航天电子产品环境应力筛选

1、 航天电子产品环境应力筛选 关键词： 上下温试验箱上下温交变试验箱上下温交变箱上下温交变湿热试验箱 W 低温湿热试验箱恒温恒湿箱恒温恒湿试验箱振动台 文章来自宇辉仪器 :/ njyg17 / 环境应力筛选已经广泛地应用丁航天电子产品的研制、 生产和使用阶段。对提高 航天电子产品的可靠性有重要的作用。本文探讨了环境应力筛选的典型应力和注 意的一些问题，论述了筛选中暴露的典型缺陷。 航天电子产品环境应力筛选 摘要：环境应力筛选已经广泛地应用丁航天电子产品的研制、生产和使用阶段。 对提高航天电子产品的可靠性有重要的作用。 本文探讨了环境应力筛选的典型应 力和注意的一些问题，论述了筛选中暴露的典型缺陷

2、。 关键词：航天电子产品；环境应力筛选；可靠性；温度循环；随机振动 Abstract : Environmental stress screen has been widely used in the development, manufacture and usage of aerospace electronic product and it plays important role in the improvement of reliability of aerospace electronic product. The typical stress and some precautio

3、ns in ESS are discussed in this paper. The typical defects found in screening test are expounded. Keywords: aerospace electronic product; Environmental stress screen; reliability; temperature circulation; random vibration 1概述 环境应力筛选(Environment stress screening ) 是一个使用丁研制和生产各个 阶段，为发现和排除不良零件、元器件、工艺缺陷

4、和防止出现早期失效，在环境 应力下所做的一系列试验，其目的是在产品出产前，有意把环境应力施加到产品 上，使产品的潜在缺陷加速开展成为早期故障， 并加以排除，是剔除产品缺陷和 提高产品使用可靠性的一种有效工艺手段。 2环境应力筛选 环境应力筛选可以使用各种环境应力， 但应力的选择原那么是能激发故障， 而不是 模拟使用环境。由丁各种应力的筛选效果差异很大， 一般情况下，假设使用方没有 特殊的要求，环境应力筛选主要使用温度循环和随机振动 2种应力。 2.1温度循环 温度循环是环境应力筛选中最有的筛选应力之一， 其试验主要选择的参数是试验 温度范围、温度变化速率、上下温保持时间和循环次数。这几个参数的

5、组合是否 适当，直接影响到筛选效果，因此针对不同产品的具体情况，如何选择每种参数， 再进行组合 是一项十分关键的工作。 温度范围 温度范围说明了产品在每一个循环中经受的热应力 /应变，它由高、低温极值决 定，选择温度极值的关键是给产品施加适当应力以析出缺陷而不损坏好的产品。 不同的电子产品根据不同使用要求和环境要求，其所用的元器件类型和等级不 同，采用的安装工艺也不同，所以要暴露其潜在缺陷所需的极值温度也不同， 应 针对产品的特点选择合理的上下温试验范围。 通常情况下，根据电子产品中各元 器件的工作温度来确定筛选所用的温度范围的：选取所有元器件高温工作极限 中的最低温度作为温度筛选的上限温度；

6、 所有元器件低温工作极限中的最高温度 作为温度筛选的下限温度。只有这样才不至于因温度范围选择不当而造成不必要 的器件或部件的损伤。在实践中，使用的温度范围根本上在 90 -180C之间，选 取的最小温度变化范围是：组件 125C 通常低温-55C，高温75C,单元 110C 通常低温-40C，高温70C，系统100 C 通常低温-40C，高温60 C。 在上述确定方法的根底上，根据产品的设计能力，选取的温度变化范围尽可能大， 以提高筛选效率。 温度变化速率 温度变化速率通常指的是筛选箱内空气温度变化的平均速率。 升、降温速率的快 慢直接影响到热应力的强度。如果升、降温速率变化过慢，热应力作用得

7、慢，对 一些潜在缺陷缺乏以开展成故障， 所以达不到剔除潜在缺陷之目的； 但是升、降 温速率过快，如以15 C /min或20C /min的速率变化，那么热应力强度是增大 了，但这势必会由于热力学应力作用过大而损伤质量好的器件。 提高温度变化速率可加强产品的热胀冷缩程度并缩短这一过程的时间， 加剧热应 力和应变，因此较高的温度变化速率可以提供更有效的筛选。由于受产品本身的 热容量和热惯性的影响，产生在产品上的温度响应并不都与筛选箱内的温度变化 速率同步，热容量大的产品往往出现明显的温度变化滞后， 尤其是受筛产品质量 大、温度变化速率太高、筛选箱风速慢的条件下，这种温度变化滞后更明显，从 而达不到

8、预期的筛选效果。 对只有少量器件且内部不灌注介质， 外部乂敞开的产品来说，升、降温速率对受 试产品根本一致，不存在缓冲的问题。有些产品结构并不复杂，但组成产品的组 件状态较复杂 如产品外部密封较好，产品内部乂采取各种灌注材料，形成一个 复杂的实体 ，这样的产品升、降温速率的变化对其产品内部的受试器件影响减 小，很可能产品外部温度变化很快，但传递到产品内部就没有那么快。所以说， 不同的产品之间存在一定的差异，这种差异与壳体的厚度、密封性及内部器件的 密集程度、灌注材料有关。 温度变化速率的选择取决于受筛产品的特性， 同时还应考虑筛选设备能力。根据 美国多年的筛选经验，印制板组件组装级的筛选温度变

9、化速率常采用 15 20C /min，单元级的常采用10 20C /min，设备和系统级的常采用10 15C/min。目前国外的高加速应力筛选采用的温变率已到达了 60C/min,但国 内现有的试验设备能力几乎都达不到。研究说明，当风速小于 4m/s时，温变率 大于15C/min,受试样品内部的温度变化就很难跟得上箱温的变化了。国内现 有的温度试验箱的风速一般在1.5 m/s、温变率最大为10C/min。根据产品的实 际情况和现有的试验设备的能力，选取尽可能大的温变率，以增大筛选强度。 筛选箱的风速是影响受筛产品温度响应的重要因素。 大的风速加快了筛选箱内空 气温度的对流速度，保证了受筛产品各

10、组件与筛选箱内空气温度有良好的热变 换，提高了筛选效率。为改善受筛产品的温度响应，可以在组件密度高或热容量 大的 部位安装风扇之类的空气循环系统，提高这些部位的温度变化速率。美国休 斯飞机公司最近的经验说明，对印制板组件组装级筛选时，为使硬件温度紧跟筛 选箱中空气温度变化，组件处的空气速度必须至少为 4.75 m/s。对于风速小于5 m/s的筛选箱，由于受筛产品各组件与筛选箱内空气的热交换较缓慢，筛选时不 宜采用超过15C /min的温度变化速率，过高的温度变化速率反而会使产品的温 度响应变差，降低了筛选效果。 为寻找最正确的温度变化速率，要求对受筛产品进行温度调查，尤其对产品的关键 部位，依

11、据产生在产品上的温度响应结果并结合筛选设备能力进行确定。 循环次数 产品在经受温度循环时，温度的变化使产品内部产生热应力和应变， 当产品内部 存在缺陷时.这种热应力和应变容易在这些缺陷部位集中，激发它们最终诱发成 故障，而温度循环次数的增加那么能累积这种激发效应。 循环次数影响筛选的有效 性和持续时间，从而影响筛选费用。循环次数越多，筛选越彻底。温度循环次数 的选取与受筛产品的结构复杂程度、设计和工艺成熟度密切相关。结构简单的产 品，温度循环次数可适当少些；产品结构越复杂，所需的温度循环次数也就越多。 用于筛选的产品，一方面希望产品内部潜在缺陷尽可能析出， 另一方面乂不至于 过分消耗产品的有效

12、寿命。对印制板组件来说，一般选择为20 40个温度循环， 而对单元和系统来说，常选择为12 20个温度循环。 局、低温保持时间 高、低温保持时间由两局部组成：元器件温度到达稳定所需的时间和在温度极值 下硬件浸泡的时间。对于前者，通常有两种稳定准那么：一种是当产品内响应最慢 的元件的温度与极值温度之差在极值温度的 15%U内时，就认为到达了温度稳 定。另一种是在受筛产品的典型部位安装温度传感器进行温度调查， 当温度传感 器指示值在极值温度的土 2C时，才认为到达温度稳定。为了缩短温度稳定时间， 可采用风速大的筛选箱来筛选，在不影响产品结构强度和各级组件固定连接方式 的情况下，尽可能去除机柜盖子，

13、加快产品部件周围的空气对流速度。对于后者， 即浸泡时间，其目的有2个：保证钎料发生蠕变，这段时间一般为 5 min；完成 功能测试，时间常常大于5 min。因此，对于不需要监测的产品，浸泡时间为5 min, 对于需要监测的产品，浸泡时间那么延长至完成功能测试所需要的时间 (5 min)。 由于保持时间是决定效费比的主要因素， 为到达一个合理的效费比，对受筛产品 进行温度调查是十分必要的。 加电监测是寻找间歇故障的有效方法。单元或系统级产品在筛选过程中通常要求 加电监测，但对印刷线路组件(PWA),由于它们在工作环境中不能作为独立产品 使用，同时通常也不具备功能检测的条件， 一般不加电监测。考虑

14、到加电使产品 产热从而影响温度变化速率，加电监测时机宜选在两个极值温度保持阶段和升温 阶段。在温度循环筛选过程中，增加性能侧试次数可及时发现故障并加以修复， 节省筛选时间，提高筛选效果。 2.2随机振动 随机振动是在宽频率范围上对产品施加振动，产品上所有谐振频率在整个振动时 间内同时受到鼓励，因而能快速析出潜在的缺陷。振动筛选的核心是谱形和总量 值。因此，确定谱形和总量值是确定振动筛选方案的关键。 振动谱型和量值 一个充分筛选的振动频谱应当是宽带的，频率范围常为 20 2000 Hz,必要时可 依据产品情况，将频率范围缩小到100 1000 Hz,以保证受筛产品所有谐振频 率在整个振动时间内同

15、时受到鼓励。常规筛选振动量值一般为 0.04g2/Hz ,加速 度均方根值Grms为6.06g。由于产品中缺陷的析出取决于缺陷处的振动响应， 而不是取决于振动输人，因此为了能将产品中的缺陷很好地析出， 而乂不使敏感 的和关键的元器件以及好的元器件损坏，必须先对产品尤其对振动响应不活楚的 产品进行振动调查，摸活产品对振动输人的响应特性， 包括共振频率、优势频率 和各组件对振动输人的响应情况，再根据产品的振动响应特性来确定振动量值， 以保证振动输人的量值大小既能激发缺陷乂不损坏产品，从而到达理想的筛选效 果。根据经验，元件级、组件级筛选量值通常取 0.04 0.045g2/Hz ,而整机产 品或含

16、有不耐振部件的产品筛选量值一般低于 0.04g2/Hz 通常取0.02 0.04g2/Hz,但具位量值需经过振动调查来确定。 振动轴向和振动时间 随机振动原那么上应在3个轴向进行。但由于产品的结构特点及复杂程度、内部部 件布局以及产品对不同轴向振动的响应程度不同， 振动轴向可以是1个轴向也可 以是2个或3个轴向。一般情况下只选取单一轴向振动即可有效地完成筛选， 但 这一轴向应是最敏感的轴向，析出的缺陷应远大于其它2个轴向，具体振动轴向 需要通过对3个互相垂直轴向进行振动调查，确定产品关键部位的响应，找出最 敏感的轴向，必要时，可以增加振动轴向以使筛选更充分。 振动时间一般为每轴向5 10 mi

17、n,累计不超过20 min。实践经验说明，只要振 动量值适宜，10 min的振动足以析出大多数缺陷。延长振动时间无益于筛选， 反而引起疲劳积累损伤，过多地消耗产品的有效寿命。 1.3筛选度 筛选度是指在产品中存在对某筛选应力敏感的潜在缺陷时， 此缺陷以故障形式显 现的概率。通常采用常规筛选典型应力温度循环及随机振动条件下的筛选度计算 方法。 温度循环的筛选度计算公式为： 式中：一表示筛选度；一表示温度范围；一表示温度变化速率；一表示循环次数。 温度循环的故障率计算方法为： 式中：一表示故障率，单位为次/每循环；一表示筛选度；一表示循环次数。 随机振动的筛选度计算公式为： 式中：一表示筛选度；一

18、表示加速度均方根值； t表示振动时间。 随机振动的故障率计算方法为： 式中：一表示故障率，单位为次/小时；一表示筛选度；t表示时间，单位为小 时。 3环境应力筛选激发的故障模式 ESS乍为一种重要的工艺过程试验，所暴露的缺陷具有明显的工艺特性。 ESS发 现的缺陷大致可以分为工艺缺陷、元器件缺陷和设计缺陷 3类。 工艺缺陷主要是工艺不当造成的，常见的如虚焊、松脱、断裂、开路、短路等； 元器件缺陷主要是元器件本身质量低劣或元器件老练筛选不彻底造成的； 设计缺 陷主要是设计不合理造成的。表1列出了常见的一些典型缺陷及这些缺陷的激活 应力。 表1 ESS发现的典型缺陷 ESS乍为一种重要的工艺过程试

19、验，所暴露的缺陷具有明显的工艺特性。 ESS发 现的缺陷大致可以分为工艺缺陷、 元器件缺陷和设计缺陷3类。工艺缺陷主要是 工艺不当造成的，常见的如虚焊、松脱、断裂、开路、短路等；元器件缺陷主要 是元器件本身质量低劣或元器件老练筛选不彻底造成的； 设计缺陷主要是设计不 合理造成的。表1列出了常见的一些典型缺陷及这些缺陷的激活应力。表 1 ESS 发现的典型缺陷 环境应力 缺陷 环境应力 温度循环 随机振动 温度循环 随机振动 参数漂移 y 相邻元件短路 V 印制板电路短路、开 路 V 相邻电路板接 触 V 线连接不当 虚焊或焊接不 良 V 元件装配不当 V 元件松脱 V 错装元件 y 冷焊接点缺

20、陷 V V 密封失效 y 硬件松脱 V 元件污染 y 有缺陷低劣元 件 V V 多余物 V 紧固件松脱 V .线擦破 连接器不配合 V n线夹断 设计问题 V 导线松脱 V PCB虫刻 V V 4 EES的认识误区 在GJB 1032中将环境应力筛选称为环境应力筛选试验，给人一种错觉就是应力 筛选与其他环境试验一样，是一种以产品通过为目的的试验。事实上， ESS是一 种应用丁工程研制和制造过程中的质量检验工艺， 其在试验过程中希望多出故障 并加以排除，所以应力筛选不同丁试验。因此有必要明确ESS是为提高产品的可 靠性而做的环境应力激发试验工序，而不是环境模拟试验。环境应力筛选激发 试验ESS与

21、环境适应性鉴定试验EQT的比拟见表2。表2 ESS与EQH匕较 工程 ESS EQT 目的 剔除早期故障及元器件、零件、工艺缺 陷 验证产品在规定的环境下正常工 作能力 适用阶段 主要用于批生产阶段、是一种工艺手 段，研制阶段用于可靠性试验前的预处 理 主要用于研制阶段 适用的产品 以电子产品为主、已扩展到机电、光电、 电化学等产品 各类产品 环境应力量值 加速应力、不模拟使用环境，但不应超 出产品工作极限 模拟使用环境的合理极限 环境应力种类 以温度循环、随机振动为主，也可加湿 度、声振、冲击等 气候、力学、生物全部环境应力近 20 种、常用的约 10 种 对故障数要求 希望发现故障 不允许出故障 样本量 100% 抽样 5 EES注意I可题 尽管ESS已广泛地应用在电子产品的研制、生产和使用的各个阶段，但在实际应 用时，必须注意以下几个问题：ESS 一般只用丁揭示并排除早期故障，使产 品的可靠性接近设计的固有可靠性水平, 它只是可靠性增长、可靠性鉴