基于環境應力篩選ESS的溫控器可靠性研究

張威,周月飛,舒宏,張詠,潘亮

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室,珠海 519070）

引言

環境應力篩選（ESS）是通過施加合理的環境應力和電應力，快速將產品內部缺陷激發，發現早期故障并進行設計和工藝改進的方式來進行解決[1]。目前已經在軍工和民用領域得到普遍應用，隨著消費者對產品可靠性需求的提升，環境應力篩選已經成為產品研制生產過程中的重要程序，要求100 %進行[2]。已經應用拓展至電子產品、電氣、機電、電化學產品等領域。

溫控器是冰箱的關鍵核心控制部件，主要通過控制壓縮機開停來實現冰箱穩定運行，同時確保箱內溫度正常。通過對售后數據調研分析和故障樣機返廠拆解，發現溫控器故障率較高的主要原因有波紋管銹蝕、感溫管焊接松脫等早期失效故障，因此有必要對溫控器入廠檢驗進行環境應力篩選，解決早期故障問題，降低售后故障率。

李良巧[3]等對環境應力篩選的試驗理論和方法進行詳細論述，闡明其基本特征和典型環境應力等；GJB 1032-1990[4]對環境應力的篩選條件、篩選程序等內容做出明確規定，用于指導開展環境應力篩選；肖偉[5]等對環境應力篩選的技術進行研究并提出具體實施辦法，吳豪[6]等對環境應力篩選中凝露的形成和具體控制措施提出分析和解決方案，王瑩[7]等對電子產品環境應力篩選概念、方法和典型應力進行分析并設計改進方案。

目前對溫控器應用環境應力篩選技術的研究內容較少，本文通過建立環境應力篩選能力數學模型，開展理論分析和測試驗證，分析導致溫控器早期失效的主要因素，提出改進方案，從而解決溫控器早期失效問題。

1 環境應力篩選效果對比

《可靠性工程師手冊》書中對13種應力篩選的效果進行調查分析并作出比較，其結果如圖1所示，從圖中可以看出溫度循環是最有效的篩選應力，其次是隨機振動。溫度循環可以激發裂紋擴大、接頭不良和密封失效等故障，隨機振動可以激發機械疲勞、磨損等故障，而溫控器在冰箱內部倉儲和使用時主要經歷的應力是倉儲時的高溫、蒸發器表面的低溫以及運輸過程中的振動顛簸，因此針對溫控器的環境應力篩選的應力組合綜合考慮選擇溫度循環和隨機振動，可以快速有效發現溫控器的早期失效故障。

圖1 各種環境應力篩選效果對比

2 溫度循環應力和隨機振動應力篩選數學模型

2.1 溫度循環應力篩選數學公式

溫度循環應力篩選度數學公式為[8]：

式中：

SS—篩選度；

R—溫度變化范圍（高溫設計值-低溫設計值）℃；

V—溫度變化速率（℃/min）；

N—循環次數。

2.2 溫控器溫度循環參數確定

根據GB/T 22688-2008《家用和類似用途壓力式溫度控制器》[9]中相關要求溫控器耐高溫60 ℃，耐低溫-30 ℃，因此我們將ESS溫度循環應力條件設定為上限溫度60 ℃，下限溫度-30 ℃，溫度變化率分別選擇5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min，循環次數分別對應選擇1~5次，保溫時間高溫、低溫各120 min，其溫度變化率篩選度曲線如圖2所示。

圖2 溫度循環篩選度曲線

從圖中可以看出，溫度變化速率越快，篩選度越高，但過快的溫度變化率容易對產品造成疲勞損傷。又考慮到溫變周期短、溫變速率小會出現篩選度低可能會導致早期故障難以發現的問題，同時溫控器入廠篩選試驗需要在24 h內完成以滿足生產需求，因此綜合多方面因素分析，最終優化后的溫控器溫度循環參數見表1。

表1 篩選優化后的溫度循環參數

2.3 隨機振動應力篩選數學公式

典型的隨機振動功率譜密度如圖3所示，通常也用頻譜的加速度均方根值來表示隨機振動的強度，加速度均方根值按公式（2）計算求出：

圖3 典型的隨機振動功率譜密度圖

式中：

Grms—加速度均方根值g；

A1—20~80 Hz區間、功率譜密度曲線之下的面積；

A2—80~350 Hz區間、功率譜密度曲線之下的面積；

A3—350~2 000 Hz區間、功率譜密度曲線之下的面積。

隨機振動的篩選度可按照公式（3）計算求出[8]：

式中：

SS—篩選度；

Grms—振動加速度均方根值；

t—振動時間（min）。

2.4 溫控器隨機振動參數確定

結合溫控器包裝和實際運輸條件，我們將ESS隨機振動應力中的加速度均方根分別設定為3 g、4 g、5 g、6 g、7 g，振動時間分別對應10~60 min，其不同振動量值條件下的篩選能力如圖4所示。

圖4 不同振動量值的篩選能力

從圖中可以看出在相同時間條件下，隨機振動加速度量值越大，篩選能力越好，同時通過圖中還可以分析出隨機振動的效果可以很快顯現。按照均方根加速度值6 g來看，20 min左右的時間其振動篩選能力可達到85 %以上，繼續延長隨機振動時間篩選效果增加不明顯，反而有可能帶來其他的負面影響[10]。因此綜合多方面因素分析，最終優化后的參數見表2。

3 試驗條件和驗證結果

3.1 試驗樣品和方法

以某冰箱（BCD-190C）溫控器（見圖5）為研究載體，其結構主要由波紋管、感溫管、彈簧、導桿等關鍵部件組成，抽取200個樣品進行環境應力篩選（溫度循環和隨機振動各100個）。試驗設備采用高低溫試驗箱（溫度范圍為-70~150 ℃）和振動試驗臺（頻率范圍為5~2 500 Hz），見圖6，溫度循環參數嚴格按照表1的要求進行，隨機振動參數嚴格按照表2的要求進行。

圖6 波紋管銹跡和感溫管焊接松脫

表2 篩選優化后的參數

圖5 某冰箱（BCD-190C）溫控器

圖6 高低溫試驗箱和振動試驗臺

3.2 驗證結果分析

試驗結束后分別對2組試驗條件下各100個溫控器進行外觀、機械、電氣安全檢查，其中溫度循環試驗出現9個樣品故障，主要表現為溫控器波紋管出現銹跡，分析主要是波紋管材質差無法經受高低溫等溫度交變試驗條件沖擊導致；隨機振動試驗出現12個樣品故障，主要表現為感溫管焊接不牢靠出現松脫現象，分析主要是焊接處是一個平臺無法保證焊接的可靠性導致。從驗證結果來看溫控器入廠檢驗合格率僅能達到90 %左右，影響生產效率和產品質量的穩定性，需要從設計和工藝方面去有效解決。

4 改進方案和效果驗證

4.1 改進方案

針對溫度循環和隨機振動發現的質量問題，對波紋管材質、感溫管與坐板蓋之間的結構和部件檢驗方面進行改進：

1）波紋管規范材質為Cu95，增加耐中性鹽霧試驗，要求24 h試驗后不出現銹跡，同時對波紋管伸張耐久性進行考核，要求30萬次試驗后變形量≤0.5 mm；

2）感溫管與坐板蓋之間的焊接處增加一個凸臺，確保感溫管與坐板蓋焊接更加牢固，同時增加感溫管焊接拉力試驗，要求≥360 N。

4.2 改進后效果驗證（如圖7）

圖7 改進后的波紋管和感溫管焊接ESS驗證效果

改進后的溫控器重新抽取200個樣品，按照表1和表2的參數進行試驗，試驗后僅隨機振動1個樣品出現固定支架輕微變形故障，波紋管銹跡和感溫管焊接松脫問題已經得到解決，改進后的溫控器入廠檢驗合格率達到99 %以上。

5 結論

通過對環境應力篩選進行理論分析并建立溫度循環和隨機振動應力篩選度數學模型，對冰箱溫控器按照分析的應力參數進行可靠性驗證，從而提出設計和工藝改進方向，提高溫控器入廠檢驗合格率和長期使用可靠性，確保產品質量。

1）環境應力篩選是一種現代質量與可靠性保證技術，通過施加合適的應力條件，將其內部潛在缺陷加速變成故障，從而在較短的時間內識別缺陷，對暴露和排除早期故障十分有效。從產品研發階段到量產階段，是一道必然進行的工序，目前不僅在高科技電子產品和軍工領域產品普遍應用，在民用家電領域也已經逐步得到推廣實施。

2）環境應力篩選試驗設計需要對產品溫度變化范圍、溫度變化速率和隨機振動量值進行合理選擇，結合產品結構特點、復雜程度、功能和使用要求，通過溫度循環應力和隨機振動應力篩選度數學模型進行理論分析，確定合適的篩選應力參數。既可以用較短的時間加速發現內部的潛在缺陷，又不損壞產品或者增加新的缺陷，同時試驗設計方案可以結合實際情況有效轉化成企業內部檢驗標準，提升企業質量控制管理水平。

3）通過環境應力篩選試驗對溫控器進行驗證、分析、改進和再次效果驗證，識別出溫控器早期失效問題主要是波紋管材質和感溫管焊接的設計缺陷，采取對波紋管材質的改進、感溫管焊接凸臺的增加以及部件質量檢驗標準的完善等方案進行改善，有效解決溫控器早期失效問題，入廠檢驗合格率提升到99 %以上，同時經過環境應力篩選試驗改進的溫控器質量更穩定、可靠性更高。