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按有關標（biāo）準進（jìn）行ESS時常遇到的問題

作者：網絡編輯：草莓视频网站儀器來源：網絡發布日（rì）期： 2020.11.14

    自20世紀70年代，以美國為首的發達（dá）國家在嚐到ESS的甜頭之後，紛紛以文件或標準（zhǔn）的形式要求裝備研製生產中須開展此項工作。其中具影（yǐng）響力的文（wén）獻當屬MIL-STD-2164《電子設備環境應力篩選方法》和DoD-HDBK-344《(電子設備環境應力篩選》，前者明確了（le）常規篩選的方法，後者為定量篩選提供了指導。緊密（mì）跟蹤國外先進的（de）科研生產技術，我國（guó）以（yǐ）2164標準為藍本製定了GJB1032-1990《電子（zǐ）產品環境應力（lì）篩選方法》，以344手（shǒu）冊為（wéi）藍本製定了GJB/Z34-1993《電子產品定量環境應力篩選指南》。CJB/Z34內容先進、方法科學合理，但由於篩（shāi）選條件的製定要依（yī）據元器件的缺陷率（lǜ）和所施加應力的篩選度等，而元（yuán）器（qì）件缺陷率是一估計值，且隨著大規模集成電路和新研模（mó）塊在產品上的大量應用，缺陷率估計值（zhí）的可信性越來越小，加上GJB/Z34隻適用於純電子（zǐ）產品，所以武器裝（zhuāng）備研製和生產中很少按GJB/Z34進行定量篩（shāi）選。相反，GJB1032在裝備研製與生產中得到（dào）了（le）廣泛應用，為剔除產品的早期故障提供了有效手段，在保（bǎo）證裝備的質量與可靠性方麵發揮了積極作用。隨著實踐的不斷深人，人們發現GJB1032中的一些規定過於死板，嚴格（gé）按該標準進行篩選時往往達不到應有的目的。下麵就結合（hé）工程實踐（jiàn）中常遇到的（de）一些問題談一些體會。
    1.1 適用範圍
    GJB1032第1節明確，本標準適用於地麵固定設（shè）備、地麵移動設備艦船用設備、飛機用設備及外掛、導彈用設備上的電子產品，且在其第五節明確了（le）篩選條件:80~ 120h的溫度（dù）循環和10 ~ 20min .0.04g/Hz的隨機振動。這是不合適（shì）的（de），因為ESS的（de）目（mù）的是（shì）剔除早期缺陷，同樣的（de）產品用在不同（tóng）環（huán）境中表現出的（de）故障特征是不一樣的。舉一個（gè）簡單的例子來說，設某電子產品中存在固有缺陷a.b.c .d。當將其用在導（dǎo）彈上時因為使用環境嚴酷，其固有缺陷ab.e可（kě）能會以（yǐ）早期故障的形（xíng）式暴露出來，因此應針對固有缺陷a、b、c設計合理的篩選方案X，將a、b、c以早期故障的形式暴（bào）露（lù）出來。當將其用在地麵固定設備上時，因為使用環（huán）境溫和則可能僅固有缺陷a會以（yǐ）早期故障的形式暴露出來，因（yīn）此（cǐ）應針對固有缺陷a設計合理的篩（shāi）選方案Y。顯然（rán）方案Y明（míng）顯不同於方案X。所以，篩選條件（jiàn）雖不模擬產品的實際使（shǐ）用環境，但在（zài）製定產品篩選方案（àn）時應考慮產品的使（shǐ）用環境。
    1.2 每個（gè）溫度循環的（de）時間.
    G，JB1032第1節明確:“篩選產品可以是印刷電路板組裝件、電子組件或整機”。從理論（lùn）上講，對於簡單的印刷電路板組裝件，沒有必要進行（háng）80~ 120h的溫度循（xún）環。因為溫度循（xún）環（huán）不同於溫度老（lǎo）煉，其激發產品潛在（zài）缺陷的有效性主要在於溫度變（biàn）化導（dǎo）致產品熱脹冷縮而產生的（de）應力，而不是較長時間的恒（héng）定溫度累（lèi）積效應。從測試的一些數據看，對由印刷電路板（bǎn）組成的簡單組裝件，一般0.5h的溫度保持（chí）時間已足夠（gòu）使（shǐ）產（chǎn）品達到熱平衡。再（zài）考慮升降溫時間，一般一個循環需要2h左（zuǒ）右就（jiù）可以，而不需要（yào）取GJB1032中的3h20min或4h。相反，對於熱慣性較大的（de）複雜電子設備，即使4h的循環時間也達不到應有的篩選效果。如某型導引頭的溫度穩定時間大於3h，再考慮升降溫時間，一般一個（gè）循環約需要7h。因此應根據產品的溫度穩定（dìng）時間確定溫度循環持續時間。
    1.3溫度循環高低溫保持（chí）時（shí）間的確（què）定
    GJB1032附錄B詳細（xì）規定了溫度循環中高低溫保持時間的確定方法，具有很強（qiáng）的操作性，但±10℃的溫度允差範圍明顯不合適。雖然篩選的溫度循環（huán）效應主（zhǔ）要在於（yú）通過溫（wēn）度變化導致不同材料（liào）的變形（xíng）不一而使缺陷激發為故（gù）障，但對大（dà）多數電子元器件而（ér）言，-45~ - 55℃的低溫（wēn）極限是一關。如某器件在-45℃能正常工（gōng）作，但在-50℃很可能不（bú）能工作。再者，許多電子元器件的失（shī）效率隨著溫度的升高（gāo）呈幾何級數增加（jiā）。設某產品的篩選溫度極限為-50~ 70℃，按GJB1032的規定，隻要產品上2/3的典型部位的溫度達到（dào）-40℃，就可（kě）通電測試產品(測試時間一般較短，測試時產品溫度（dù）降（jiàng）不到- 50℃);然後升溫，隻要產品上2/3的典（diǎn）型部位的溫度達到60℃ ，就可通電測試產品(測試時產品溫（wēn）度升不到70℃)。即（jí）產品上（shàng）典型部（bù）位的溫度（dù）大都（dōu）在- 40~ 60℃之間變（biàn）化。這樣會導致2個問題:一是低溫環（huán）境考核不足，通過了篩選的產品可能在- 50℃的使用環（huán）境下不能正（zhèng）常工作;另一個是高溫階段的失效率明顯下降，即高（gāo）溫階段本來應暴露（lù）的多個潛在缺陷隻能暴露（lù）較少一部（bù）分，達不到篩選效果。這一點（diǎn）可從國外（wài）某產品的篩選方（fāng）案得到印證:某電子設備溫度循（xún）環中的高低溫保持時間是以探針（zhēn）測得的溫度為準，即篩（shāi）選中將（jiāng）探針連（lián）接到受（shòu）篩產品的典型部位，當探針指示溫度在極限溫度（dù）的±2℃時，才認為達到要求，所以應以±2℃的溫度允差（chà）來確定溫度循環中的高低溫保持時間。
    1.4 溫度變化（huà）速率（lǜ）
    GJB1032第5.1節明確:“溫度循環的溫度變化率為5℃/min”。這一規定顯然不適用於所有層次的產品，因為溫度循環（huán）的有效性取決於產（chǎn）品上響應的溫度變化，而不是由（yóu）溫度循環試驗（yàn）箱內空氣溫度的變化率來決定。筆者（zhě）曾對某複雜飛控設備B進行過溫度測（cè）試，設定溫度範圍為（wéi）-55~ 70℃，溫度變化率為5℃/min，以設備上關鍵器件的溫度（dù）達到規定值（zhí）(上下限溫度值的±2℃ )計算溫度響應（yīng）時間。測得結果為:全程平均的升、降溫速率分別（bié）為1.56℃/min.- 1.40℃/min。假設將某簡單電子組件A和飛控設備B放在溫度循環試驗箱內，按（àn）上述條件進行溫度循環。由於產品A的熱慣（guàn）性較小，產品A能（néng）很快響（xiǎng）應試驗（yàn）箱內的溫（wēn）度變化，設其（qí）全程（chéng）平均的（de）升降溫（wēn）速率均為4.5℃/min。按GJB/Z34提供的溫度循環篩選度公式(見式1)，假設都進行5個溫度循環，可計算出（chū）產品A和設備B的篩選（xuǎn）度分別為:0.697和0.366(飛控B的溫度變化率按升降溫速率的平均值1.48℃/min 計算)。
    SS=1-exp{-0.0017(R+0.6 )0[In(e+ζ)]3xN }
    式中:R——溫度（dù）循環中（zhōng）的溫度變化範圍（wéi），℃
    ζ——溫度（dù）變化（huà）速率， ℃/min;
    N——循（xún）環次數;
    E——自然對數的底。
    可（kě）見同（tóng）樣的篩選條件，不同產品內的缺陷（xiàn）以故障形式析出（chū）的概率（lǜ）明顯（xiǎn）不同。要（yào）想使（shǐ）設備B達到與產品（pǐn）A同樣的篩選度、同樣的篩選溫度範圍和溫變率，需要將（jiāng）溫度循環數（shù）增加到13個，因此實際應用中應根據產品熱（rè）慣性和試驗設備的能力等確定溫度變化率。對於熱（rè）慣（guàn）性大的產品，較大（dà）的箱內溫（wēn）度變化率要求不但對設備要求苛刻、浪費了資源，更主（zhǔ）要的是篩（shāi）選度的提高很有限。筆者（zhě）曾對（duì）飛控（kòng）設備B用（yòng）10℃/min的溫度變化率進（jìn）行摸底測試，測得結果為:全程( -55 ~ 70℃)平均的升、降溫速率分別為1.80℃/min .-1.64℃/min，按式(1)計算，其篩選度提高到0.400，僅提高了不到10個百分點。
    1.5 溫度循環數
    G，JB1032第5.1節明確:“在缺陷剔除試驗（yàn）中，溫度循環為10次或12次，相應（yīng）時間為40h。在無（wú）故障檢驗中為10~20次或12~24次，時間（jiān）為40~80h”。這一規定顯然也不適用於所有產品。從不（bú）同環境對產品壽命的效應影響來看，雖然極（jí）限溫度範圍內的溫度循環對產品壽命影響遠比隨機振動小.得多，但篩選尤其會（huì）影響產品的生產周期。實踐中溫（wēn）度（dù）循環數的多少應視產品（pǐn）的複雜（zá）程度而定:組成簡單的產品，溫度（dù）循環（huán）數可適（shì）當減少;組成複雜的產品，溫度循環數可適當增多。如某精確製導炸彈（dàn）在科（kē）研試製階段曾按GJB1032的規定嚴格進行20個溫（wēn）度循環（huán），該階段研製的20多發產品（pǐn）在篩選中的表現是:若產（chǎn）品在前4個溫度（dù）循環中無故障，則產品在以後的16個溫（wēn）度循環中也無故障。基於這-.實踐，在設計定型階段調整了篩選方案:將試製階段的20個溫（wēn）度循（xún）環數調整為5個，即保證產品經曆5個（gè）完整的溫度循環，且應無故障通過後1個溫度循環。由於針對試製階段的問題采取了有效的糾正（zhèng）措施，設（shè）計定型階段研製的18發產品在篩選中僅有3發在溫（wēn）度循環中出現故障，分別是在第1.2.3循（xún）環中出現的，經分析都是偶發性故障。從通過了（le）篩選的產品在設計定（dìng）型環境鑒定試驗、可靠性鑒定試驗和外場（chǎng）靶試的表現來看，未發現（xiàn）因篩選不充分導致的早期故障，因此在產品設計定型後仍采用（yòng）了此篩選（xuǎn）方案。
    1.6 振動應（yīng）力
    GJB1032第5.2節詳細規定了（le）篩選用隨機振動的譜形、量值（zhí）、振（zhèn）動時間、施振軸向、振動控製點、監測點等（děng）試驗參數。筆者認為施振軸向、振動控製點、監測點的規定適用於工程實際，但對每種產品（pǐn）都施加同樣譜型、同樣量值（zhí）、同樣時間的振動明顯不合適（shì）。雖然篩選的目的是剔除產品中可能發展為早期故障的潛在缺陷，但其前提是不能（néng）過多消耗產品的有效壽命。不同（tóng）產品有不（bú）同（tóng）的（de）壽命要（yào）求，篩選用振動應考慮產（chǎn）品的壽命和（hé）使用環境而設置。如某製導（dǎo）彈的掛飛壽命較短（duǎn）(10h)，結合（hé）產品的外場實測結果，得出其耐久振動試驗（yàn）譜型見圖1，耐振時間為（wéi）Y向（xiàng）20min，將其與GJB1032給（gěi）出的試驗條件(見圖2，振動敏（mǐn）感軸向至少振動10min) 比較可知（zhī）:若按GJB1032的規定嚴格進行篩選，單隨機振動- -項，幾（jǐ）乎消（xiāo）耗掉了產品的（de）耐振壽命（mìng）。不但圖2中的均方根（gēn）值( 6.06g)比產（chǎn）品的耐久振動的（de）均方根值（zhí）(5.17g)大，且圖2的功率譜密度曲（qǔ）線幾乎包含了產品的耐久振動功率譜密度（dù）曲線。因此應根據產品的壽命特征值、未來使（shǐ）用環境和設計極限等來確定篩選（xuǎn）中的振（zhèn）動應力。

耐久振動（dòng）試驗