環境應力篩選中的故障模式與排故方法分析

賈彥榮 喬兵克 趙祥師 耿靜芬

摘要：新時期工業制造發展下，電子產品層出不窮，為保證電子產品質量安全采用環境應力篩選能夠起到一定的驗證效果。文章通過對環境應力篩選進行分析，并探討環境應力篩選下存在的故障問題，結合工作實際分析故障排除方法。

關鍵詞：環境應力;應力篩選;故障模式;篩選故障

引言

GJB1032—1990中針對電子產品的環境應力篩選給出了普適的標準，在頒布之初取得了較好的效果。但是，由于其是20世紀90年代制定的標準，因而還是存在著諸多的局限。無差的、不容裁剪的應力條件，已不能滿足快速發展的多型現代化裝備的篩選需求，環境應力篩選還有待創新。

1環境應力篩選相關概述

環境應力篩選是剔除電子產品早期故障的重要方法，通過對電子產品施加一定的環境應力，可以將產品中的缺陷（主要是工藝缺陷）激發成早期故障并予以剔除。由于環境應力篩選是針對所有產品進行的，要求100%開展環境應力篩選，而目前采用的環境應力篩選方法還屬于常規的篩選，篩選所需的時間長，篩選效果難以精確評價，無論是對于大型復雜系統還是大批量生產的產品，環境應力篩選都占據了大量的時間，嚴重影響了科研生產的開展和產品的及時交付。因此，生產廠家需要更高效的篩選方法，希望利用更短的時間完成篩選工作，達到相同或更好的效果。以機械產品為例，機械產品由于所處的平臺與其他產品不同，其故障發生的原因和規律受其環境的影響也有所不同。隨著機械產品的需求迅速增加，每年的生產任務成倍增加，原有常規篩選效率和周期遠不能滿足需要。本文主要研究機械電子產品高加速應力篩選方法，在常規環境應力篩選的基礎上，針對不同類別的產品，在不改變故障模式和失效機理的條件下，采用更加有效激發早期故障的應力種類、量級和施加方法，實現縮短時間的高效環境應力篩選。

2環境應力篩選中的故障模式分析

機械電子產品由于所處的環境不同，與其它電子產品相比，既有電子產品共同的特點，又有其特殊性。電子產品的故障發生與其工作環境關系極大，而機械電子產品所承受的環境包含3個方面：自然環境、平臺環境、誘發環境。自然環境因素主要包括溫度、濕度、鹽霧、霉菌、太陽輻射、海浪及其他自然環境因素;平臺環境因素主要包括振動、沖擊、顛震、搖擺與傾斜;誘發環境因素主要包括裝配過程是否適當、“三防”處理是否滿足要求。通過以上分析，影響機械電子產品故障發生的因素是多方面的，但是，這些影響因素所產生的效應在產品的壽命周期中所處階段卻有區別。根據對近年來用戶反映的產品故障情況統計分析，可得出以下結論：溫度、振動是導致機械電子產品發生故障的重要因素，也是導致其發生早期故障的重要因素，但在溫度、振動應力撤除后，不會存在殘余應力，對產品的后續使用也不會產生影響;鹽霧、霉菌和潮濕等環境因素在應力撤除后，影響不會消失，將繼續產生影響，如腐蝕的化學過程并未停止，只是可能反應速度變慢一些。施加環境應力，使產品內部的缺陷變成早期故障表現出來，且在應力撤除后，產品不應有應力殘余。通過以上分析，鹽霧、霉菌、潮濕這幾種應力不宜作為環境應力篩選選擇的應力，同時通過收集到的機械電子產品早期故障統計結果，可以看出其影響因素仍然以溫度與振動為主[1]。

3環境應力篩選排故方法措施

3.1復驗篩選專業化

對驗收合格的電子元器件，還需要按照統一規定和標準，進行嚴格復驗。同時，對電子元器件有關項目進行補充篩查，以確保電子元器件符合電子產品使用的要求。此外，還要對電子元器件的合格證書進行查驗，如果沒有取得合格證，則不能進行裝機試用。

3.2環境應力篩選試驗項目選擇

GJB450A-2004《裝備可靠性工作通用要求》關于環境應力篩選指出：裝備生產過程環境應力篩選，首先要考慮的是盡快激發出產品制造過程引入的潛在缺陷，但不能損壞產品中原來完好的部分。因此，采用加速應力，應力的大小不能超過產品的耐環境設計極限，施加應力的持續時間不能在產品中累積起不允許的疲勞損傷。一般采用快速溫度循環和隨機振動兩個最有效的應力組合進行。也可采用對受篩選產品特別敏感的其它應力。結合GJB1032-1990《電子產品環境應力篩選方法》的要求，針對機械電子產品一般施加溫度應力、振動應力和電應力三個項目，采用綜合試驗箱來完成生產過程的環境應力篩選[2]。

3.3溫度應力篩選

由于高加速應力篩選的應力比常規篩選時更大（綜合應力），因而對激發早期故障的效果更好;由于提高了溫度變化的速率及高低溫極限值，因此縮短了溫度保持時間，提高了篩選的效率。以某型電子設備為例分析，常規篩選1個溫度循環篩選周期的時間與高加速應力篩選所需要的時間對比下。高加速溫度應力篩選時間比常規溫度應力篩選最短溫度篩選時間縮短了74%;而且，高加速應力施加的是溫度與振動的綜合應力，振動應力篩選不占用篩選時間，而常規應力篩選溫度循環與振動篩選分別進行，考慮到振動篩選本身需要一定的時間外，再加上設備做完溫度篩選搬到振動臺重新連接電纜、設備加電恢復工作需要一定的時間，因此總的高加速環境應力篩選的時間比常規篩選時間可以縮短80%以上，篩選的效率非常明顯。

3.4振動應力篩選

易某產品應力篩選為例，在室內環境試驗過程中，為了模擬產品的實際使用環境，基于產品實際使用過程中的安裝方式，設計了特定的試驗夾具。依據產品實際工作環境進行安裝。依據振動試驗控制點的選取原則，控制點應選在夾具或者振動臺面上最接近產品剛度最大的部位，對于大型整機可采用多點平均控制。在閉環控制系統中，控制點的選擇與控制精度有著密切的關系。根據某機載設備的特點，可以采取多點控制方法，控制點均勻地分布在試驗夾具上。依據振動試驗監測點的布置原則，監測點應選在試驗產品的關鍵部位處，使其均方根加速度不得超過設計允許的最大值[3]。若超過則應進行譜分析，查出優勢頻率所在，允許降低該處譜值，以保證不使試驗產品關鍵部位受到過應力作用。根據該機載組件的安裝特點，本試驗中采取多點控制方法。基于試件及夾具的安裝方式，綜合地考慮試驗夾具的對稱性及試驗過程中試件所受的振動應力值較大部位等因素。通過初期摸底試驗發現，在該試驗條件下，相對稱的兩個試件位置監測點的加速度響應值差別較大，試驗中檢測結果顯示響應值較大處測試出現故障。依據如上的試驗條件及實施規范開展該產品的綜合環境應力試驗，累計完成若干批次該機載整機設備的試驗工作，試驗后對試驗結果及外場使用結果進行統計分析，將該統計結果與單環境應力試驗內場故障比率及單環境應力外場使用故障比率相對比。

結語

總而言之，機械電子產品故障發生的誘發環境因素及其影響，研究了激發早期故障的應力種類;確定了高加速環境應力篩選應采用的應力和量級、施加方法，從而選取最合適的環境應力篩選方案，嚴格按照電子產品環境應力篩選規范要求，做好全過程的質量控制。

參考文獻

[1]于兆吉，鄭會明，黃小凱，等.航天器電子設備溫-濕-振綜合環境應力試驗的設計與過程控制方法[J].航天器環境工程，2015，32（4）：415-418.

[2]徐友康，劉德軍，胡鑫.軍用電子產品加速度試驗監測問題探討[J].電子產品可靠性與環境試驗，2017，35（3）：30-35.

[3]鄧傳錦，唐莎.電子元器件恒定加速度試驗及夾具使用的研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2015，33（5）：51-55.