电子产品环境应力筛选的研究与优化

王莹 罗玉萍 彭申

摘  要：在电子产品的研制生产过程中，通过进行环境应力筛选试验来剔除产品的早期故障，是一种行之有效的提高产品质量与可靠性的重要措施。本文简述了电子产品环境应力筛选的概念，分析研究了常规环境应力筛选的试验方法以及典型环境应力。同时，通过探究温度变化速率对温度循环筛选度的影响，提出环境应力筛选的改进方案，可以有效提高环境应力筛选的效率，具有较高的推广价值。

关键词：环境应力筛选;温度循环;温度变化速率

中图分类号：TN06     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0028-03

Abstract：In the development and production of electronic products，it is an effective and important measure to improve product quality and reliability to eliminate the early failure of products through environmental stress screening test. This paper introduces the concept of environmental stress screening for electronic products，analyzes and studies the test methods of conventional environmental stress screening and typical environmental stress screening. Meanwhile，by exploring the influence of temperature change rate on temperature cycle screening degree，an improved scheme of environmental stress screening is proposed，which can effectively improve the efficiency of environmental stress screening and has a high popularization value.

Keywords：environmental stress screening;temperature cycling;rate of temperature change

0  引  言

众所周知，电子产品的可靠性是设计进去的，制造出来的。在设计出高可靠性产品的同时，为提高电子产品的使用可靠性，就要在制造过程中执行严格的质量控制，采取有效的可靠性管理手段，对电子产品进行环境应力筛选（ESS），通过施加合理的环境应力，积极、主动地暴露出产品可能存在的设计和工艺缺陷，对产品的早期故障发现并加以消除，是提高产品使用可靠性的重要措施和方法。

环境应力筛选的提出主要源于20世纪60年代阿波罗强化环境试验的总结，经过半个世纪的发展，逐步从国防军工行业拓展至民用行业。我国于1991年颁布了GJB 1032-90《电子产品环境应力筛选方法》[1]，它是常规环境应力筛选，易于掌握和应用，是目前应用最广泛、应用时间最长的筛选类型，在应用中有效地提高了产品的可靠性。本文对常规的环境应力筛选方案进行了研究，并在此基础上，参照GJB/Z 34-93《电子产品定量环境应力筛选指南》[2]，对筛选试验方案的改进进行了探究，旨在提高电子产品特别是武器装备研制和生产过程中的环境应力筛选效率，降低成本。

1  环境应力筛选简述

在电子设备生产和制造过程中，由于经历大量复杂操作工艺或误用了不合格元器件，引入了各种潜在缺陷。虽然产品的固有可靠性基本上是设计出来的，环境应力筛选作为一种有效的可靠性保证措施，在生产期间剔除各种潜在缺陷，可以有效降低制造过程中导致的可靠性下降的概率。

环境应力筛选试验属于可靠性试验的一种，为电子产品实施环境应力筛选，是通過向产品施加的合理的电应力和环境应力，将电子产品内部的潜在缺陷加速变成故障，并加以发现和排除的过程，又不致影响产品正常性能和寿命的一种工艺手段。

对环境应力筛选发现的故障加以分析，能够发现其暴露出的缺陷具有典型的工艺特性，主要包括不良元器件、设计缺陷、制造工艺缺陷和其他原因引入的缺陷造成的早期故障。将这些故障剔除在生产过程中，解决在出厂之前，避免装机后出现故障而影响产品的正常使用。元器件不良缺陷是指在电子产品的生产中引入了不合格的元器件，该缺陷可以通过选用更高质量的元器件，通过彻底的老化筛选加以避免;设计缺陷主要是源于不当的产品设计;工艺缺陷主要是工艺不当造成的，如断裂、虚焊、短路、松脱等。环境应力筛选对于有潜在工艺、设计等缺陷的产品能诱发其故障，对于不存在缺陷而性能良好的产品是非破坏性试验。

环境应力筛选的对象主要适用于电子产品，一般对电子产品的元器件级、电路板级、部件级和系统级以及备件层次尽可能100%进行环境应力筛选。根据环境应力筛选机理和产品的可靠性标准的要求，常规环境应力筛选试验方法一般选取GJB 1032所推荐的方法和选用典型的环境筛选应力。

2  常规环境应力筛选试验方案

在环境应力的选择上，环境应力筛选是为了激发产品中的潜在缺陷发展成故障，因此不必复现使用中可能遇到的各种环境和电磁应力，常用的典型应力类型一般为随机振动、温度循环、电应力，环境应力量值也以能析出故障但不能损坏产品为原则，施加应力的次序一般为振动-温度-振动。下面介绍电子产品环境应力筛选的试验程序中的典型环境应力，温度循环和随机振动试验条件。

2.1  温度循环试验方案

表征温度循环的基本参数如下，温度循环剖面图如图1所示。

（1）高低温极限值（高低温设定值）：指试验箱内的空气温度，上限温度（Tu）和下限温度（TL），一般取高温工作温度和低温工作温度;

（2）高低温保持时间：高温保持时间（tu）和低温保持时间（tL），一般取电子产品的温度稳定时间;

（3）温度变化速率（V）：5℃/min;

（4）电应力：从低温升温开始直至高温保温结束，通电并检测性能，其余时间断电。

2.2  随机振动试验方案

随机振动试验要求如下，随机振动功率谱密度如图2所示。

（1）施振轴向：取设备的实际安装重力垂直方向为施振方向;必要时亦可增加设备中垂直于印制板板面的方向;

（2）电应力：施振期间，通电对受试产品的机械结构和电性能进行监测;

（3）安装方法：产品在进行随机振动筛选时，应除去外部减震装置，将直接安装在振动台上。

3  环境应力筛选的优化

3.1  改进理论基础及依据

上文章节2介绍的常规环境应力筛选是根据典型的筛选应力和GJB 1032制定的，其筛选的方法和环境应力是凭经验确定的，不要求将筛选结果与可靠性目标和成本阈值建立定量关系，仅以筛选出早期故障为目标，因此对常规筛选试验方案的改进值得探究。温度和振动筛选出缺陷的比例，温度约占80%，振动约占20%。因此，本文基于常规环境应力筛选的温度循环试验方案进行改进，以提高环境应力筛选试验效费比。

在温度循环的各参数中，对筛选效果影响最大的是温度变化速率（V）、温度变化范围（R）和循环次数（N）。增大温度变化范围能加强产品的热胀冷缩程度，增强热应力;循环次数增加则能累积热应力的效应。温度变化速率是指试验箱内空气温度变化的速率的平均值。温升、温降的速率快慢直接影响到对此产品产生的热应力学作用的强度。如果温度变化速率很慢，再加上产品本身的热容量和热惯性的影响，使得产品温度变化滞后，不足以激发产品的潜在缺陷发展成故障，导致达不到预期的筛选效果;但是如果变化速率过快，热应力强度增加的幅度超出产品所能承受的范围，则可能损伤产品中质量好的器件，起到相反的效果。因此，要根据产品的温度响应结果，并考虑筛选设备的能力，合理选择经济有效的温度变化速率。

所以，环境应力筛选的上、下限温度仍然取产品的高温工作和低温工作极限温度，在保持筛选度不变的前提下，通过增加温度变化速率能够缩短温度循环试验的试验时间，直接提高电子产品的环境应力筛选效率和产品的试验吞吐能力，进而缩短产品研制与生产周期。

3.2  温度循环筛选度的计算

筛选度（SS）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，筛选度是衡量环境应力筛选（ESS）的重要指标。因此，如果两种筛选的筛选度相等，那么在析出故障的概率意义上（筛选的目的正是为了将潜在缺陷激发为故障），二者是等效的。温度循环的筛选度计算见式（1）。

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

式（1）中：R表示温度变化范围，取产品高、低温工作的上下限;V表示温度变化速率，取5℃/min;N表示循环次数，取10次。

下面根据式（1）进行筛选度的计算：温度变化速率5℃/min，循环次数为10次时的筛选度SS1，温度变化速率10℃/min，循环次数为N次时的筛选度SS2，分别代入式（1），令SS1=SS2，求得N=5.19。即将温度变化速率由5℃/min提高到10℃/min，循环次数即可由10次降到5.19次。考虑到筛选的便利性，这里向上取整，取6个循环。试验时间比原来节省了40%。从另一个角度讲，利用式（1）计算可知：温变速率为5℃/min，循环10次时筛选度为：90.05%;温变速率为10℃/min，循环6次时筛选度为：93.06%;可以看出，理论上进行改进后，筛选度将由90.05%提高到93.06%，也即改进后的筛选条件，析出故障的概率更高一些，更利于保证产品质量。

3.3  工程应用情况

美国国防部在总结吸收原标准MIL-HDBK-2064在执行过程中的经验及教训后，于1996年颁布了取代原标准的新指南MIL-HDBK-2064A，新標准中的一个重要变化就是对筛选应力的要求加强，温度循环的温变速率由5℃/min提高至10℃/min。在国内，北京强度环境研究所，已对GJB 1032进行修订，将温变速率提高到10℃/min。我国自1980年起开展环境应力筛选技术的研究和推广，大量的电子产品特别是武器装备已将环境应力筛选作为验收的一部分，对电子产品进行了不同层次的环境应力筛选，在多个武器装备型号的研制过程中取得了良好的效果。国内某研究所在某型雷达中进行了温变速率为10℃/min的筛选，取得了良好的筛选效果。国内某公司也将产品筛选的温变速率提高到10℃/min，有效提高筛选的数费比。多个产品的工程实践应用表明，环境应力筛选的改进方案是有效的。

4  结  论

对电子产品实施环境应力筛选试验，向电子产品施加合理的温度应力、振动和电应力，发现和消除电子产品的早期故障，用以提高产品的使用可靠性。本文对GJB 1032所推荐的常规环境应力筛选方法和选用的典型筛选应力进行探究，在提高温度变化速率方面对典型的环境应力提出改进的方案，对于可靠性要求高、生产批量大的电子产品，节省研制和生产过程中所需的筛选时间，降低试验成本，提高环境应力筛选效率，具有较高的推广和实用价值。

参考文献：

[1] GJB 1032-90，电子产品环境应力筛选方法 [S].国防科学技术工业委员会，1991.

[2] GJB/Z 34-93，电子产品定量环境应力筛选指南 [S].国防科学技术工业委员会，1993.

作者简介：王莹（1988.10-），女，汉族，黑龙江穆棱人，可靠性工程师，本科，研究方向：可靠性领域。