電子產品環境應力篩選的技術及實施辦法

肖 偉，徐 斌

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 310012）

電子產品環境應力篩選的技術及實施辦法

肖 偉，徐 斌

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 310012）

環境應力篩選作為裝備研制、生產中的一個非常重要的環節，結合有關標準，對環境應力篩選的作用、方法、裁減、實施辦法等方面進行了闡述和論述。通過本文，使企業能夠了解環境應力篩選的重要性，將此項工作落實到產品的研制/生產過程中，提高產品的可靠性，從而達到提升企業效益。

環境應力篩選；電子產品；可靠性

引言

現代化的戰爭是高科技的綜合協同的作戰，而電子產品在戰爭中相當于人類的頭腦，作為整個戰爭中的中樞指揮、通信系統，這對電子產品的可靠性的要求是非常的高。

電子產品在企業的采購、生產、裝配、檢驗過程中，都能嚴格按照設計圖紙、工藝文件、檢驗規范的要求進行控制。出廠時，產品也是檢驗合格的，但產品用戶使用一段時間后，暴露出來這樣或者那樣的問題，究其原因是很多廠家忽略了環境應力篩選這一重要的環節，不能提前把有缺陷的零部件及生產工藝的問題在企業內部發現。因此，應當把環境應力篩選作為一項重要的可靠性保證措施，在生產中切實貫徹實施，避免或盡量減少生產過程造成的可靠性降低。

本論文主要論述電子產品的環境應力篩選的目的、方法，元器件類的篩選不在本文進行論述。非電子產品目前國內還沒有相應的標準，不做闡述。

1 國內環境應力篩選的有關標準

由于環境應力篩選的作用比較明顯，國防科學技術工業委員會在1990年批準發布了《電子產品環境應力篩選方法》（即GJB 1032），并在1993年又發布了《電子產品定量環境應力篩選指南》，隨后海軍裝備部于2008年發布了《海軍艦艇裝備用加固計算機及外部設備環境應力篩選試驗大綱》，總裝備部陸軍裝備科研訂購部也于2008年7月發布了《軍械光電裝備高效環境應力篩選實施辦法》。

上述的幾個標準，其實都是在GJB 1032的基礎上進行延伸、細化和改進。環境應力篩選經歷了初始篩選、常規篩選、定量篩選、高加速應力篩選四個發展階段。

初始篩選、常規篩選的相關要求可以參考GJB 1032來執行，定量篩選的相關要求可以參考GJB Z 34來執行，高加速應力篩選是一種激發試驗方法，其理論依據是故障物理學，它把產品故障或失效當作研究的主要對象，通過激發、分析和改進產品缺陷以達到提高可靠性的目的。該方法目前國內外還沒有標準，國內正處于探索研究階段，尚未得到實際應用。

2 環境應力篩選與產品的生命周期的關系

大多數電子產品的故障率是時間的函數，典型故障曲線稱之為浴盆曲線，浴盆曲線是指產品從投產到報廢為止的整個全壽命周期。曲線的形狀具體詳見圖1。

一般產品若按設計圖紙選料和制造，理想中硬件的強度多為由正常群體所構成的單峰分布，然而在實際制造時，由于材料、零組件的質量不穩定，以及制造過程中生產人員素質不一、人為疏忽、或突發狀況等因素造成的工藝水平不良，而產生一些帶有缺陷的產品，在正常群體中混合了一些早夭群體或畸形群體，使產品的強度力分布呈雙峰或多峰分布，如圖2所示。

如果我們把“浴盆曲線”的早夭失效期部分進行放大，將會得到圖3。

通過上圖可以看出，早夭失效期的產品缺陷共分為三類：

1）功能缺陷

此類缺陷是由于生產過程中材料或工藝不良而產生、能夠以一般簡單的功能測試發現的產品缺陷。

2）潛在缺陷

此類缺陷也是由于生產過程中材料或工藝不良而產生，但必須要由外加的應力，才能加速使失效提早曝露出來的產品缺陷。

3）可靠性缺陷

此類缺陷在設計之初就引入，隨著使用時間的推移，缺陷暴露的也越多。這類的缺陷只有通過不斷的驗證、改進才能消除。這類缺陷的改進所花費的周期、成本是非常巨大的。

圖1 浴盆曲線

圖2 產品失效概率和時間圖

圖3 早夭失效期放大圖

第一類缺陷在需加強企業內部的工藝控制和檢驗力度，能夠在短時間內提升這類缺陷的發現率。第三類缺陷須依靠改進設計，提高產品的可靠性，才能降低其發生的概率。

第二類的缺陷，如果企業能根據自身的工藝水平、產品質量水平，制定出切實有效的環境應力篩選方案，并根據篩選暴露出來的問題原因，反推設計、工藝等方面改進，使后期使用的故障提前暴露，從而使出廠的產品質量穩定。這就是環境應力篩選最主要的目的。

3 基本程序

環境應力篩選通過一定的振動應力、溫度應力施加，讓產品提前暴露缺陷，這些是一般的檢驗所無法實現的，因此，環境應力篩選可以看作是質量控制檢查和測試過程的延伸。

一般來說篩選振動可以激發產品的20 %的缺陷，溫度循環可以激發產品的80 %的缺陷。各種篩選能發現的典型缺陷，如表2。

無論是篩選振動還是溫度循環，各個篩選試驗的步驟都包含了故障剔除和無故障檢驗兩個部分：

1）缺陷剔除試驗

試驗產品在施加規定的隨機振動和溫度循環應力期間，對發現的所有故障都必須詳盡的記錄并加以修復。在隨機振動是出現的故障，應立即停止振動，對故障產品進行原因分析并排除故障；在溫度循環試驗時出現的故障，每次出現故障后，應立即中斷試驗，排除故障后再進行試驗。

隨機振動因故中斷后再重新進行試驗時，中斷前的試驗時間應記入試驗時間，如缺陷剔除階段的隨機振動原本計劃是5 min，在第2分鐘產品出現異常，停止試驗進行產品的排故，修復后只需要再進行3 min的隨機振動即可；而溫度循環則需要扣除中斷所在循環內的中斷前的試驗時間，如缺陷剔除循環已經進行了20 h，還有20 h試驗結束，因產品排故耗時了30 min，則產品修復后只要再進行20 h30 min的缺陷剔除循環即可。

2）無故障檢驗試驗

本試驗的目的在于驗證篩選的有效性，所施加的應力和缺陷剔除試驗相同，所不同的是本階段的篩選振動時間增加到最長15 min，溫度循環時間增加到最大80 h。

一個完整的環境應力篩選，主要包括以下幾個步驟：

1）篩選振動（缺陷剔除）

受試驗設備（振動臺）的限制，早期的篩選振動是以“定頻掃描”、“正弦掃描”為主，但在裝備的實際使用過程中，完全的正弦振動碰到的時機非常少，因此現階段的篩選振動都改成隨機振動（現階段在海軍艦艇裝備用加固計算機及外部設備環境應力篩選試驗大綱對顯示器及機電一體化產品，還存在正弦篩選振動）。標準的隨機振動圖譜如圖5。

缺陷剔除篩選振動要注意以下幾點：

①篩選振動前，必須對產品進行檢測，確認產品處于正常狀態。

②將產品直接安裝在振動臺上，或者通過工裝/夾具安裝在振動臺上，進行垂直/水平方向的篩選振動。（要確保工裝/夾具不會放大/減小篩選振動的實驗量值和頻率。）

③篩選振動過程中，如果要加電檢測，電應力應該為標稱電壓。

表2 各種篩選能發現的典型缺陷

圖4 環境應力篩選步驟

圖5 隨機振動篩選圖譜

2）溫度循環（缺陷剔除和無故障檢驗）

對于無冷卻系統的電子產品，在升溫和高溫保持階段，試驗產品應通電；在降溫及低溫保持階段，應斷電。對于有冷卻系統的電子產品，試驗時應同時將冷卻介質進行溫度循環。

影響篩選結果的主要參數為溫度變化范圍、溫度變化速率及循環次數。篩選溫度時間歷程考慮受篩產品通電和不通電兩種情況。

溫度變化范圍，一般情況下組件選取該組件的上一層次的單元的貯存溫度，進行不加電的溫度循環測試；而單元產品一般選取單元的工作溫度。這個選取原則也可以根據本單位的產品質量情況、工藝水平進行選擇。

整個溫度變化幅度范圍的溫度變化速率的平均值不能低于5 ℃/min，一般組件的變化速率要高于單元的溫度變化速率，可根據本單位的產品質量情況、工藝水平選擇10 ℃/min或者更高。但這個變化速率的值不能選擇的過于高，過高的變化速率使環境應力篩選試驗變成了溫度沖擊試驗，篩選的試驗數據與篩選的目的就不符了。

單個溫度循環的時間為3 h 20 min或4 h，在缺陷剔除階段的溫度循環的循環數為10次或12次，相應的試驗總時間為40 h。在無故障檢驗階段為10～20次或者12～24次，相應的試驗總時間為40～80 h。在最后四個溫度循環時，必須對產品進行100 %的功能監測。

典型的溫度循環圖如下圖6。

3）篩選振動（無故障檢驗）

無故障篩選振動階段的指標和故障剔除的一致，但施振的時間由故障剔除的5 min變成了5～15 min。

4 環境應力篩選方案的制定

根據GJB 1302的規定：“參與篩選產品印刷電路板組裝件、電子組件或整機；對大型電子產品應優先考慮在較低級別如印刷線路板組裝件上進行篩選。”

圖6 不通電溫度循環曲線

表3 改進成本統計表（單位：美元）

結合國內外的一些數據，不同組合層次耽擱時效的平均改進成本如表3。

通過上表可以得出：在不同層次的篩選中，都能篩選出一些早期故障，越低層次的篩選，所花費的成本越低。

越低層次的篩選，所花費的時間也越長（主要是測試工裝的研發制作），且工裝的研發制作本身也需要花費一定的經費，并需要經歷一段時間的考核驗證才能成熟。且低層次的篩選完成后，高一層次的組裝過程中還可能引入工藝裝配的新的缺陷。因此在GJB/Z 34-93的第5.1.1.3提供了一個權衡原則：“在技術和經濟優先，無法逐級進行篩選時，應根據上述信息，結合產品進行權衡和分析，確定最佳篩選所在等級。如果產品使用和其他試驗中提供的信息證明，其故障主要出現在某一裝配級，則可僅對此裝配級進行篩選。”

環境應力篩選的方法和應力確定的原則是為了盡快暴露早期失效，但又不能超過產品的設計極限，因此在環境應力篩選方案的制定過程中，要根據產品的質量情況和本單位的工藝水平，不同產品的篩選要求可以根據相關的標準進行剪裁、簡化甚至抽樣進行篩選。

5 結束語

一個合理可行的環境應力篩選方法，能剔除早期時效的產品，將早夭產品的問題暴露在生產企業，提升交付產品的可靠性，從而提升顧客使用的滿意度，這也是一種無形且非常重要的效益。因此各企業應當把環境應力篩選作為產品質量控制檢查和測試過程的延伸，并根據產品的質量狀況、工藝水平，對產品的環境應力篩選方案實行動態調整，使企業效益達到最大化。

[1] GJB 1032-1990,電子產品環境應力篩選方法[S].

[2]海軍艦艇裝備用加固計算機及外部設備環境應力篩選試驗大綱（海軍裝備部 裝電[2008]1號文）[Z].

[3]軍械光電裝備高效環境應力篩選實施辦法（裝陸[2008]364號文）[Z].

[4] 殷世龍.武器裝備研制工程管理與監督[M].北京:國防工業出版社, 2012.7.

[5] GJB/Z 34-1993 電子產品定量環境應力篩選指南[S].

肖偉，1982年5月，男，漢族，湖南邵陽，工程師，工學學士，研究方向：從事軍品的檢驗、試驗方面的研究。

Technique and Implementation of Environment Stress Screening for Electronic Products

XIAO Wei, XU Bin
(No.52 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hangzhou 310012)

Environment stress screening (ESS) is a very important part of the equipment preproduction and production.This paper mainly discusses the impacts, methods, amendments, implements and some other aspects of environment stress screening combined with relevant criterions.One of the main purpose of this paper is to help the corporations understanding the importance of environment stress screening, and put it into practice in the process of development and production, which will improve the reliability of the products, thus to increase the corporate profitability.

environment stress screening; electronic products; reliability

TN609

B

1004-7204（2016）05-0062-05