基于高加速应力筛选的电子产品筛选剖面研究

2023-04-06姚永超

空天防御 2023年1期

诸戈，汤杰，漆斌，郭森，姚永超

（1.上海机电工程研究所，上海 201109；2.上海航天精密机械研究所，上海 201600）

0 引言

随着可靠性试验技术在国内的不断发展和推广，高加速应力筛选［1］（highly accelerated stress screening，HASS）技术也开始进入我国的研究领域［2-3］。但是，目前HASS在国内应用较少，应用领域有限，没有形成设计、制造、使用各方共同研发的局面，导致HASS的推广出现一定的困难。在HASS试验理论发展方面，国内方面主要研究工作还着重于跟踪国外文献资料，尚没有形成完全自主创新的试验理论和技术体系。目前在HASS领域针对产品的试验要求仅规定了固化的一般要求、环境和设备要求以及一般性流程［4-6］，偏向于理论依据，仅为高加速筛选试验涉及到的概念与技术进行了定性的约束［7-10］，但无法确切地给出定量要求。

本文在已有的理论基础上通过具体的电子产品试验进行定量化条件探索，给出电子产品高加速应力筛选的一般性筛选剖面条件，不仅可以增强筛选的针对性，还可以大幅度缩减筛选时间、显著提升筛选效果，从而有效保障了产品的研制进度及交付产品的可靠性。

1 HASS剖面的一般性要求

1.1 剖面组成

试验剖面图由缺陷剔除周期和无故障检测周期共同构成［7］，如图1所示：① 缺陷剔除周期目的是尽可能激发品缺陷；② 无故障检测周期目的是验证筛选的有效性。

图1 HASS剖面组成Fig.1 HASS profile composition

筛选剖面要求为：

a）筛选剖面应依据高加速寿命试验结果以及产品性能测试所需要时间、产品筛选过程中所施加的特殊应力和产品产量等进行选择和确定；

b）筛选剖面由数个在两个极限温度之间的振动等环境应力综合作用的循环周期构成，一般单个循环时间在30～200 min之间。

1.2 剖面设计流程

筛选剖面设计一般应经过初始剖面设计、剖面验证和剖面更改，高加速应力筛选剖面设计流程见图2。

图2 高加速应力筛选剖面设计流程Fig.2 HASS profile design process

1.3 剖面验证

为确保HASS 能够达到预期的效果，需要对筛选产品进行有效性和安全性测试［11-13］。其中：

a）有效性，在每个筛选产品上植入具有代表性的制造缺陷，应用所确定的HASS条件进行HASS，通过测试这几个筛选产品决定是否加严或放宽筛选条件；

b）安全性，评价筛选产品经HASS 后的残余有效寿命，并判断其是否过度消耗产品的有效寿命，如消耗大于产品有效寿命的10%，则需要对剖面进行修正后再继续验证。

1.4 剖面优化

一般采用预先植入缺陷的样本制定和优化HASS筛选方案。

a）将仿真计算得到且再次经过高加速寿命试验（highly accelerated life testing，HALT）所测得筛选的程序的极限值降低作为初始HASS 筛选剖面图的应力极限，然后按照该剖面图反复验证并且保证产品不出现失效。当在筛选过程中有失效情况发生时，可降低筛选量级，再重新选择好的样件反复验证，直到没有失效发生。

b）按照HASS 筛选剖面图对有植入缺陷的样本进行筛选，当筛选过程中充分暴露这些人为植入的缺陷时，确定此时的筛选应力量级作为筛选剖面以保证最后具有足够的筛选效率。

2 电子产品HASS剖面设计

2.1 失效类型

通过电子产品样件的故障模式、影响和危害性分析（failure modes，effect and criticality analysis，FMECA）可知，失效类型主要有4类，分别为：焊点裂纹及脱落、螺钉连接松动、接插件脱落、引脚断裂。他们是电子产品样件的薄弱环节，由此可确定电子产品样件在HASS试验载荷分析及剖面制定时的关键薄弱环节，为HASS剖面的制定奠定基础并可为HASS试验有效性验证提供缺陷植入的依据。

2.1.1电子产品样件的仿真建模

用有限元仿真软件对电子产品样件进行建模与仿真，考虑到研究对象体型较小，内部构造较复杂，采用三维软件进行建模，通过仿真软件接口导入完成整个实体模型建立［14-15］。

电子产品样件由计算机电路板、惯导电路板、引信电路板、电源控制电路板和电气控制电路板等部分组成。因此，对相应的电路板依次进行有限元模型的建立，如图3所示。

图3 电路板有限元模型Fig.3 Finite element model of circuit boards

舱段几何模型如图4所示，主要由各电路板组成，各电路板与结构体之间通过螺栓等连接，再通过螺钉与面板连接，最后通过螺钉与舱壁连接形成舱段级样件。

图4 舱段模型Fig.4 Section model

2.1.2电子产品样件的仿真结果分析

基于上述有限元模型，施加一定的综合环境应力剖面进行仿真分析，舱段整个结构的最大等效Mises应力位于电器控制板的引脚和焊点的接合处，如图5所示。低温时的最大应力213.25 MPa，高温时的最大应力301.59 MPa，其主要原因可能是由于焊点与引脚的热膨胀系数相差较大，从而产生较大的热应力。芯片引脚和焊点接合处是整个舱段的薄弱环节位置，如图6所示。

图5 舱段最大等效Mises应力分布Fig.5 Maximum equivalent Mises stress distribution of section

图6 载荷下最大Mises应力位置Fig.6 Maximum Mises stress position with load

针对舱段样件利用有限元软件进行热振耦合载荷仿真分析，可以得出以下结论：舱段中的电子产品在HASS 试验载荷条件下的变形及应力最大应力响应点位于样件的电感引脚以及OP封装的焊点处。

2.2 HASS剖面建立

基于应力-强度干涉理论，确定应力与可靠性指标之间的关系，为HASS 试验剖面工作应力极限的计算奠定基础。假设应力δ和强度S分别服从某种概率类型的随机变量分布，且相互独立，它们的概率密度函数分别记为f(δ)和f(S)，在坐标系中的表示如图7 所示。强度与应力概率分布曲线干涉区的面积可用于表示零件失效的概率，其面积越小，零件试验可靠度越高。可以看出，由于强度与应力间干涉的存在，任何产品都有出现故障或失效的可能。通过分析产品的应力和强度的分布规律，就能通过可靠性分析方法，得到产品的失效（故障）发生的概率。

图7 应力-强度干涉图Fig.7 Stress-intensity interference diagram

假定相交的区域表示结构可能发生失效的概率，设Z=δ-S，Z为功能函数，则试验可靠度表示为R=P(S-δ)>0=P(S>δ)。

若已知工作应力δ～N(μδ，σδ)，材料强度S～N(μS，σS)，则试验可靠度计算式可表达为

式中：μδ和σδ分别为应力δ服从正态分布的均值及方差；μS和σS分别为强度S服从正态分布的均值及方差；β为可靠性指标，可表达为

在计算完试验可靠度指标后，该R值可通过查阅标准正态分布表得到。

加载低温步进应力工作剖面：常温下开始施加应力，然后温度以每步10 ℃往下降，每步停留10 min，保持期间对产品进行性能测试，直到确定产品的工作温度下限。对仿真结果进行分析，发现电感管脚的应力值最大，采用应力-强度干涉理论计算其不同温度条件下最大应力结果对应的试验可靠度如表1所示。由表1中可知，管脚在-90 ℃时的应力为290.48 MPa，此时对应的可靠度指标为0.885，依据样件的可靠度指标要求，采用可靠度0.9 为阈值，因此选择-80℃为低温工作极限。同理，根据表2 所示，选择130 ℃为高温工作极限。

表1 低温载荷加载应力及对应可靠度值Tab.1 Corresponding reliability value of low-temperature load stress

表2 高温载荷加载应力及对应可靠度值Tab.2 Corresponding reliability value of high-temperature load stress

表3为快速温变加载应力值及对应试验可靠度值，以低温工作极限温度+5 ℃和高温工作极限温度-5 ℃对应工作应力为上下限，温变率以实际试验箱的最快温变率为准，仿真过程中可逐渐调整温度范围。由表3 可知，管脚在125 ℃时的应力为267.39 MPa，此时对应的试验可靠度指标为0.908，当可靠度低于0.9 时，可认为样件易发生失效，因此确定快速温变工作极限的范围为：-75℃～125℃，并根据经验确定温变率为

表3 快速温变加载应力值及对应试验可靠度值Tab.3 Corresponding reliability value of fast-temperature-change load stress

60 ℃/min。

结合温度循环载荷试验仿真分析得到的最大应力结果，基于试验可靠度计算结果，根据表4，取可靠度0.9 对应的循环次数作为HASS 剖面中的温度循环次数，即确定快速温变应力剖面的循环次数为4次。

表4 循环次数对应的试验可靠度Tab.4 Corresponding reliability value of cycle numbers

表5为振动加载应力值。基于可靠度计算结果分析，管脚最大应力为212.89 MPa，对应的可靠度值为0.885，低于0.9的可靠度指标要求，因此依据可靠度指标要求，取大于等于0.9 的振动量级为振动工作极限，即振动工作极限为40 Grms。

表5 振动加载应力值Tab.5 Vibration load stress value

根据上述确定的温度工作极限和振动工作极限，参考HASS 试验国际行业通行方法确定初始剖面参数，如图8示。

图8 初始HASS剖面Fig.8 Initial profile of HASS

温度参数：温度范围为温度上下工作极限的80%，因此，温度循环的范围为-60 ℃～100 ℃，起始温度为室温20 ℃，温变率为60 ℃/min，循环次数为4次，高、低温滞留时间为10 min。

振动参数：振动量级为振动工作极限的50%，因此，随机振动的初始量级为2 Grms，振动量级为20 Grms，滞留时间为整个温度剖面的时间。

2.3 HASS优化确定

在初始HASS 剖面的综合应力条件下，经过应力分析得到电感管脚在初始HASS 剖面下的试验可靠度为0.895，鉴于试验可靠度值低于试验可靠度阈值，进一步对HASS试验剖面进行优化。

电感管脚的可靠度较低，影响因素主要是温度范围，可进一步调整温度范围为-50 ℃～90 ℃，振动应力量级为20 Grm。进一步对其试验可靠度进行计算，在优化HASS 剖面的温度范围下，电感管脚在初始HASS剖面下的试验可靠度为0.908，试验可靠度值满足试验可靠度指标要求，因此确定最终的振动应力量级为20 Grms，温度范围为-50 ℃～90 ℃，温变率为60 ℃/min，循环次数为4次。

综上所述，确定电子产品样件的最终HASS 试验剖面如图9所示。

图9 HASS试验剖面Fig.9 Test profile of HASS

2.4 安全性/有效性验证

在完成测试后，应当再更换新的筛选产品，应用调整过的筛选条件反复验证，如皆未发生因应力不当而被破坏的现象，即可判断筛选剖面有效；反之，则应继续调整筛选方案以获得最佳的HASS筛选剖面。

HASS试验的有效性是指HASS试验剖面能够激发电子产品的潜在缺陷。在该部分的研究中将对已知制造缺陷按照所选择的HASS 试验剖面进行试验，充分说明试验剖面设计的有效性和合理性；同时将HASS 试验结果与现有ESS 试验结果进行对比，确定HASS 试验可激发电子产品存在的潜在深层缺陷，表明HASS试验的优越性。之前确定的主要故障模式包含焊点失效、接触不良、接插件连接失效、螺钉连接松脱等，最终确定植入10 个缺陷，利用所确定的最终HASS试验剖面，经过30次验证筛选试验，每次植入上述的10个缺陷（共计300个缺陷），筛选试验共暴露277个缺陷，故缺陷检出率为277/300=0.923 3。实际的筛选试验结果表明验证剖面对于所植入的缺陷具有很好的激发性，同时也说明设计的HASS剖面的有效性。

HASS试验剖面的安全性不仅要保证试验样件在经过HASS 筛选之后有充分的剩余寿命，而且要保证试验样件自身的功能不受影响，因此对试验样件进行电性能测试来验证HASS 试验剖面的安全性。通过分析HASS 剖面下的可靠性模型为指数威布尔模型，在HASS 试验之后产品的剩余寿命百分数p=0.991 4，认为HASS 试验剖面是安全的。且在HASS试验后，对样件进行结构检查，检测结果显示产品经过HASS筛选试验后，结构无明显损伤，证明了HASS试验剖面的安全性。对比HASS 试验前后试验样件的电性能，试验后试验样件电压信号稳定、无畸变，电性能相差较小，可证明HASS试验剖面的安全性。