對環境應力篩選的一些誤解

徐志閩

（中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153）

對環境應力篩選的一些誤解

徐志閩

（中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153）

目前，合同和招標書對電子設備已規定了環境應力篩選要求。誤解已妨礙了富有生命力的環境應力篩選規劃在工業中的實施。本文將對一些誤解進行討論，正確地認識在工業中應用費用低廉的環境應力篩選規劃的目的和優點。

環境應力篩選；誤解；目的；優點

引言

環境應力篩選的定義是對電子元器件、組裝件和設備施加適當的電氣和環境應力，以暴露和消除由缺陷的、不正常的或性能臨界的元器件和制造缺陷。盡管環境應力篩選以被列入MIL-STD-785B的可靠性試驗部分（工作項目301）。但實際上它是一個篩選過程，與試驗不同。它一般是對以制造好的產品進行100%的生產篩選。環境應力篩選的目的是發現和排除產品的早期故障，使得產品在交付時便進入隨機故障階段，確保產品在使用過程中具有較高的可靠性水平。

環境應力篩選已被海軍作為可靠性要求列入現在的船舶設計、建造合同以及招標書中?？傮w單位又通過規范和工作規程把篩選要求轉給轉包商。篩選要求中規定了溫度循環和隨機振動篩選。環境應力篩選在我國已運行很多，大家對環境應力篩選還是存在下列誤解：

1）環境應力篩選給設備所加應力超過了設備的設計極限，因此，應當把溫度和振動應力限制在預期的設備工作環境應力之內；

2）環境應力篩選能暴露設計方面的問題，因此，可靠性研究/增長試驗與環境應力篩選的作用相同，不必兩者都做。

3）環境應力篩選時一項可靠性的“經驗教訓”成果，因此，它只適用于新設計或重大改型的設備；

4）環境應力篩選時額外負擔，對承包商或設備轉包商毫無好處；

5）MTBF合格的設備不需要進行環境應力篩選；

6）環境應力篩選暴露的失效率越少，試驗就越成功。

可靠性工程師在從事環境應力篩選理論研究和執行環境應力篩選規劃的過程中，都能理解這些誤解的謬誤所在。然而，這些誤解已導致在可靠性工程、管理及其它工程部門之間出現了信息交流方面的空隙。為了說明環境應力篩選的真正目的和好處，并消除這些誤解，現就上述有關環境應力篩選方面的誤解逐一加以討論。

1 環境應力篩選給設備所加應力超過了設備的設計極限

環境應力篩選的缺點是它給設備施加的應力可能會超出設備的設計極限，因而，溫度和振動應力應當限制在設備預期的工作環境之內。然而，預期的工作環境一般沒有設計極限那么嚴酷。篩選的應力水平不應超過設計極限，但是，它們必須有足夠的強度，以便在維修費用最低廉的最早時間暴露由于元器件不良和制造缺陷導致的故障。因此，有效的篩選要求所施加的應力要有足夠的量值和持續時間，以便將潛在的缺陷暴露出來，而對其它沒有缺陷的元器件不會累積成大的損傷（即超過設計極限并有損于使用壽命）。

有關溫度篩選的兩個主要問題是上、下兩個溫度極值，以及從一個溫度極值過渡到另一個溫度極值所要求的最低溫度變化速率。為了確定最有效的篩選要求和應力水平，同時也為了確定由于過應力（溫度和振動兩者）而導致產品性能退化的環境因素及應力水平，應當按照特定的硬件來設計和實施應力篩選。這就是進行調整的主要目的。

因此，環境應力篩選不應給設備施加加速疲勞失效的應力。除非作為指南，不得規定隨機振動的應力水平和溫度極限。應為轉包商調整規范和工作說明中的篩選規劃創造條件。在轉包商的環境應力篩選計劃和程序時，要以這種調整到暴露早期失效的有效性的依據。然后，轉包商再進行溫度和振動監測，以確定熱點和共振點，并進行步進篩選，以確定最有效地暴露制造缺陷所造成的早期失效的篩選應力。如果篩選不能加速這些早期缺陷，就不能實現環境應力篩選的目標，因此也就談不上是費用低廉的篩選。若篩選過于嚴酷，就會損壞好的元器件，并有損于設備的使用壽命。

2 環境應力篩選暴露設計問題

第二個誤解：環境應力篩選能暴露設計方面的問題，因此，可靠性研究/增長試驗與環境應力篩選的作用相同，不必兩者都做。盡管環境應力篩選的確可以暴露某些設計問題（即使是在可靠性研究/增長試驗之后），但這并不是進行環境應力篩選的目的。如前所述，環境應力篩選的目的是加速由于制造缺陷所產生的早期失效，以便在費用最低廉的規劃時期內完成修理。將環境應力篩選與可靠性研究/增長試驗相比較，就可以看出用可靠性研究/增長試驗代替環境應力篩選這種誤解的謬誤所在。表1以幾個指標對環境應力篩選與可靠性研究/增長試驗進行了比較。

如表1所示，環境應力篩選和可靠性研究/增長試驗的程序時完全不同的。環境應力篩選是篩選程序，其調整的目的是最大限度地暴露制造缺陷?？煽啃匝芯?增長試驗是“試驗、分析和改進”程序，目的是找出并改正設計問題?？煽啃匝芯?增長試驗一般結合首件產品試驗進行一次，而環境應力篩選是生產篩選過程，對全部產品進行。

3 環境應力篩選僅適用于新設計

另一個誤解是假設環境應力篩選是可靠性改進的“經驗教訓”成果，因此僅適用于新設計或重大改型的設備。恰當地說，這個假設還必須假定，只有新的或重大改型的設備才含有缺陷的元器件和制造缺陷。然而，元器件規范允許元器件制造商接收和發運次品率高達5 %的電子元器件。這就說明存在著這樣的可能性，即在一千個元器件中，就含有50個有缺陷的元器件，能夠通過環境應力篩選暴露出來，而不管現有設備是新的、改型的或是再制造的。同樣，新程序、新人員以及自動化超容差等也會是制造工藝質量劣化，以致缺陷通過制造工藝引入任何設備，而不僅僅是新的，經過重大改型的設備。

表1 環境應力篩選與可靠性研究/增長試驗比較

假設環境應力篩選新的或重大改型的設備所暴露的與設計有關的失效數，多于已經批準設備所暴露的失效數，這也不能作為把環境應力篩選限制用于新的或重大改型設備的理由。如果使用得當，則在消除各種電子設備由于元器件超差或制造工藝所引起的早期老練失效方面，環境應力篩選是一種費用低廉的程序。

4 環境應力篩選是額外負擔，對承包商或設備轉包商毫無好處

環境應力篩選是額外負擔，對承包商或設備轉包商沒有好處。美國環境科學研究所已研究出了造船廠試驗期間和工作活動期間的環境應力篩選費用節約模型：

式中：CS1=廠內費用節約值

Mn=造船廠進行修復性維修所需的平均工時數

Hc=船上修理每個工時的費用

Sc=每個備用元器件的估計平均費用

Ft=在沒有環境應力篩選的情況下，估計的船上試驗失效數

Fs=在有環境應力篩選情況下，估計船上試驗失效數

Tc=每次故障的典型平均技術費用（小時數÷故障數×小時故障率）

如果設備是供應商經過篩選后交付的，而且在試驗過程中往往故障比較少，則這個模型可以用來估計制造商從中獲得節約效益。值得注意的是，篩選雖然費錢，但是它的價值在于提高可靠性（既有近期的，又有遠期的）。如果篩選給設備制造商帶來的好處大道理這樣一種程度，即能夠通過設備和系統級的供應商的試驗節約而將篩選費用吸收掉，則這種情況是有問題的。重要的一點是，應當按照制造商、承包商和使用方所得到的總的潛在節約額，來估計應力篩選的費用效率。

對用戶、承包商和轉包商為估計有效地環境應力篩選規劃所能實現的費用節約而研究費用分析模型來說，這個文件是有價值的參考資料。在對承包商和轉包商規定設備和系統保證期或保證金要求的情況下，有效的環境應力篩選規劃肯定有助于降低保證期或保證金費用，而且這些費用的節約在環境應力篩選投標書中必須加以考慮的。

5 MTBF合格的設備沒有必要進行環境應力篩選

MTBF合格的設備沒有必要進行環境應力篩選，這種理論可能對，也可能不對。誠然，MTBF合格的設備通常已累積足夠的工作小時數，足以消除早期制造缺陷。所涉及的問題是“對具體的設備來說，環境應力篩選是否節省費用的，或者說，對補充購買同樣設計的設備來說，環境應力篩選是否是有效地？”為了回答這個問題，應當對過去的失效數據進行分析。

假設電子設備的MTBF增長曲線如圖1所示。在圖1中，致使早期失效期內MTBF不合格的故障數，主要是由于制造缺陷造成的，而這些缺陷是能夠通過有效的環境應力篩選程序加以消除的。只有根據歷史數據繪制出MTBF增長圖，計算出屬于制造缺陷引起的故障數，并用費用模型推算出成本效益之后，才能對環境應力篩選規劃效益做出判斷。因此，在補充購買那些在使用中一被證明MTBF合格的硬件時，應當考慮環境應力篩選。

6 環境應力篩選暴露的失效率越少，篩選就越成功

圖1 電子設備MTBF增長曲線

這一誤解正好與環境應力篩選的定義和目的相矛盾。有些轉包商錯誤地認為，他們將受到的懲罰與由環境應力篩選程序剔除的失效數成正比。的確，對轉包商來說，環境應力篩選失效的代價很大，但這能促使轉包商改進制造工藝，以便減少失效給費用帶來的影響。因此成功的環境應力篩選沒有直接使失效率降低。然而，這不是把較少的失效數與成功的試驗等同起來的原因。這個誤解是錯誤地把環境應力篩選與可靠性研究/增長試驗及可靠性鑒定試驗聯系起來的結果，后兩種試驗都把失效過多與可能的試驗失敗等同起來?，F用圖2來說明環境應力篩選的目的。

由圖2可見，環境應力篩選的目的是通過調整所施加的環境應力，盡可能多地消除不良的元器件和制造缺陷。必須按照這種要求來調整這些應力，即另一方面要盡可能多地消除這些缺陷，同時還要保證避免因過應力而造成耗損失效。例如，費用最低廉的篩選應在橫坐標T3處結束。為了保證不會錯誤地把點T1或T2調整為篩選參數，也不會達到點Tn-2、Tn-1或Tn而導致損壞和耗損，需要按每一具體設備的具體情況來調整篩選。

由此，可得出如下結論：失效越少，篩選越不成功。如果篩選不能暴露大部分制造缺陷，則篩選就不是低廉的。

7 結論

對其環境應力篩選存在著本文所述的各種誤解，這主要是由于環境應力篩選對工業來說是新鮮事物所造成的。這些誤解已妨礙了環境應力篩選的實施。從上述每一種誤解的討論中，可以得出以下結論：

圖2 環境應力篩選的目的

1）環境應力篩選不是活不打算給設備施加超出其設計極限的應力。費用低廉的環境應力篩選程序應按每個具體設備來編制，以便在最早的時刻暴露制造缺陷（早期壽命失效），以低廉的費用將其改正。

2）環境應力篩選能夠暴露一些設計問題，但環境應力篩選的主要目的是作為一項生產篩選，以便暴露性能不良的元器件和制造缺陷。因此，不管是否有其它可靠性試驗，都應當考慮環境應力篩選。

3）每個生產合同都應實行某種程度的環境應力篩選，而不只是新設計或重大改型的設備進行篩選。環境應力篩選在本質上應該是動態的，而且應在實施之前，通過成本分析指出每一設備的環境應力篩選規劃的成本效益。

4）由于可以在費用最低廉的制造工藝階段查找和改正失效，從而減少了返工費用和保證期費用，因此環境應力篩選能夠（但不一定需要）向承包商和轉包商證明其費用是低廉的。但成功與否，還取決于篩選程序的正確理解和應用。

5）新購買或繼續采購當前已列入國防部目錄且MTBF合格的設備，可能會從費用低廉的環境應力篩選程序得到益處。

6）應按這樣的要求來調整環境應力篩選規劃，即要最大限度地暴露各種制造工藝失效，又不會對設備施加達到發生耗損及損傷失效的應力。

這些結論應當能夠消除許多與環境應力篩選要求有關的誤解。在承包商和轉包商做出是否實施費用低廉的環境應力篩選的決策過程中，這些結論應當成為積極的促進因素。

[1] GJB/Z 34-1993,電子產品定量環境應力篩選指南[S].

[2] GJB 1032-1990,電子產品環境應力篩選方法[S].

[3]謝俊梅.環境應力在雷達上的應用電子產品可靠性與環境試驗[J].2013,31(增刊1):46-49.

Some Misconceptions about Environmental Stress Screening

XU Zhi-min
(The 724th Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Nanjing 211153)

At present, the contract and the bidding document have stipulated the environmental stress screening requirements for the electronic equipments. Misunderstandings have hampered the implementation of a viable environmental stress screening program in industry. This article will discuss some misconceptions and correctly understand the purpose and advantages of applying low-cost environmental stress screening programs in industry

environmental stress screening; misconceptions; objectives; advantages

TN306

A

1004-7204(2017)04-0035-04

徐志閩，畢業于南京郵電大學，現在單位環境實驗室技術負責人，從事環境可靠性試驗研究工作。