分机温循时应开盖进行。

d）筛选过程中应尽量通电并进行性能监测，以及时发现故障和保证间歇故障不漏检。在试验前后应对产品性能进行测试和对比。

e）故障处理原则:随机振动试验时出现故障，并且该故障不会危及其他部分或产生其他危险时，可继续通电并振动，待振动结束后排除；否则应立即停振并修复。随机振动筛选过程出现的故障，修复后再进行试验时，输入谱值应降低为0.01 g2/ Hz，Grms=3.03，在试件最怕振的方向施振10 min，其间至少连续5 min无故障。温度循环试验时出现故障，应立即中断试验，待故障排除后，重新进行这个循环的试验。在试验的n-2个循环过程中如出现故障则应在排除故障后继续试验，故障前的循环次数应累计。在完成n个循环 （可停止次数）后，降温至室温状态进行性能测试，若性能检测正常，且在试验中止前2个循环中没有出现过故障，则最后2次循环可免做。否则须继续完成最后2个循环的无故障试验。老炼试验时，受试产品故障发生在规定老炼累计时间的前二分之一时，老炼累计时间仍在故障发生前的累计小时数上继续累计；故障发生在老炼累计时间的后二分之一时，在达到规定的累计时间后，至少要补做4个无故障老炼工作周期［9］。

f）按GJB 841-90的规定，运用产品的故障报告、分析和纠正措施系统 （FRACAS）去收集分析在ESS期间产生的所有故障数据并适时地记录纠正措施。

2.5某型雷达整机筛选实例

根据本文2.1～2.4节的分析，某型雷达整机筛选试验方案采用常规环境应力筛选方法，在印制板（或模块）级、分机级和整机级3个组装层次开展，使用温度循环、随机振动和高温老炼3种应力组合，筛选方案如表2所示。

表2 某型雷达筛选方案

统计了雷达整机在方案、初样和试样研制阶段环境应力筛选中暴露的故障:在印制板、模块、分机和整机筛选环节共暴露了32个故障，其中，温度循环应力共暴露8个故障，占25%；随机振动应力共暴露22个故障，占68.75%；高温老炼应力共暴露2个故障，占6.25%。温度循环应力暴露的主要问题为元器件参数漂移 （或功能失效）、管脚虚焊等，随机振动应力暴露的主要问题为螺钉脱落、连接器松动、管脚损伤和印制板短路等问题，高温老炼应力暴露的问题为元器件参数漂移。可以看出，该方案能够有效地剔除产品制造过程中引入的元器件和工艺缺陷早期缺陷，温度循环暴露的主要问题为元器件和焊接缺陷，随机振动暴露的主要问题为结构和安装工艺缺陷，高温老炼暴露的主要问题为元器件缺陷。

雷达工程研制的实践表明，筛选方案是合理的，应力筛选试验是有效的。经过筛选的产品，剔除了早期的元器件、结构和工艺安装和其他原因所引起的早期缺陷，经过对ESS试验中暴露的制造和工艺问题进行改进后，整机可靠性确实得到提高，保证产品参加例行环境试验结果的有效性。同时，通过筛选试验的雷达参加了靶场的飞行试验，均获得圆满成功。

3　结束语

环境应力筛选是剔除电子产品的早期缺陷，使产品开始投入使用便能实现其固有可靠性的一种工艺保证，要求电子产品验收交付前100%地进行筛选。本文选用典型的筛选应力和GJB 1032所推荐的方法，对于可靠性要求高、生产批量较大的电子产品，具有很高的效费比，具有较高的推广价值。

随着科技发展和产品研制技术水平的进步，环境应力筛选方法也应不断地研究和创新，以更有效地提高电子产品的可靠性。

［1］牛鑫，宋清山，王宾，等.环境应力筛选 ［J］.电子产品可靠性环境试验，2014，32（5）:22-25.

［2］GJB/Z 34-1993，电子产品定量环境应力筛选指南 ［S］.

［3］GJB 451-1990，可靠性维修性术语 ［S］.

［4］GJB 450A-2004，装备可靠性工作通用要求 ［S］.

［5］QJ 3138-2001，航天产品环境应力筛选指南 ［S］.

［6］张露，张熙川.环境应力筛选技术及其应用问题分析［J］.装备环境工程，2006，3（4）:62-65.

［7］谢俊梅.环境应力筛选在雷达上的应用 ［J］.电子产品可靠性与环境试验，2013，31（增刊1）:46-49.

［8］GJB 1032-1990，电子产品环境应力筛选方法 ［S］.

［9］QJ 908A-1998，电子产品老炼试验方法 ［S］.

Research on Electronic Products Environmental Stress Screening M ethod and Its Application

ZHU Yong（No.38 Research Institute of CETC，Hefei230000，China）

Environmental stress screening is an effective way to ensure the product operational reliability.The paper discusses the purpose and significance of environmental stress screening，analyzes the key techniques in scheme planning of environmental stress screening，and explains how to develop the program and procedures of environmental stress screening for the electronic products.Meanwhile，a design and application example has been given in this paper based on the environmental stress screening of a certain radar.

environmental stress screening；temperature circulation；random vibration；burnin

TB 24

A

1672-5468（2015）02-0026-05 doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2015.02.005

国家科技支撑计划项目 “机场场面监视雷达系统”（No.2011BAH 24B05）资助

2014-10-20

朱永 （1981-），男，安徽泗县人，中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师，硕士，主要从事雷达质量与可靠性研究工作。