艦船電子設備高加速環境應力篩選試驗方法的探討

王一飛，陳中青，孫成，黃泳樟，劉玉石，彭德強

（1.中國船舶集團有限公司第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業電工電子設備環境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

環境應力篩選是指對產品施加規定的環境應力，以發現和剔除制造過程中的不良零件、元器件和工藝缺陷等早期故障的一種工序或方法[1]。由其定義可見，環境應力篩選是一種工藝手段，其目的是發現和剔除早期故障。

目前，電子設備環境應力篩選主要參照GJB 1032A-2020 《電子產品環境應力篩選方法》和《海軍電子裝備環境應力篩選實施方法（2006）》中規定的方法進行。

1 環境應力篩選方法現狀

對于電子設備，GJB 1032A 未詳細劃分篩選的層次，但是提出了大型產品應優先在較低的裝配級別進行篩選的要求。其篩選應力分為溫度循環和隨機振動應力，施加順序為先進行缺陷剔除階段在進行無故障檢驗階段。其中缺陷剔除階段包括5 min 隨機振動篩選和10個循環的溫度循環篩選，隨機振動一般在溫度循環前實施。無故障檢驗階段包括10~20 個循環的溫度循環和（5~15）min 的隨機振動篩選。

《海軍電子裝備環境應力篩選實施方法（2006）》中詳細劃分了篩選層次（模塊級、單元級和分機（整機）級），并列出了每一篩選層次的項目和參數。①模塊級篩選要求溫變率不低于15 ℃/min，包括隨機振動篩選階段（水平和垂直兩個方向）和溫度循環篩選階段。其中隨機振動為每個軸向5 min，溫度循環應不低于24 個周期，但不得超過40 個周期。②單元級篩選溫變率為不小于5 ℃/min，包括缺陷剔除隨機振動篩選階段（一般為垂直印制板方向）、缺陷剔除溫度循環篩選階段、無故障檢驗溫度循環階段和無故障檢驗隨機振動篩選階段。相較于模塊篩選，單元級篩選增加了通電的要求。同時，溫度循環的保溫時間相應增加，循環數相應減少，一般為缺陷剔除10 個循環+無故障檢驗10 個循環。對于無故障檢驗隨機振動篩選階段，一般要求連續5 min 無故障可結束篩選。③分機級篩選與單元級基本相同，主要區別為缺陷剔除溫度循環為5 個周期，同時保溫時間相對更長[2]。

綜上所述，現有的環境應力篩選方法是多個篩選階段的組合，在每個階段分別施加振動或溫度應力。經統計，按照上述環境應力篩選方法的要求，研制階段或生產初期的分機（整機）產品必須進行（80 ～120）h 的環境應力篩選；批生產階段，按照簡化方案，分機（整機）至少應進行40 h 的篩選，且這40 h 必須是產品連續無故障發生。由此可見，現有的篩選試驗周期相對較長。

2 高加速環境應力篩選方法

造成電子產品故障的因素包括溫度、鹽霧、潮濕、振動、沖擊等，但鹽霧、霉菌、潮濕等應力導致的故障不是以早期故障的形式表現出來，而是隨著時間的推移呈上升趨勢，因此不宜作為環境應力篩選的加速應力。而溫度應力和振動應力是導致電子產品出現早期故障主要因素，因此高加速環境應力篩選采用溫度和振動應力的綜合，同時施加電子產品規定的電應力。

2.1 高低溫保持溫度

高低溫保持溫度通常是指試驗箱內的空氣溫度，一般情況下高低溫保持溫度選擇電子設備的極限工作溫度。在高加速應力篩選中為了縮短溫度保持時間，將篩選的溫度上下限值在電子產品工作極限溫度基礎上分別擴展（5 ～10）℃。但擴展后的高溫保持溫度應不高于電子產品的所有器件高溫工作極值中的最低值，擴展后的低溫保持溫度應不低于所有器件低溫工作極值中的最高值[3]。

2.2 升降溫速率

在進行溫度篩選試驗時，試驗箱風速一般設定為（2 ～4）m/s。大量試驗數據表明，在風速為2.5 m/s 時篩選效果最佳，因此篩選試驗通常將風速設定為2.5 m/s。

在試驗箱風速設定為2.5 m/s、最大溫變率設定為（10 ～20）℃/min 時，篩選效果隨著溫變率的升高而更顯著。在試驗箱風速不變，溫變率超過20 ℃/min 以后，電子設備自身的溫度變化與試驗箱設定的溫度運行曲線相比有明顯的滯后，篩選效果不理想。綜合篩選效果，高加速應力篩選一般設定風速為2.5 m/s，溫變速率不低于10 ℃/min 但不高于20 ℃/min。

2.3 高低溫保持時間

鑒于受結構、尺寸、重量、材料、功率等因素的影響，各個電子設備的熱慣性具有一定的差異。因此，不同電子設備的溫度保持時間不同，溫度穩定時間一般根據溫度調查結果來確定。

保持時間的確定還要考慮完成功能測試所需的時間，因此，在高加速應力篩選中高低溫保持時間以（60 ～120）min 為宜。

2.4 溫度循環周期

鑒于篩選的目的是剔除早期故障。因此，在確定溫度循環周期數時需要考慮兩方面的因素：一是溫度循環周期的設定數不能太少，否則不能將早期缺陷盡可能的剔除出來；二是溫度循環周期的設定數也不應太多，周期數太多不僅延長篩選周期，同時可能會對電子設備造成疲勞累積效應。此外，在進行溫度循環周期設定時，還要綜合考慮電子設備的復雜程度、技術成熟度、設計水平、工藝可靠性等多種因素。具體可根據電子設備的實際情況進行動態調整。例如，對于成熟度較高的電子設備可設定為3 個周期，對于新研設備可設定為5 個周期或更長。

2.5 振動應力

高加速應力篩選中施加的振動應力為隨機振動，主要參數為加速度功率譜密度、頻率范圍、振動軸向、振動時間等。典型的隨機振動普如圖1 所示。

圖1 典型隨機振動譜

隨機振動篩選應采用圖1 所示的振動頻譜，頻率范圍為（20 ~ 2 000）Hz。

1）常規篩選的功率譜密度為0.04 g2/Hz，對應的加速度為6.06 g。高加速應力篩選的功率譜密度可根據電子設備具體情況選擇0.04 g2/Hz 或0.05 g2/Hz。

2）隨機振動對電子設備會造成疲勞累積，尤其電子設備去除減震器后承受的疲勞強度遠遠大于實際使用環境，如再隨意增加振動時間可能會對電子設備造成過應力損傷。因此，在功率譜密度為0.04 g2/Hz 的條件下，振動時間應不超過20 min[1]。當按此譜形用較低或較高量值進行振動，可按公式（1）計算出等效的振動時間，以保證電子設備不因過應力造成損傷。

式中：

T—等效時間min；

Ti—實際振動時間min；

W0—0.04 g2/Hz；

Wi—所用振動量值，g2/Hz。

3）隨機振動一般選取一個軸向施振，對于以印制板為主要內部構成的電子設備，振動軸向應選擇垂直于印制板的方向。

2.6 電應力

高加速環境應力篩選與常規篩選施加的電應力略有不同，高加速環境應力篩選中施加的電應力是在低溫升溫至高溫保持過程中滿負載通電工作，降溫及低溫保持過程中不通電。

按照溫度循環一次進行上限電壓、標稱電壓和下線電壓拉偏。

3 案例

本文以某型艦船電子設備為研究對象，共選取4 套（1#~4#）設備，其中兩套（1#、2#）采用常規環境應力篩選方法進行，兩套（3#、4#）采用高加速環境應力篩選方法進行。

該設備的高低溫極限工作溫度為+50 ℃和-10 ℃。選用的元器件中極限高溫工作的最低值為+70 ℃，極限低溫工作的最高值為-40 ℃。

3.1 常規環境應力篩選條件

常規環境應力篩選的流程如圖2 所示。

圖2 常規環境應力篩選流程圖

根據GJB 1032A 和《海軍電子裝備環境應力篩選實施方法（2006）》的規定，本次溫度循環溫度上限為+50 ℃，溫度下限為-10 ℃，溫變率為5 ℃/min，上下限溫度保持時間為120 min，試驗中低溫升溫至高溫高溫結束通標稱電壓，共進行5 個故障剔除溫度循環和10 個無故障檢驗溫度循環（連續5 個無故障發生則結束），具體如圖3 所示。

圖3 常規環境應力篩選溫度循環剖面

隨機振動應力按照圖1 的隨機振動譜施加，隨機振動功率譜密度W 為0.04 g2/Hz，分為缺陷剔除階段（5 min）和無故障檢驗階段（15 min 中有連續5 min無故障則結束）。

3.2 高加速環境應力篩選條件

按照高加速環境應力篩選試驗方法確定本次高低溫工作極限值分別為+60 ℃和-20 ℃。溫度變化率選取15 ℃/min，溫度循環周期為5 個周期。根據該電子設備前期溫度調查結果，確定高低溫保持時間為120 min。

隨機振動應力選擇圖1 的隨機振動譜。其中；第1 個溫度循環施加的隨機振動功率譜密度W 為0.01 g2/Hz，第2 個循環為0.02 g2/Hz……第5 個循環為0.05 g2/Hz，每個循環振動時間均為5 min，振動軸向為沿印制板的垂直方向。按照公式（1）計算，5 個周期隨機振動的等效時間為5/64+5/8+5×27/64+5+5×125/64=17.6 min，在（15 ～20）min 內的最佳篩選時間內。

該型電子設備標稱電壓為220 V/50 Hz，電壓變化值為標稱值的±10 %，滿負載為2 kW。試驗中第1 溫度循環施加上限電壓242 V，第2 循環施加220 V，第3 循環施加198 V，第4 循環施加242 V，第5 循環施加220 V。

按照上述條件，制定的高加速環境應力篩選試驗綜合剖面如圖4 所示。

圖4 高加速環境應力篩選綜合剖面

3.3 兩種篩選方法的對比

經統計，采用常規方法完成兩套電子設備環境應力篩選共用時94 h，平均每套用時47 h（溫度循環46 h+隨機振動1 h），篩選過程中未發生故障。采用加速方法完成兩套電子設備環境應力篩選共用時45 h 40 min，平均每套用時22 h 50 min（不含排除故障時間），篩選過程中共出現兩個早期故障。

由此可見，高加速環境應力篩選周期縮短至常規篩選的50 %以內，不僅大大縮短篩選周期，同時提高了篩選效果。

4 結論

本文所提出的高加速環境應力篩選方法不僅適用于艦船電子設備，同時適用于其他平臺的電子設備，電氣產品、光電、機電等產品也可參考該方法使用。