基于應力調查分析的環境應力篩選優化方法

文 | 中國船舶重工集團公司第七一六研究所 孫玉玉 陸彬彬 王大兵

基于應力調查分析的環境應力篩選優化方法

文 | 中國船舶重工集團公司第七一六研究所 孫玉玉 陸彬彬 王大兵

文章針對GJB1032-1990《電子產品環境應力篩選方法》提供的環境應力篩選方法在實際應用中的篩選能力不足的問題，介紹了一種基于應力調查分析的優化方法，通過在加固計算機生產中的實際應用，證明此方法對提高產品缺陷篩選剔除率具有非常明顯的作用。

環境應力篩選；優化；加固計算機

自上世紀80年代初，環境應力篩選技術在我國得到應用，取得了較好的效果，特別是國軍標GJB1032-1990《電子產品環境應力篩選方法》[1]的頒布以及國內對環境應力篩選認識的提高，ESS在我國軍工產品的研制生產中應用日趨廣泛，對于提高我國軍工產品的質量與可靠性起到了十分重要的作用。

1.述

目前環境應力篩選技術主要有三種，常規環境應力篩選技術、定量環境應力篩選技術及高加速環境應力篩選[2]。由于定量環境應力篩選及高加速環境應力篩選在我國目前均沒有大規模開展，因此本文所提到的環境應力篩選技術是指GJB1032提供的常規環境應力篩選技術。

1.1.術背景

基于GJB1032-1990的常規環境應力篩選是一得以廣泛應用的成熟技術，已有一套成熟的標準支持。根據相關要求，我單位的所有產品均要進行全數的模塊級、單元級和分機級的環境應力篩選。篩選條件按照GJB1032-90《電子產品環境應力篩選方法》的要求在生產階段對于全數試驗按照簡化方案至少進行40小時的篩選，這40小時必須是產品連續無故障工作時間。目前我單位產品的單元級、分機級環境應力參數見表1所示。

但是，由于所有產品單元級、分機級篩選采用相同的激發條件和方法，沒有具體考慮產品不同的類型、結構及自身的特點，采取有針對性的激發條件和方法，造成產品在經過三級篩選后，依舊存在著效果不佳的情況。雖然篩選過程中能激發出部分制造、工藝等方面的缺陷，但總體來說，產品在現用篩選方法中缺陷排除率相對較低，在使用過程中依然不時地出現早期失效。這種情況的出現，一方面增加了產品的保障費用和生產成本，另一方面，不能保證提交用戶產品的可靠性，降低了產品的競爭力。

為了提高我單位產品單元級、分機級篩選缺陷剔除率，增強產品競爭力，開展了針對某型加固計算機的基于應力調查分析的篩選優化。

2.于應力調查的常規環境應力篩選優化分析

需要指出的是，篩選的有效性取決于產品對振動和熱的響應特性，并不是單純由振動輸入和熱輸入確定的，因此，應當

表1.用篩選循環參數

在充分了解與產品設計極限和工作極限等有關的振動特性和熱特性后再調整篩選應力[2]。基于以上的原則，在開展優化工作之初，首先與產品電路設計、結構設計人員共同完成現用篩選模式下，產品內部相關部件的對熱應力響應、振動應力響應數據及各部分應力變化數據的調查；分析出現用篩選方法的篩選能力；收集該型產品在以往篩選過程中激發的故障數據及提交用戶后的使用故障數據，并綜合分析兩種數據，確定出現用戶故障數據是否有早期失效、現用篩選方法篩選能力是否有提升的空間，與相關設計人員協同研究并提出優化方法，采用優化后的方法進行該型產品的篩選驗證，收集篩選數據并進行分析，判斷優化方法能否最大程度地將提交用戶后的早期失效在篩選過程中加以激發、排除。具體流程圖見圖1。

圖1.于應力調查加固計算機篩選方法優化流程圖

3.于應力調查分析的篩選優化方法

3.1.施方法

以我單位某型加固計算機為對象，通過應力調查，采集該型加固計算機內部的應力響應及分布變化等數據，分析現用篩選方法的篩選能力；綜合收集到的該型加固計算機在篩選中及提交用戶后的故障數據，研究并提出優化方法，通過一定量的該型加固計算機進行驗證。判斷該優化方法是否滿足要求。

3.2.型加固計算機篩選應力響應測量、采集、分析方法研究

環境應力篩選是通過施加加速環境應力，在最短的時間內析出最多的可篩選缺陷。其目的是找出產品中的潛在缺陷[2]。其加速作用是通過施加高于正常執行任務時遇到的環境應力來實現的。

根據該型加固計算機的熱學及力學結構設計的特點，結合用戶故障數據，分別針對篩選過程中的振動輸入及熱輸入，在該型加固計算機內部相關區域布置監測傳感器，收集其振動響應數據及熱響應數據，完成其內部相關區域的溫度應力及振動應力變化、分布圖，實現其內部相關區域的熱學及力學響應特性分析及篩選能力定量評估。

3.2.1.度應力的測量、采集

在開始溫度應力響應測量、采集之前，首先，針對該型加固計算機不同的使用配置，確定出需要測量、采集溫度應力的插件板、聯接件，采集傳感器的類型，安裝安式、響應應力的采集頻率、采集時間及傳感器連接方式等事項。與設計部門技術人員討論、完善后作為溫度類應力響應測量、采集的作業指導書。既要保證應力采集的準確性、全面性，同時又要保證受試設備、采集儀器的安全。

3.2.2.動類應力的測量、采集

在開始振動類應力響應測量、采集之前，同樣，針對該型加固計算機不同的使用配置，確定出需要測量、采集振動類應力的插件板、聯接件，采集傳感器的類型，安裝安式、采集時間及傳感器連接方式等事項，由于篩選采用的是隨機振動，是一種不能用時間的確定函數來描述的振動形式[3]，為了保證數據采集的準確性，必須在采集時遵循一定的法則并采取一些技術措施，以確保獲取數據的真實可信。同樣，需與設計部門相關技術人員共同商討、完善后作為振動類應力響應測量、采集的作業指導書。

3.2.3.應應力分析

將采集到的溫度類、振動類響應應力按插件板、聯接件分別完成最大響應應力、最小響應應力、各響應應力持續時間、響應應力變動幅度、響應應力變化速率等參數的分析計算。將分析計算結果與設計部門的技術人員進行交流，確認是否有過設計的響應應力存在。定量的完成各相關部件的響應應力分布、變化及該型加固計算機內部的應力分布、變化處理結果。

3.3.選效果綜合評估方法研究

環境應力篩選的目的是通過施加一種或幾種規定的應力，將制造過程中引入產品的各種潛在缺陷在出廠前以硬件故障的形式暴露出來并加以剔除，以防止其交付后在使用環境中變成故障，降低產品的使用可靠性[2]。因此，交付使用后早期失效率的高低是環境應力篩選效果的評判依據之一。

收集該型加固計算機在使用過程中的故障數據，統計分析出故障多發部件、故障表現形式、故障原因等數據；同時收集其在試驗室篩選過程中產生的故障數據，統計分析出故障多發部件、故障表現形式、故障原因等。對兩類故障數據進行分析，判斷出試驗室篩選主要缺陷激發類型及缺陷激發不足的部件。結合應力響應測量、采集、分析方法研究給出的定量分析結果，綜合定性得出現用篩選方法綜合篩選效果。具體見流程圖2。

3.4.選優化方法

圖2.固計算機篩選效果綜合評估流程圖

環境應力篩選的目標是通過對產品施加一定的應力，使產品中本來會在壽命早期在使用環境應力作用下以早期故障形式暴露出來的潛在缺陷提前在出廠前暴露出來并加以排除，從而使交付的產品達到設計規定的可靠性水平。因此篩選的優化是以產品設計定型的可靠性水平做為目標。

根據評估的該型加固計算機綜合篩選效果，與設計部門的技術人員協作，以其響應應力實測分析結果為依據，各部件設計的極值為目標，利用應力測量分析技術為手段，對其用戶故障多發部件加大應力，同時，避免響應應力較大的部件出現過應力的情況，分別對傳統篩選方法的溫度應力、振動應力及綜合篩選效果進行優化。采用閉環的方式得出在篩選效率、篩選效果、篩選費用等方面最佳的優化方案。

3.5.固計算機篩選優化方法驗證

優化后的環境應力篩選方法不僅應當在最短的時間內析出最多的可篩選缺陷，同時又不能損壞好的部分或引入新的缺陷。因此，優化后的篩選方法必須經過驗證。

通過加固計算機應力響應實測分析技術，對篩選優化方法的響應應力進行測量，分析，以篩選實測時傳感器的布點為依據。采集優化方法的各測量點的響應應力。完成優化方法各部件的溫度應力及振動應力變化、分布數據及定量的評估結果。并完成優化篩選后加固計算機的可靠性驗證試驗，評價可靠性是否滿足鑒定指標。

表2.選優化后循環參數

4.用及效果

目前使用的篩選方案溫度變化速率為5℃/min，由于該型加固計算機外表鑄件，近乎于密封，經測量設備內部的溫度變化速率遠遠小于5℃/min，只有1℃/min～3℃/min，只有整機外表面是在進行5℃/min溫度循環；且設備內部遠沒有達到篩選規定的上、下限極限溫度，對于設備內部各功能部件其實是在進行高溫試驗和低溫試驗。篩選的作用被大大減弱了，沒有起到篩選的作用。

根據溫度循環篩選度計算模型公式[4]：

篩選度 ss=1-exp{-0.0017(R+0.6)0.6[ln(e+V)]3n}

式中， 為溫度變化范圍； 為溫度變化速率； 為循環次數；為自然對數的底。可知，溫度保溫時間在篩選度公式中沒有出現，對溫度循環篩選度沒有直接作用，因此只要加固計算機內部達到溫度穩定即可。再者由于加固計算機外表面為鑄件，可以承受較高的溫度，可以考慮減少保溫時間，增加溫度范圍，同時利用特定遮擋板改變局部的循環風向，加強篩選薄弱部件的風速，增強篩選能力，減弱響應應力較強部件的循環風速等措施后。經過多次應力實測分析，經設計部門技術人員討論，最終的優化后溫度循環參數見表2。

同樣根據隨機振動篩選度計算模型公式[4]：

篩選度 ss=1-exp(-0.0046(Grms)1.71t)

可見對隨機振動篩選度起作用的主要是均方根加速度Grms和振動時間t。但經過對加固計算機的隨機振動響應實測發現，雖然機箱外表面的振動響應應力為6.06Grms,但其內部插件板的響應應力大于6.06Grms。因此只能考慮增加振動時間。另一方面，由于加固計算機內部不是所有的插件板都是一個方向安裝，即使一個方向安裝的插件板也由于其元器件不是同方向安裝，因此考慮可以增加振動軸向。經過多次應力調查分析，經與設計部門技術人員討論，最終優化確定的隨機振動參數見表2。

采用以上的篩選參數，到目前為止，已有近百臺的該型加固計算機采用優化后的篩選方法進行了出廠前的環境應力篩選。近一年來的用戶數據收集，早期失效故障同比大幅度減少。同時，先后進行了四次可靠性驗證試驗，試驗過程中受試樣機均沒有發生故障，其MTBF真值的單邊置信下限值均達到產品設計目標值。因此，在不改變失效機理的前提下，通過有針對性的應力調查分析，增加應力強度，對于改變目前常規環境應力篩選能力不足的問題，是一種可以考慮的方案。

[1]GJB1032,電子產品環境應力篩選方法[S]，1990

[2]祝耀昌，環境應力篩選技術及其應用和發展綜述[J].航天器環境工程，2007，24（4）：191-193

[3]戴詩亮，隨機振動試驗技術[M]，清華大學出版社，1984

[4]何國偉，戴慈莊，可靠性試驗技術[M]，國防工業出版社，1995

The Optimization Method for Environmental Stress Screening Based on the Stress Investigation and Analysis

As for the deficiencies in the application of the environmental stress screening by GJB1032《Environmental stress screening process for electronic products》,this essay aims to introduce an optimization method for environmental stress screening based on the investigation and analysis. This method has proved quite effective in improving efficiency of screening return rate for product defects, by means of ruggedized computer the application to the practical use.

environmental stress screening；optimization；ruggedized computer

孫玉玉 男 1980年生，山東招遠人，中國船舶重工集團公司第七一六研究所檢測中心工程師，長期從事電子設備可靠性工作。