环境可靠性实验室评审常见问题解析

2021-03-22张德平

电子产品可靠性与环境试验 2021年1期

张德平

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610）

0 引言

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。环境可靠性试验是将产品暴露在自然或人工环境条件下经受其作用，以评价产品在实际使用、运输和贮存的环境条件下的性能，并分析研究环境因素的影响程度及其作用机理。其中，人工环境可靠性试验通常包括：高温、低温、温度变化、低气压、太阳辐射、湿热、霉菌、盐雾、酸性大气、流体污染、流动混合气体腐蚀、二氧化硫试验、水试验、砂尘试验、爆炸性大气试验、风压试验、振动和冲击，以及跌落等。

环境可靠性实验室的评审过程中，由于相关人员对中国合格评定国家认可委员会（CNAS）的准则、规则或者相关标准的理解不够准确，经常导致实验室评审过程中出现不该有的不符合项。为了帮助实验室查找和避免类似不符合项，提高其技术能力和技术水平，提升证书报告的公信力，以下结合主要的环境试验标准GB/T 2423 《电工电子产品环境试验》（等同IEC 60068）和GJB 150《军用设备环境试验方法》（以MIL-STD-810 为技术蓝本）要求，对评审过程中常见和典型问题进行解析。

1 设施和环境条件

1.1 外部环境条件

按照GJB 150 标准的要求，试验环境应为温度为15～35 ℃，相对湿度为20%RH～80%RH，试验箱内湿度用水推荐使用电阻率为1 500～2 500 Ω·m。GB/T 2423 中要求的测量和试验用环境条件为温度为15～35 ℃，相对湿度为25%RH～75%RH，大气压力为86～106kPa，湿度用水的电阻率不小于500 Ω·m。

通过以上要求可以发现环境可靠性试验对环境条件的要求不高，评审中出现问题的情形不太多。但部分评审员可能会有较高的要求，在以往评审中曾出现过以下问题：某项按GJB 150 进行的高低温试验中，所用纯净水的电阻率超过了2 500 Ω·m，但未给出条件偏离的说明。如果电阻率偏小，可能是因为水的纯度不够，会对试验结果、试验箱的寿命造成一定的影响，但电阻率高几乎不会有负面影响，只是可能会增加试验成本。但不建议实验室过分追求使用高纯水，原则上符合标准要求即可，如果确实超出上述范围，建议给出必要的说明，以证实对试验结果不会造成负面影响。

另外，高温试验或腐蚀性试验，会产生一定量的有毒有害气体，需要及时地排除。在评审中出现过高温试验室安装的通风设施的排风量不能满足需求，以及工业分析室未安装通风设施，从而导致试验中产生的有害废气无法及时排出的情况。此外，还出现过实验室进行的“盐雾” “耐工业溶剂” 检测场所缺少排风设施，照明亮度不够等问题。这些问题会给实验室评审造成不必要的麻烦，影响评审进程。

1.2 试验条件容差和温度稳定性

相对于较为宽松的外部环境条件，试验箱内的条件容差（允差）、温度稳定性等要求较为苛刻，评审中出现问题的情况也比较多[1]。

a）温度

两个标准均要求要考虑样品周围空气的边界效应，并应保持样品周围温度的均匀性，样品处于工作状态时箱内温度均不应超过规定温度的±2 ℃。样品不工作时其周围的温度梯度不应超过1 ℃/m，且总温差不应超过2.2 ℃。

b）压力

不得超过相关标准规定值的±5%，或±200 Pa，两者中取较大者。

c）相对湿度

不得超过规定值的±5%。

d）振动幅度

正弦为规定值的±10%以内，随机振动按标准具体规定执行。

e）振动频率

不得超过规定值的±2%，低于25 Hz 时，为±0.5 Hz。

f）加速度

误差不得超过规定值的±10%。

考虑样品散热与否， GJB 150 和GB/T 2423 分别给出了较为严格的温度稳定要求。

在实验室评审中，试验条件容差和温度稳定性方面比较容易出现问题，典型的问题主要包括以下几个方面。

a）试验箱因本身质量或其他问题，特别是使用一段时间后，在高温（如100 ℃以上）或低温（-20 ℃以下）工作时，箱内温度不均匀，超过标准规定的温差，影响试验效果。

b）因试验样品需要处于工作状态下进行测量，低温条件下温度梯度不满足要求。

c）振动台安装水平度不符合要求，影响试验效果。

d）试验箱安装处地面/楼面承重不能满足要求，带来较大的安全隐患。

比如普通的高温试验箱，其要求的地面/楼面承重通常应≥300 kg/m2，高低温湿热试验箱更是要求≥500 kg/m2。根据GB 50009-2012 《建筑结构荷载规范》的规定，实验室和办公楼的承重标准值为2.0 kN/m2（即通常所谓的200 kg/m2）。如果实验室本身在设计阶段没有与设计师进行充分的沟通，明确相应区域的用途，设计师未必会主动提升标准（必竟提升标准需要增加成本）。在评审过程中，有经验的评审员会进行现场确认，一旦认定存在问题，整改难度将会非常大。并且在实际的运作过程中也是一个重大的隐患，希望无论是新建实验室还是既有实验室的改造时，都要对此给予足够的重视。

至于振动试验、离心试验等，因为实验室会更为关注，通常反而较少出现问题。

2 计量溯源性

2.1 未能按使用要求的能力范围进行校准

2.1.1 未能覆盖使用要求的上下限或不能体现常用范围、标准范围

未能覆盖使用要求的上下限或不能体现常用范围、标准范围是最常见的问题。根据试验条件的不同要求，试验箱低温极限点可能达到-70 ℃，真空度甚至达10-7Pa。评审中发现，校准未能覆盖试验箱的极限使用要求，或者采用外延推算方式，给试验结果的准确性带来极大的不确定性。或者试验箱的校准证书仅包括部分参数，如仅有80、 120 ℃和相对湿度90%，未包括对应标准要求的温度23 ℃和相对湿度50%等情况。

2.1.2 校准点设置不当

校准点设置不当也属于经常出现的不符合项，国家相应校准标准中对部分试验箱校准时的测试点的位置和测试点的数量都有明确的规定。例如：根据国家计量技术规范JJF 1101-2018 《环境试验设备温度、湿度校准规范》的要求，一般选取环境试验箱的上、中、下3 个校准面进行均匀性校验。以≤2 m3的环境温度箱为例，在环境试验箱空载或负载条件下，在图1 所示的空间平面内均匀分布9 个温度测试点，记录在规定时间内各点温度和箱体中心点的温度，使箱体内的温度偏差、温度均匀度和温度波动度在规定的范围内。但在评审中经常发现校准点位设置偏少，或者位置不规范、描述不清晰和不具有可追溯性等问题。

图1 ≤2 m3 的环境温度箱校准测试布置点位图

2.1.3 对特殊试验箱的校准不规范

对于特殊试验箱的校准不规范现象越来越多，对于有特殊要求的试验箱，或者体积超大的，国家未必制定统一可行的计量技术规范。对于这种情况，需要实验室根据使用要求与校准机构进行沟通，协商采用合适的校准方法，明确校准项目、校准周期，制定校准规范，确保结果有效。评审中发现，实验室对此类情况的管理普遍存在较大的不足，对校准参数、校准周期等不清楚，只是委托外部机构进行了校准。对于校准是否达到了预期目的，无法给评审人员一个合理的解释，更不用说向委托方展示结果的有效性，对于评审员开出的书面不符合项，短期内可能又难以整改[2]。

总结来看，相对普通的试验仪器、设备，环境试验箱属于多参数综合性装置，校准过程中需要细致地分析哪些参数是必须关注的，哪些参数对于试验结果会造成较大的影响，实验室应结合使用要求，与校准机构进行充分的沟通，提出校准要求，选择/制定适宜的校准规范，确保测量结果能够溯源到国际单位制。例如：评审中发现不能提供电动振动试验台传感器的校准证书，不能提供用于高速、耐久性能试验环境温度测量温度显示器的校准证据，未对老化试验箱的空气换气量（8～20 次/h）等非常规项目进行校准，导致被评审员开出不符合报告。

2.2 未进行期间核查工作或核查项目不符合要求，不清楚仪器设备的运行状态

环境可靠性试验箱属于使用频率高、需要无故障运行周期长（连续运行超过2 000 h 不算少见）的试验装置，只进行一年一次或两年一次的校准，并不能保证其持续可信度。评审人员对于试验箱期间核查的疑问，需要实验室相关人员给出足够的证据，以证明对新购买的、运行中存在可疑现象的、校准周期较长、维修后或重要试验前，均进行了必要的期间核查[3]。

2.3 未能按要求参加外部组织的能力比对，检测结果的有效性缺乏公信力

环境可靠性试验的对象是产品，是模拟实际环境可能产生对产品影响的条件。因此它不可能也不能通过中间样品来进行能力验证，而应通过设备本身模拟各项环境参数变化和变化符合样品试验标准的能力，以作为环境可靠性实验室能力验证的方法，这种能力是设备复现和控制环境条件的能力，是考察其能否满足产品环境试验方法所提出的试验需要的环境能力。

在评审过程中发现部分实验室在能够获得参加外部能力验证机会的情况下，未按要求参加能力验证，或者即使参加了，但能力验证的项目与实际的试验能力不相匹配，不能证实其环境试验箱具备满足产品环境试验方法所提出的试验需要的环境能力。

2.4 未对试验设备自带的测量软件、自动测试系统进行验证，无法确认测试结果是否准确

随着技术的进步，为了减少人工记录数据的误差，降低人员工作强度，提高效率，部分新的环境试验设备开始采用自动测试系统，或自带测量软件进行数据记录和处理。对于这部分软件、系统，在正式投入使用前，应通过与其他仪器设备比对、人工测量等方式进行验证，确认其结果准确、有效。

3 实验样品的处置

环境可靠性试验是对样品在不同环境条件下的适应性进行评价，试验样品同样会在一定的程度上改变环境条件[4]。因此，如果样品处置不当，就会直接影响试验结果。特别是最常用的温度试验，无论是高温、低温还是温度循环试验，试验条件都比较容易受到样品的影响[5]。评审员在评审过程中，针对样品处置方面会比较关注，例如：针对散热样品和普通样品在试验箱中的摆放要求如果规定不明确，样品大小与试验箱容积、样品之间、样品与箱壁之间的间隔规定不合理，或者不同样品（如包装和电工电子产品）进行相同试验（如振动）时未按标准要求体现样品和传感器的不同安装方式，相关记录不完整，无法证明试验过程能够符合相关标准的要求等，都可能会形成相应的不符合。

4 结果报告

4.1 报告信息不清晰、结论不准确，直接影响试验室的公信力

环境可靠性试验出具的检测报告，具有一定的特殊性[6]。环境可靠性试验更多的只是提供了试验条件，具体性能参数的检测还需要依托其他仪器、设备。结果报告中缺少其中任一环节的清晰描述，都会形成不符合项。如实验室未对用于样品调温调湿的环境箱进行温湿度的定期核查，会让评审员对试验结果表示怀疑。这就需要试验人员准确地把握所用的环境试验仪器、设备的状态。对于试验过程涉及的所有信息完整、准确表述，特别是综合应力试验时不同应力的对应关系，不同应力组合下样品性能测试结果的信息均要完整记录，最终方可形成正式报告。

4.2 报告中关于测量不确定度的表述存在明显缺陷的问题也时有发生

比较典型的问题体现在不确定度评估报告中缺少对某些不确定度的评定，例如：温升测试方法不确定度评定报告中缺少电源和环境温度等关键不确定度分量；关于高低温试验的测量不确定度评定中存在重复性分量和试验箱温度波动度分量重复评定的错误；类似恒温恒湿箱不确定度的评定中错误地直接使用校准机构对该箱校准时的测量不确定度等。