电子产品振动应力筛选试验方法应用探讨

芦 田，马丽然，于韶明，秦之瑾

（1.北京强度环境研究所；2.北京航天长征科技信息研究所：北京 100076）

0 引言

电子产品的环境应力筛选是指在产品上施加随机振动及温度循环应力，以鉴别和剔除产品工艺和元件引起的早期故障的一种工序或方法[1]。例如原航天部曾在某研制产品样机中抽取25%～30%的电子组件进行了筛选，靶试中有10%的组件出现故障，其中大部分为未经筛选的组件，这一教训引发了“电子组件必须进行筛选后才能装机”规定的出台[2]。

国内电子产品的环境应力筛选标准主要是GJB 1032《电子产品环境应力筛选方法》[1]和GJB/Z 34《电子产品定量环境应力筛选指南》[3]，前者以MIL-STD-2164《电子产品环境应力筛选方法》[4]为蓝本编写；后者以MIL-HDBK-344《电子产品环境应力筛选方法》[5]为蓝本编写。GJB/Z 34内容相对先进，但是由于其筛选大纲设计、调整、控制和实施过程十分复杂，而且元器件和工艺缺陷率方面的数据又不十分完整，所以可操作性不强，目前在国内尚未得到广泛应用。相比之下，GJB 1032为环境应力筛选确定了统一的要求和实施方法，具有较好的指导意义和较强的可操作性，在统一环境应力筛选实施方法上起到了一定的作用[6]。

振动应力是环境应力筛选的主要应力之一[7]。对于电子产品而言，温度循环容易引起焊点故障，而振动应力容易引起引线故障。振动应力筛选试验中涉及欠筛选和过筛选等问题，这些问题曾导致多个型号出现质量缺陷，造成多批次型号产品浪费。实际证明，采用适当的振动应力筛选试验方法能对提高电子产品交付合格率起重要作用。

本文基于GJB 1032，并参考GJB/Z 34，对振动应力筛选试验方法中的一些问题进行探讨，以期提出正确的筛选条件和筛选方法。

1 振动应力筛选试验方法概述

1.1 筛选的目的及对象

为强调环境应力筛选的工序属性，区分环境应力筛选与环境试验，祝耀昌[8]甚至提出环境应力筛选中的筛选、筛选设备和筛选条件不应称为试验、试验设备和试验条件。作为一道工序，环境应力筛选是电子产品必须经历的过程，与产品的使用环境无关，主要目的是鉴别和剔除早期故障。与产品的其他加工工序地位相同，只不过使用的设备与环境试验的设备相似。

研制阶段和批生产初期的全部产品均应进行环境应力筛选；在批生产中、后期，可根据产品批量及质量稳定情况进行抽样筛选。

环境应力筛选中，组件及整机直接筛选会带来一些问题，特别是对于振动应力筛选而言。产品结构、振动夹具等的固有特性[9]会造成组件及整机振动应力筛选中某些频段过筛选和某些频段欠筛选，因此应尽量采用较低装配级别产品进行筛选，最好是印制电路板级。

1.2 振动应力筛选条件

工艺存在缺陷的元器件环境耐受力与工艺正常的元器件有较大差别，特别是电子产品的引线部分，如果存在缺陷，则在振动应力的作用下缺陷会迅速发展成故障。振动应力筛选过程中或筛选后通过测试手段可以发现这些故障并将其剔除。

色谱柱 YMC-C30：4.6×250mm，5μm；检测波长：445nm；柱温：35℃；流动相：甲醇∶水=95∶5，等梯度洗脱；流速：0.8mL/min；进样量：20μL。

振动应力筛选条件目前仍采用如表 1[1]所示的随机振动谱，筛选方向取决于产品结构特性及产品对振动方向的敏感程度，一般情况下选择垂直于电路板方向即可满足筛选需求。按照GJB 1032要求，在缺陷剔除阶段施振时间为5 min，在无故障检验阶段施振时间为5～15 min。

常规振动应力筛选的量值采用表1的0.04g2/Hz，把握不大的产品可根据振动筛选进行的效果由低到高适当调整振动量值，但一般不超过0.04g2/Hz。表 1频率范围为 20～2000 Hz，必要时可缩小到100～1000 Hz，视产品情况而定[3]。

表1 振动应力筛选条件Table 1 Vibration stress screening test conditions

1.3 振动应力筛选方法

一般电子产品的振动应力筛选按照表 1的振动谱进行，选取最敏感的轴向，不确定最敏感轴向时需要增加方向。一般在温度应力施加前后各进行5 min的振动应力筛选。控制点选择在夹具与产品的连接面并且刚度相对较大的位置；对于整机或复杂结构，应采取多点平均控制方法。

对于复杂结构的电子产品，需要首先对受筛选产品进行振动测定，确定其共振频率、优势频率和响应情况。对产品响应大的频率处，振动输入应减少；反之，对产品响应小的频率处，则应加大振动输入。这样既保证不损坏产品，又能进行规定量值的筛选。

对于组件甚至整机产品，为避免因共振引起任何潜在疲劳或峰值应力损伤，有必要降低输入谱上可能引起产品某些部位共振（放大倍数Q＞10）的频段内的谱值，进行带谷控制。该方法在MIL-STD-2164中有明确规定，GJB 1032中未明确。

2 振动应力筛选试验中的常见问题探讨

需要开展环境应力筛选的产品种类繁多、数量庞大，筛选过程中暴露出许多问题。本文就2种常见问题进行分析探讨。

2.1 欠筛选试验

宽频带随机激振引起结构的多共振峰响应可导致电子产品失效，引发灾难性后果。以黏弹性阻尼材料为基础的阻尼减振技术得到长足的发展后，为解决多共振峰振动控制问题提供了一条经济而有效的途径，成为航天工程中必不可少的关键技术之一[10-11]。减振器能够显著增强电子产品的环境适应性，然而在进行振动应力筛选时，有些单位按照使用工况安装电子产品，即带着减振器进行振动应力筛选，造成电子产品的欠筛选。GJB 1032中对此明文规定，产品应去除包装物及减振装置后再进行振动应力筛选。

2.2 过筛选试验

GJB 1032中要求优先考虑在较低装配级别产品进行试验，但是许多电子产品组件众多，安装复杂，只能进行组件甚至整机振动应力筛选。

组件及整机振动应力筛选时，出现过很多问题：21世纪初，某航天总装厂的一批产品到达靶场后，测试异常，导致型号无法正常发射，经过归零发现是由于组件筛选时产品上的响应显著超过筛选量级，过筛选导致电子产品寿命折损；航天某所在某战略型号研制中也出现过因为组件振动应力筛选，电子产品响应放大导致产品破坏造成型号巨大损失。吸取教训后，目前对于响应过大的组件及整机电子产品进行振动应力筛选时，均采取了限制响应的措施。

为防止过筛选，必须降低导致电子产品响应放大的频段的振动能量输入，即采用带谷控制方法。目前振动应力筛选中带谷控制的实现方法主要有主动挖谷法、响应控制法和限值控制法3种。

2.2.1 主动挖谷法

主动挖谷法是指根据电子产品振动应力筛选中的共振情况，直接在表1的随机振动谱中降低响应频段的筛选量值。即通过人为主动更改控制曲线，确保电子产品关键位置的放大倍数Q不超过安全值，避免过筛选情况。

主动挖谷法的优点是主动性高，可以通过技术人员的丰富经验完成；缺点是不易量化，受技术人员主观因素影响大，同一筛选由不同技术人员操作，挖谷的频段范围、量值降低程度会有不同，筛选效果因人而异，难以标准化。

2.2.2 响应控制法

响应控制法是指将振动控制点设置在电子产品上，而不是位于夹具与产品连接面处，确保产品关键位置的响应为表1的随机振动谱，从而不会发生过筛选情况。

响应控制法的优点是通过直接控制电子产品，确保关键位置的响应能较好地符合筛选条件；缺点是只能控制有限的几个关键点。对于复杂结构的电子产品组件，由于结构传递特性的复杂性，控制点位置振动应力为筛选条件，但是其他位置的电子产品可能欠筛选，也可能过筛选，因此该方法不适用于复杂结构的电子产品组件和整机产品。

2.2.3 限值控制法

限值控制法是指在夹具与产品连接面刚度较大的位置安装控制点，同时在敏感位置的电子产品处安装限值点；控制谱采用表1筛选谱形，量值为0.04g2/Hz；限值谱采用相同谱形，量值根据产品振动环境适应性确定。进行振动应力筛选试验时，控制曲线会自动挖谷，实现带谷控制，同时保证了产品上各点放大倍数不超过安全值。

限值控制法的优点是能够很好地满足各产品上的响应放大不超过要求，同时又不会造成较大的欠筛选，实际操作相比主动挖谷法容易标准化，适用于实验室进行规范试验；缺点是对于复杂的组件、整机试验，限值点较多，增加了实施难度。

3 振动筛选实践探讨

以某型号电子产品为对象，探讨其振动应力筛选的方法。该电子产品组件为多个电路板组装而成，为了提高组件中电路板的适应性，整个组件通过 4组减振器与整机连接。如图1所示，多个电路板垂直安装于组装盒内，组装盒下方连接4个减振器。

图1 连接了减振器的某型号电子产品外观Fig.1 An electrical product connected with vibration reducers

根据振动应力筛选方法，该组件进行振动应力筛选时，不能安装减振器；振动应力筛选的方向为垂直于电路板方向；为进行数据采集分析，在电路上粘贴一个加速度传感器测量响应，在振动台滑台与组装盒连接处安装加速度传感器进行振动输入控制。如图2所示。

按照表1的振动筛选谱进行振动加载，振动输入及响应曲线如图 3所示：电路板共振频率在630 Hz附近，电路板响应有所放大，加速度方均根量级从输入的6.06grms放大至13.83grms，如此直接进行振动应力筛选会造成该电子产品的过筛选。

图2 振动应力筛选中的某型号电子产品Fig.2 Electrical product’s in vibration stress screening

图3 某产品振动应力筛选输入及响应曲线Fig.3 Vibration stress screening input and response curve

为避免过筛选，分别采用主动挖谷法、响应控制法、限值控制法进行振动应力筛选。根据图3中电路板上测点的响应情况，在共振频率630 Hz处进行挖谷，图4(a)为主动挖谷法输入及响应，可以看到挖谷后电路板响应显著降低，但是效果因人而异；图4(b)为响应控制法输入及响应，以某电路板上测点进行控制，结果显示该电路板满足筛选要求，但该方法只能保证一块电路板满足筛选要求，无法保证其他电路板也满足要求；图4(c)、(d)为限值控制法的控制及响应，限制谱谱形均为表1筛选谱形，限值量级分别为0.04、0.08、0.4、4g2/Hz，其中图4(c)为限值控制法控制谱，随着限值量值的增加，控制曲线的谷深越来越浅；图4(d)为限值控制法电路板上测点响应谱，随着限值量值的增加，电路板上响应越来越高，可以根据电路板设计要求，合理设定限值谱量值，满足振动筛选要求。

图4 振动应力筛选的带谷控制Fig.4 Notching control of vibration stress screening

4 结束语

环境应力筛选作为鉴别和剔除电子产品早期故障的一种工序或方法，在实际生产中具有重要作用，很多单位已经要求所有电子产品必须经过环境应力筛选才能交付。

振动应力筛选作为环境应力筛选的组成部分，对于电子产品十分重要。正确理解振动应力筛选的目的与对象，有助于更好地进行筛选试验，选择正确的筛选条件、采用适当的筛选方法，避免欠筛选及过筛选。带谷控制是复杂组件、整机电子产品的振动应力筛选的重要控制方法，在实际振动应力筛选中选择合适的带谷控制法能够确保筛选效果。

（References）

[1]电子产品环境应力筛选方法: GJB 1032—1990 [S].北京: 国防科学技术工业委员会,1990

[2]祝耀昌.电子设备环境应力筛选简介[J].环境技术,1992(4): 24-31 ZHU Y C.Synopsis of electrical products’ environmental stress screening[J].Environmental Technology,1992(4):24-31

[3]电子产品定量环境应力筛选指南: GJB/Z 34—1993[S].北京: 国防科学技术工业委员会,1993

[4]Environmental stress screening process for electronic equipment: MIL-STD-2164[S],1985

[5]Environmental stress screening of electronic equipment:MIL-HDBK-344[S],1986

[6]祝耀昌,王建刚.GJB 1032的应用和分析[J].航空标准化与质量,2003(4): 37-39 ZHU Y C,WANG J G.Application and analysis of GJB 1032[J].Aeronautic Standardization & Quality,2003 (4): 37-39

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