軍用電子產品高加速應力篩選方法的應用分析

肖志斌， 倪修華， 魏 穎， 崔永香

（1.海軍駐上海地區航天系統軍事代表室，上海201109；2.上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

環境應力篩選（ESS）是在電子產品上施加隨機振動及溫度循環應力，以鑒別和剔除制造工藝和元件引起的早期故障的一種工序或方法。在研制階段和批生產初期，軍用電子產品應在不同組裝層級進行ESS。在批生產中后期，可根據產品批量和穩定情況進行抽樣篩選。

目前，軍用電子產品一般按照GJB 1032-1990《電子產品環境應力篩選方法》進行篩選，至少需要進行80 h的溫度循環和10 min的隨機振動篩選[1]，占用了大量的人力、設備、場地等資源。然而，經過篩選的軍用電子裝備在環境適應性試驗和外場試驗時，故障仍時有發生。

高加速應力篩選（HASS）是在傳統的ESS基礎上，結合高加速壽命試驗（HALT）發展起來的。通過在產品上施加遠高于產品規范規定的應力，使產品的缺陷加速析出，以達到縮短篩選時間和提高篩選度的目的，僅需1 h～2h[2]。國外，HASS在計算機、復印機、電視機、洗衣機等民用產品和導彈、魚雷電子裝置、雷達系統、熱成像槍炮瞄準系統等軍用產品都有成功應用[3]。美國已經開始在軍用大綱中轉向采用HASS。國內民用產品領域的華為、中興、美的、大唐通訊等企業采用了HASS，并形成了國家標準GB/T 32466-2015《電工電子產品加速應力試驗規程 高加速應力篩選導則》。然而HASS技術在我國軍用產品的應用并不多[4]。

本文首先闡述了HASS的作用機理，然后對國軍標GJB 1032-1990和國家標準GB/T 32466-2015進行了對比分析，最后給出了應用HASS對軍用電子產品進行篩選的建議。

1 高加速應力篩選的作用機理

機械應力與相關疲勞損傷服從下列關系[3]：

式中：D為米勒判據疲勞損傷累積；N為應力循環數；S為機械應力；β為材料特性參數，對于大多數高周疲勞材料其值域為8～12。

從式（1）可以看出，疲勞損傷累積D與機械應力S呈指數關系，隨著S的增大D快速增大。機械應力S的大小取決于結構自身和外部激勵兩方面。在同樣的外部激勵下，有缺陷的電子產品比沒有缺陷的同類產品具有更高的應力，在更短的時間內達到疲勞損傷極限而變成故障析出。通過加大外部激勵，使缺陷處的應力增大，達到使缺陷快速析出的目的。通常，HASS使用遠高于規范規定的應力且略低于產品破壞極限或工作極限的應力，使產品的缺陷快速析出，以達到縮短篩選時間、提高篩選效率的目的。對于電子產品，ESS通常使用的應力為溫度循環、隨機振動和兩者的綜合。

通過提高溫度變化速率來縮短篩選時間的方法已經得到了試驗驗證。史密森進行了不同溫度變化速率下析出晶體管剝離缺陷所需要的溫度循環次數試驗。將4×105個樣本平均分為4組，每組以不同溫度變化速率進行試驗，持續試驗直到認為全部缺陷均已出現故障，得到溫度循環次數與溫度變化速率的曲線，如圖1所示[3]。從圖中可以看出，溫度循環次數隨著溫度變化速率的升高快速減少，以5℃/min的溫度變化速率進行400次溫度循環析出的缺陷數量，在以25℃/min的溫度變化速率下只需要4次循環。

按照線性結構計算，加倍的振動量值會產生加倍的應力，在相同時間下產生的疲勞損傷累積約為1 000倍。在產生相同的疲勞損傷累積條件下，振動量級加倍以后時間縮短為原來的1/1 000，極大地提高了篩選效率。

HASS是在確保產品安全的條件下施加盡可能大的應力，以快速地析出缺陷。一般取略低于利用HALT得到破壞極限或工作極限應力作為HASS的應力。對于電子產品，溫度循環可以產生高應力的低周疲勞，而振動可以快速地累積疲勞損傷，溫度循環與振動綜合以后的應力通常較高，一般HASS采用溫度循環與振動的綜合應力。

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HASS相對于常規環境應力篩選的優勢主要在于提高篩選效率和提高缺陷剔除效果兩方面，這兩方面都可以大幅減少產品研制成本和維護成本。在勞動力緊缺和人力成本急劇上漲的情況下，利用HASS提高篩選效率，降低人工成本顯得尤為重要。篩選效率提高以后，還可以降低篩選設備的數量、篩選場地面積和能源消耗。Hobbs指出[3]，在保證相同的篩選效果條件下，篩選一定批量的產品，使用40℃/min進行HASS篩選需要一臺溫箱，而使用5℃/min進行篩選需要4 400臺溫箱。按每臺溫箱售價為5萬美元計算，使用HASS篩選節省的溫箱采購費用為2.2億美元。再加上場地、能源、人工成本，使用HASS篩選節省的總成本是十分驚人的。

HASS在提高缺陷剔除效果方面，早在1983年就得到了驗證[3]。在生產中利用低速率、窄范圍溫度循環篩選的電源產品可靠性為94%。而在利用六軸向振動臺和20℃/min溫度循環進行HALT和HASS后，在4個月內經過15次改進，該產品的可靠性達到了99.6%。可靠性的提高意味著現場故障的降低，而現場故障的處理費用是十分高昂的。

2 GJB 1032與GB/T 32466的對比分析

首先分別介紹GJB 1032和GB/T 32466的基本情況，隨后進行對比分析。

2.1 GJB 1032介紹

GJB 1032是美軍標 MIL-STD-2164（EC）的等效標準，于1990年發布。

GJB 1032規定的篩選流程：5 min缺陷剔除隨機振動→40 h缺陷剔除溫度循環→（40 h～80 h）無故障檢驗溫度循環→（5 min～15 min）無故障檢驗隨機振動。不計算產品的裝拆和轉運時間，進行一次篩選至少需要80 h 10 min。

GJB 1032規定的隨機振動譜形如圖2所示。

GJB 1032規定的溫度循環要求如圖3所示。其中高溫設定值和低溫設定值一般取產品的工作極限溫度，溫度變化速率為5℃/min，高溫保持時間和低溫保持時間根據熱透和冷透原則進行試驗確定，一次循環時間為3 h 20 min或4 h。在缺陷剔除試驗中，溫度循環次數為10次或12次，在無故障檢驗中為10次～20次或12次～24次。

2.2 GB/T 32466介紹

GB/T 32466由深圳市計量質量檢測研究院、中檢華納（北京）質量技術中心有限公司等多家單位聯合起草，適用于電工電子產品及其他電子部件、印制電路板組件等的高加速應力篩選。

GB/T 32466規定篩選曲線示意如圖4所示[5]。采用溫度循環與隨機振動的綜合應力。高溫溫度值、低溫溫度值和振動量級的大小根據HALT得到的工作極限確定。推薦以高加速壽命試驗確定的高、低溫工作極限溫差值的80%作高低溫溫度的差值，溫度變化速度一般為40℃/min，推薦選取振動工作極限的50%作為篩選試驗的振動量級，或按相關規范確定。

2.3 GJB 1032與GB/T 32466的對比

GJB 1032與GB/T 32466的對比如表1所示，兩者的主要差異如下。

（1）篩選條件

表1 GJB 1032與GB/T 32466的對比表

GJB 1032不考慮篩選對象的耐受性、響應特性等方面的差異，一般不允許剪裁，全部執行相同的環境應力篩選條件。GB/T 32466規定HASS條件取適當低于產品的工作極限，一般遠高于GJB 1032規定的應力量值。GB/T 32466規定在執行篩選的過程中，還可根據產品在實際使用過程中的故障返修率和失效原因進行調整和優化。

按照GJB 1032至少需要進行80 h 10 min的篩選，而按照GB/T 32466最多需要10 h（按照每次循環2 h計算），效率達到8倍以上。

（2）試驗設備

GJB 1032規定任何能滿足規定的溫度條件或隨機振動條件的篩選裝置均可用于篩選，而GB/T 32466規定應盡可能使用該產品前一次HALT或者HASS的試驗設備，否則應先進行篩選確認。篩選確認是在產品上粘貼溫度傳感器和振動傳感器，通過調整裝置的溫度及振動應力，使其與原裝置的溫度響應和振動響應一致。

（3）篩選驗證

GJB 1032規定按照給定的篩選條件執行篩選即可，不需要進行篩選驗證，而GB/T 32466規定必須對篩選的有效性和壽命影響進行評價。篩選有效性驗證是驗證對有潛在缺陷產品的篩選效果，優先選用可疑產品或參數邊際化產品，其次可以植入缺陷。如果沒有篩選出故障試驗樣品，則需提高篩選應力水平或增加篩選試驗的周期數。壽命影響評價是評估經過篩選后的產品是否還剩余足夠的壽命。規定應至少進行10次篩選而不導致產品故障，即篩選最多消耗產品壽命的10%。

3 應用建議

相對于GJB 1032，按照GB/T 32466篩選的效率可以提升8倍以上。在缺陷剔除有效性方面，經過幾十年的發展，在國外軍品、國外民品和國內民品領域已經得到了廣泛的驗證。然而在國內軍用電子產品的應用上還鮮有報道。GJB1032規定的篩選方法在篩選效率、缺陷剔除效果等方面已經難以滿足軍用電子產品的短研制周期和高可靠的使用要求。為實現HASS技術在軍用電子產品的有效、快速、廣泛推廣應用，給出以下建議。

（1）制訂頂層標準

從事國內軍用電子產品研制的相關人員，對HASS技術的掌握的深度和廣度不足。因此建議借鑒GB/T 32466，考慮產品的特殊性編制軍用電子產品HASS的指南性頂層標準。

（2）加強人員培訓

從HASS的優點、HASS后產品壽命和安全性方面加強培訓，提高從事HASS人員的認識水平。HASS的優點包括提高大幅可靠性和篩選效率、降低人力成本、設備成本、場地成本以及能源成本。未接受HASS培訓的人員通常會擔心施加在產品上的過大篩選應力會過多消耗產品的壽命。其實大量試驗證明，只要制定科學的篩選流程，進行充分的剩余壽命評估驗證，剩余的產品壽命是可以滿足現場使用需要的，即不要關注HASS消耗了多少壽命，而應關注剩余的壽命是否滿足現場使用要求。此外，HASS的實施也有一套嚴格的流程，每個產品施加的應力都不相同，相同的產品在不同的生產階段施加的應力也可能不同，操作不當可能造成批量產品的過應力損壞，因此需要經過培訓掌握科學的HASS流程才能進行HASS篩選，無法像GJB 1032一樣直接套用給定的篩選條件和方法進行篩選。