电子产品环境应力筛选的有效性分析

王奇锋，尉明，孙轶，赵娜

（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安，710068）

0 引言

环境应力筛选（ESS）作为一项质量过程控制技术已在电子、机电等产品的研制与生产过程当中得到广泛应用。从试验技术发展来看，其经历了早期是burning技术、常规ESS技术、定量ESS技术、HASS技术、HASA技术等技术的变迁，但不管如何变化，其目的始终不变，即剔除产品早期故障，使产品的使用可靠性接近或达到其设计的可靠性水平（图1的F点和G点）。

图1 筛选剔除寿命期浴盆曲线中早期故障部分示意图

一个使产品在经历了ESS后能达到F点的试验方案是一个有效的试验方案，其试验结果有效。从图1中可以看到，常规产品浴盆曲线中的F点与经过强化后产品浴盆曲线中的G点均是达到预期使用可靠性的点。通常情况下F点可以通过GJB/Z34中的试验方法得到，但该方法仅适合大批量或有特殊要求的产品，而G点可以采用加速筛选的概念，使产品在最短的时间达到使用可靠性的要求。两种不同的试验方法均可得到相同的筛选效果。

图2 影响ESS有效性的鱼刺图

环境应力筛选的有效性，简单的说就是“在一个生产周期内，通过对产品施加合适的应力，在最短的时间内，使有缺陷的产品最大数量的失效并被剔除出去”。达到了这个目的，该试验方案就是有效的试验方案，而试验方案的执行效果就应该是最能体现筛选有效性的F点或G点。而实际情况并不是这样，这是因为影响ESS有效性的因素很多，这些因素如果没有妥善处理好，将影响ESS的效果。

影响ESS有效性的因素主要来自于筛选度、检测效率与工程管理。前两者的乘积是筛选检出度[1]。对于筛选度来说，其因素组成主要有温度循环与振动；对于检测效率来说，其因素组成主要有电应力与检测设备；对于工程管理来说，其因素组成主要有标准作业指导书与试验工艺、过程控制、夹具设计与应力响应分析。在后续的章节中对这几个因素分别探讨。

1 与筛选度相关因素带来的影响分析

电子产品的故障均服从于耐环境强度“干涉”理论。如果产品耐受使用环境强度的能力小于使用环境应力，则产品将发生故障。据统计，产品故障中温度环境占40%，振动占27%。通过设计合理的温度和振动应力组合可以有效剔除产品大部分潜在缺陷，因此，无论是现在使用的ESS 方法，还是新兴的HASS或HASA方法，主要使用都是温度循环应力和振动应力。

1.1 温度循环应力

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以及循环次数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，增加热应力；而循环次数的增加则能累计这种激发效应。故，加大上述三个参数中任一参数的量值均有利于提高温度循环筛选效果。其筛选度计算公式如下所示：

SS=1-exp{-0.0017(R+0.6)0.6[ln(e+v)]3* N }

式中，R -筛选的温度范围，v-温度变化速率，N-循环次数。

表1 是按上述公式计算的结果

（1）温差越大、温变速度越高、循环数越多，其筛选度越高。

（2）在几种组合方案中，几种不同的筛选方案可以得到相同的筛选度。

这里需要注意的是：当温变率越高时，在温升时产品上的凝露现象越严重。通常采用通干燥风或氮气的方法来解决这一问题；同时，应尽量确保温度应力是直接作用在产品的电子部件上。

1.2 振动应力

GJB1032规定ESS筛选的振动应力一般施加在温度循环的两头，即在温度前后分别施加一次振动应力。与振动应力相关的主要参数是振动轴向、振动谱型、振动量值、振动时间等。

（1）振动轴向：一般选择产品的敏感方向作为施振轴向。在实际操作中，对于组成复杂、器件安装密度高、封装形式多样、尺寸重量差异较大的产品，为保证筛选效果，应尽量考虑在三个轴向上依次或同时进行振动筛选。三轴同时振动的方式最为严酷，也是最为真实的模拟产品的使用环境。图3是一种三轴同时施加振动的一种振动台。

图3 三轴向振动台

（2）振动谱型：随机振动是在很宽的频率范围上对产品施加振动，产品在不同的频率上同时受到应力，使产品落在频段范围内的共振点同时受到激励。这就意味着具有不同共振频率的元部件同时在共振，从而使安装不当的原件受扭曲、碰撞等而被损坏的概率增加。因此，振动的谱型一般选择GJB1032中的随机振动谱。当有特殊用途时，也可采用产品进行功能振动时的谱型。

振动量值与振动时间：这两个因素在GJB/Z34中明确指出，是与筛选度密切相关。从下面的公式中可看到，振动量值越大，振动时间越长，产品的振动筛选度越高。

这里需要注意的是：振动是一种可加速的应力，其高量值与低量值在振动时间上有等效的计算公式。同时产品交付用户使用时，期望达到F点而不是过F点。因为过了，将会牺牲产品的使用寿命。

小结：与筛选度相关影响因素主要体现在试验方案的设计上。ESS试验在本质上来说就是一个加速试验，其目的就是通过筛选找到F点。因此，为达到筛选的有效性，在试验应力的类型与量值的选择上可以不局限于产品的实际使用环境。同时，用户的反馈也是试验方案需要调整的原因之一，一个在筛选过程中从不暴漏问题但总听到用户抱怨、或筛选时总是故障不断的试验方案都不是一个有效的试验方案。

2 与检出效率相关因素带来的影响分析

检出效率是筛选的重要因素。施加的环境应力把潜在缺陷变成一个明显的故障后，剔除故障的能力仅取决于测试仪表寻找故障并加以定位的能力。因此，应尽可能采用检测效率高的测试仪表。需考虑两个方面：电应力、检测设备的自动化程度及测试覆盖的全面性。

2.1 电应力

筛选中是否通电和进行性能检测要视具体情况而定。一般来说，应尽量通电并进行性能检测，特别是当电应力本身能激发某些缺陷使之发展为故障时，如有可能，建议考虑施加拉偏应力。如在试验方案设计上即可以设计成在每个循环的低温启动时施加低拉偏电应力，在高温工作时施加高拉偏电应力；也可考虑在不同的循环段按低电应力、正常电应力、高电应力分别施加。需注意的是，由于环境应力筛选提高的是产品的使用可靠性，不是固有可靠性，故电应力的施加通常是在产品的设计初期，可靠性增长试验之前进行。

2.2 检测设备

没有检测的ESS试验，只能在试后进行外观等方面的检验，筛选效率较低。对航空电子产品来说，试验中的加电检测是必须的，且对检测设备有较高的要求。如自动化程度高，有自动记录与自动判别功能，当产品出现问题时，能自动报警等。检测设备做的好的，甚至可以做到在现有实测数据与历史实测数据之间进行对比，以便发现产品性能参数的实测值与标称值的差值变化是否有不良规律，这样可以反馈到相应的生产环节进行修订。同时在软件上，测试的覆盖性是一个相当重要的一个环节。覆盖性低的，有可能产品的软缺陷已被激发，但检测设备会报产品工作正常。如某芯片在试验后发现有一个管腿在焊接过程中未焊好，试验后已脱焊、悬空，但产品加电检测正常。如果该产品在外观检时没有发现该问题，则产品会交到用户处，该现象会导致整个芯片焊接强度的下降，将产品失效的风险留给了用户。

小结：与检测效率相关的影响因素，对电子产品来说主要体现在检测设备的自动化程度与测试的覆盖性上。自动化程度越高，越能减少因人员变化带来的差异影响；覆盖性越大，越能将已筛出故障的产品暴漏出来。由于牵扯到费效比，因此，在合理的情况下，尽量做好检测设备。

3 与试验工程管理相关的因素带来的影响分析

ESS试验是一个工程性试验，在产品的设计阶段，其主要职能是尽量暴漏设计问题；在产品的生产阶段，主要职能是尽量暴漏产品生产的工艺问题。在整个ESS试验周期内，其业务范围包括了筛选规程的编制、检测设备的设计与验证、试验夹具的设计与测定、产品的应力响应分析、不同筛选设备的标准作业指导书、试验过程中的中断与故障的处理等工作。这里面任何地方出现问题，都有可能对筛选试验的有效性造成影响。下面分别叙述：

3.1 标准作业指导书与试验工艺

该部分的两个环节，是具体指导筛选实施的要求。

（1）试验工艺：试验工艺是对筛选大纲具体执行的诠释。其将已确定的试验条件、应采用的筛选设备的类别与特性、检测设备的操作步骤、产品在不同设备中的安装连接方式与要求、各种传感器的布置位置、检测的项目内容与格式记录等内容固化，以确保每次ESS试验效果的一致性；

（2）标准作业指导书：由于每台筛选设备的特性存在个体的差异性，因此，应清楚的了解每一台筛选设备特性，以便在执行筛选时不会有差错。如对于快速温度变化箱来说，温度范围、有效容积、温度偏差位置的变化、进风与出风的方式、带热负载的能力等就是关键指标，应在指导书中进行标示以减少筛选执行上的偏差。

3.2 过程控制

该部分包括了产品的预处理、筛选试验的实施及实施后报告的编制。这里，仅对容易出问题的几个环节进行叙述。

（1）产品的预处理：试验前可通过红外热像仪对产品的发热情况进行测量，将发热量大的部位放在风向的末端；对于整机产品来说，要开盖后进行试验（能开的尽量打开），便于空气流通；对于模块产品来说，如果无测试机箱，则每个模块平铺在箱内同一层上（尽量与风向垂直）。如果有测试机箱，则测试机箱要多开孔，且机箱的开孔部位最好与模块平面垂直，便于空气的流动。

（2）产品的摆放位置：被试产品必须摆在支架上，产品与试验箱底部、顶部及四周箱壁之间有足够的间隔距离，保证气流能在产品之间、试验产品与箱壁之间自由循环。单台产品摆放在箱子的有效容积的中间；多台产品摆放时，除要遵循产品体积应小于箱子容积的1/10外，还要考虑产品最好是平铺在一层的限制，以避免产品之间的相互影响。如果产品之间在空间投影有叠放，则当箱内的循环风从吹过时，先吹过的产品的迎风面与后吹过产品的背风面之间的温度差往往会有较大的温度差。

（3）振动筛选的控制方法有单点、多点平均和最大值控制法等多种不同方式，它们都会产生振动控制信号，产品响应会造成较大差异，可能还会造成过应力或者欠筛选。通过振动响应分析之后应该固化振动控制方法和控制点的安装位置（包括固定方法），必要时还应该确定传感器的类型。

（4）不同夹具的振动传递率各不相同，对于同样的产品应该使用同一种夹具进行筛选。不同的安装方式也会影响到振动传递率，每次筛选都应使用同样的安装方式。

（5）产品在进行ESS试验时，不可避免的会遇到各种中断，当确认是因来自试验设备本身或其周边环境（如水、电、气等基础设施）引起的中断时，应在导致中断的因素恢复正常后或采取更换试验设备的手段确保试验继续进行；当中断已确定不是因试验设备引起的时，应先记为“故障”并上报，当故障审查小组确定中断是因产品本身引起的，则故障确定，试验停止，故障产品进行返工处理。

这里需特别注意的是引起中断的原因是检测设备引起的，除对检测设备进行维修外，还需要对其可能产生的历史影响进行分析。

3.3 夹具设计与应力响应分析

该部分包括三部分工作：振动夹具测定，产品的温度敏感点测定与监控、产品振动响应分析。

（1）振动夹具设计与测定：夹具的作用是将振动能量不失真地传递到受试品上。夹具设计应考虑如下因素：产品在夹具上安装方式应与实际安装方式相同、产品的安装数量、夹具在振动台上安装方式、各类线缆的布置、夹具的加工方式等。生产出的夹具应通过测定来检查其是否会把产品不应受到的应力传递给产品，同时给出振动的最佳控制位置。

（2）产品的温度敏感点测定与监控：通过红外热像仪显示产品的温度敏感点，并在这些敏感点上粘接热电偶，通过温度巡检仪监测产品敏感点在温度应力下的变化，以获得产品在温度下的相关信息。

（3）产品振动响应分析：通过接触式或非接触式振动传感器，获得产品在受到振动应力时的模态，在关键点上粘接传感器，以获得产品在振动下的相关信息。

小结：与工程管理相关的影响因素，对电子产品来说主要体现在筛选实施过程中的方方面面。从具体产品筛选工艺的制定，到产品与夹具的测量，到整个筛选过程中的执行，都需要有标准流程指导，这样最后筛选的效果才能得到保障。

4 结论

（4）试验工程的有效管理是实现ESS试验有效性的保障。

综上所述，一个有效的ESS试验需要在多方面进行关注，这是一个长期的、协同配合才能达到的效果。归纳以下几点。（1）一个有效的ESS试验方案是一个动态的试验方案，其应根据产品生产的情况与用户的反馈情况进行试验方案的调整；（2）一个筛选度高的方案要基于产品特点进行设计，而不是仅看试验设备的能力；（3）一台检出效率高的检测设备是剔除缺陷产品的必要条件；

参考文献

[1] GJB/Z34-93,电子产品定量环境应力筛选指南[Z].

[2]田开让.有效的可靠性管理技术[J].电子产品可靠性与环境试验.2001(1):21-24.