舰船电子设备高加速环境应力筛选试验方法的探讨

2024-04-26王一飞陈中青孙成黄泳樟刘玉石彭德强

环境技术 2024年3期

关键词：高低温电子设备振动

王一飞，陈中青，孙成，黄泳樟，刘玉石，彭德强

（1.中国船舶集团有限公司第七二三研究所，扬州 225001；2.中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心，扬州 225001）

引言

环境应力筛选是指对产品施加规定的环境应力，以发现和剔除制造过程中的不良零件、元器件和工艺缺陷等早期故障的一种工序或方法[1]。由其定义可见，环境应力筛选是一种工艺手段，其目的是发现和剔除早期故障。

目前，电子设备环境应力筛选主要参照GJB 1032A-2020 《电子产品环境应力筛选方法》和《海军电子装备环境应力筛选实施方法（2006）》中规定的方法进行。

1 环境应力筛选方法现状

对于电子设备，GJB 1032A 未详细划分筛选的层次，但是提出了大型产品应优先在较低的装配级别进行筛选的要求。其筛选应力分为温度循环和随机振动应力，施加顺序为先进行缺陷剔除阶段在进行无故障检验阶段。其中缺陷剔除阶段包括5 min 随机振动筛选和10个循环的温度循环筛选，随机振动一般在温度循环前实施。无故障检验阶段包括10~20 个循环的温度循环和（5~15）min 的随机振动筛选。

《海军电子装备环境应力筛选实施方法（2006）》中详细划分了筛选层次（模块级、单元级和分机（整机）级），并列出了每一筛选层次的项目和参数。①模块级筛选要求温变率不低于15 ℃/min，包括随机振动筛选阶段（水平和垂直两个方向）和温度循环筛选阶段。其中随机振动为每个轴向5 min，温度循环应不低于24 个周期，但不得超过40 个周期。②单元级筛选温变率为不小于5 ℃/min，包括缺陷剔除随机振动筛选阶段（一般为垂直印制板方向）、缺陷剔除温度循环筛选阶段、无故障检验温度循环阶段和无故障检验随机振动筛选阶段。相较于模块筛选，单元级筛选增加了通电的要求。同时，温度循环的保温时间相应增加，循环数相应减少，一般为缺陷剔除10 个循环+无故障检验10 个循环。对于无故障检验随机振动筛选阶段，一般要求连续5 min 无故障可结束筛选。③分机级筛选与单元级基本相同，主要区别为缺陷剔除温度循环为5 个周期，同时保温时间相对更长[2]。

综上所述，现有的环境应力筛选方法是多个筛选阶段的组合，在每个阶段分别施加振动或温度应力。经统计，按照上述环境应力筛选方法的要求，研制阶段或生产初期的分机（整机）产品必须进行（80 ～120）h 的环境应力筛选；批生产阶段，按照简化方案，分机（整机）至少应进行40 h 的筛选，且这40 h 必须是产品连续无故障发生。由此可见，现有的筛选试验周期相对较长。

2 高加速环境应力筛选方法

造成电子产品故障的因素包括温度、盐雾、潮湿、振动、冲击等，但盐雾、霉菌、潮湿等应力导致的故障不是以早期故障的形式表现出来，而是随着时间的推移呈上升趋势，因此不宜作为环境应力筛选的加速应力。而温度应力和振动应力是导致电子产品出现早期故障主要因素，因此高加速环境应力筛选采用温度和振动应力的综合，同时施加电子产品规定的电应力。

2.1 高低温保持温度

高低温保持温度通常是指试验箱内的空气温度，一般情况下高低温保持温度选择电子设备的极限工作温度。在高加速应力筛选中为了缩短温度保持时间，将筛选的温度上下限值在电子产品工作极限温度基础上分别扩展（5 ～10）℃。但扩展后的高温保持温度应不高于电子产品的所有器件高温工作极值中的最低值，扩展后的低温保持温度应不低于所有器件低温工作极值中的最高值[3]。

2.2 升降温速率

在进行温度筛选试验时，试验箱风速一般设定为（2 ～4）m/s。大量试验数据表明，在风速为2.5 m/s 时筛选效果最佳，因此筛选试验通常将风速设定为2.5 m/s。

在试验箱风速设定为2.5 m/s、最大温变率设定为（10 ～20）℃/min 时，筛选效果随着温变率的升高而更显著。在试验箱风速不变，温变率超过20 ℃/min 以后，电子设备自身的温度变化与试验箱设定的温度运行曲线相比有明显的滞后，筛选效果不理想。综合筛选效果，高加速应力筛选一般设定风速为2.5 m/s，温变速率不低于10 ℃/min 但不高于20 ℃/min。

2.3 高低温保持时间

鉴于受结构、尺寸、重量、材料、功率等因素的影响，各个电子设备的热惯性具有一定的差异。因此，不同电子设备的温度保持时间不同，温度稳定时间一般根据温度调查结果来确定。

保持时间的确定还要考虑完成功能测试所需的时间，因此，在高加速应力筛选中高低温保持时间以（60 ～120）min 为宜。

2.4 温度循环周期

鉴于筛选的目的是剔除早期故障。因此，在确定温度循环周期数时需要考虑两方面的因素：一是温度循环周期的设定数不能太少，否则不能将早期缺陷尽可能的剔除出来；二是温度循环周期的设定数也不应太多，周期数太多不仅延长筛选周期，同时可能会对电子设备造成疲劳累积效应。此外，在进行温度循环周期设定时，还要综合考虑电子设备的复杂程度、技术成熟度、设计水平、工艺可靠性等多种因素。具体可根据电子设备的实际情况进行动态调整。例如，对于成熟度较高的电子设备可设定为3 个周期，对于新研设备可设定为5 个周期或更长。

2.5 振动应力

高加速应力筛选中施加的振动应力为随机振动，主要参数为加速度功率谱密度、频率范围、振动轴向、振动时间等。典型的随机振动普如图1 所示。

图1 典型随机振动谱

随机振动筛选应采用图1 所示的振动频谱，频率范围为（20 ~ 2 000）Hz。

1）常规筛选的功率谱密度为0.04 g2/Hz，对应的加速度为6.06 g。高加速应力筛选的功率谱密度可根据电子设备具体情况选择0.04 g2/Hz 或0.05 g2/Hz。

2）随机振动对电子设备会造成疲劳累积，尤其电子设备去除减震器后承受的疲劳强度远远大于实际使用环境，如再随意增加振动时间可能会对电子设备造成过应力损伤。因此，在功率谱密度为0.04 g2/Hz 的条件下，振动时间应不超过20 min[1]。当按此谱形用较低或较高量值进行振动，可按公式（1）计算出等效的振动时间，以保证电子设备不因过应力造成损伤。

式中：

T—等效时间min；

Ti—实际振动时间min；

W0—0.04 g2/Hz；

Wi—所用振动量值，g2/Hz。

3）随机振动一般选取一个轴向施振，对于以印制板为主要内部构成的电子设备，振动轴向应选择垂直于印制板的方向。

2.6 电应力

高加速环境应力筛选与常规筛选施加的电应力略有不同，高加速环境应力筛选中施加的电应力是在低温升温至高温保持过程中满负载通电工作，降温及低温保持过程中不通电。

按照温度循环一次进行上限电压、标称电压和下线电压拉偏。

3 案例

本文以某型舰船电子设备为研究对象，共选取4 套（1#~4#）设备，其中两套（1#、2#）采用常规环境应力筛选方法进行，两套（3#、4#）采用高加速环境应力筛选方法进行。

该设备的高低温极限工作温度为+50 ℃和-10 ℃。选用的元器件中极限高温工作的最低值为+70 ℃，极限低温工作的最高值为-40 ℃。

3.1 常规环境应力筛选条件

常规环境应力筛选的流程如图2 所示。

图2 常规环境应力筛选流程图

根据GJB 1032A 和《海军电子装备环境应力筛选实施方法（2006）》的规定，本次温度循环温度上限为+50 ℃，温度下限为-10 ℃，温变率为5 ℃/min，上下限温度保持时间为120 min，试验中低温升温至高温高温结束通标称电压，共进行5 个故障剔除温度循环和10 个无故障检验温度循环（连续5 个无故障发生则结束），具体如图3 所示。

图3 常规环境应力筛选温度循环剖面

随机振动应力按照图1 的随机振动谱施加，随机振动功率谱密度W 为0.04 g2/Hz，分为缺陷剔除阶段（5 min）和无故障检验阶段（15 min 中有连续5 min无故障则结束）。

3.2 高加速环境应力筛选条件

按照高加速环境应力筛选试验方法确定本次高低温工作极限值分别为+60 ℃和-20 ℃。温度变化率选取15 ℃/min，温度循环周期为5 个周期。根据该电子设备前期温度调查结果，确定高低温保持时间为120 min。

随机振动应力选择图1 的随机振动谱。其中；第1 个温度循环施加的随机振动功率谱密度W 为0.01 g2/Hz，第2 个循环为0.02 g2/Hz……第5 个循环为0.05 g2/Hz，每个循环振动时间均为5 min，振动轴向为沿印制板的垂直方向。按照公式（1）计算，5 个周期随机振动的等效时间为5/64+5/8+5×27/64+5+5×125/64=17.6 min，在（15 ～20）min 内的最佳筛选时间内。

该型电子设备标称电压为220 V/50 Hz，电压变化值为标称值的±10 %，满负载为2 kW。试验中第1 温度循环施加上限电压242 V，第2 循环施加220 V，第3 循环施加198 V，第4 循环施加242 V，第5 循环施加220 V。

按照上述条件，制定的高加速环境应力筛选试验综合剖面如图4 所示。

图4 高加速环境应力筛选综合剖面

3.3 两种筛选方法的对比

经统计，采用常规方法完成两套电子设备环境应力筛选共用时94 h，平均每套用时47 h（温度循环46 h+随机振动1 h），筛选过程中未发生故障。采用加速方法完成两套电子设备环境应力筛选共用时45 h 40 min，平均每套用时22 h 50 min（不含排除故障时间），筛选过程中共出现两个早期故障。

由此可见，高加速环境应力筛选周期缩短至常规筛选的50 %以内，不仅大大缩短筛选周期，同时提高了筛选效果。