環境應力（lì）篩選（ESS）誘發故障機理及應力參數的確（què）定
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發布日期： 2020.11.19
環境應（yīng）力篩選（ESS）是通過向產（chǎn）品施加加速環境應力，將存在於產品內部的（de）潛在缺陷（xiàn）在短時間內變成故障，並加以發現和排除的過程。環境應力篩選不是一般接受/拒收（shōu）意義上的試驗，而是一種（zhǒng）工藝手段，是發現和剔除不良元器件、工藝缺陷、設（shè）計缺陷及（jí）其它原因造成（chéng）的早期（qī）故障的（de）有效工藝手段（duàn），它不僅（jǐn）應用於產品的（de）生產階段，而且還應用於產品的研製階（jiē）段。產品經過環境應力篩（shāi）選，其使（shǐ）用可靠性可以得（dé）到大幅度提高（gāo）。
原（yuán）則上（shàng），凡能將產品中潛在缺陷激發為故障的應力，均可用（yòng）於篩選。實踐經驗表明，不同應力在激發產品內部缺陷效果上存在很大差異（yì）。篩選應力必須選擇那些激發產品內部缺陷十分有效（xiào）的應力。從美國環境科學協會（IES）搜集的曆（lì）年（nián）資料中可以發現（xiàn），溫（wēn）度循環是有（yǒu）效的篩選應力方法，其（qí）次是隨機振動。在暴露的缺（quē）陷中約（yuē）80%是對溫度循環響應的結果，約20%是對（duì）隨機振動響應的結果（guǒ）。實踐證明（míng），溫度循環（huán）和（hé）隨機振動組成的ESS篩選（xuǎn）方法是消除產品潛在缺陷經濟有效（xiào）的手段。因此，環境應力篩選常選擇的應力就是溫度循環和隨機振動。
1、誘發故障機理
溫度循環和隨機振動誘發故障機（jī）理的不同，決定它們所激發的缺陷類型也不一樣。
產品在經受溫度（dù）循環時，內部交（jiāo）替膨脹和收縮（suō），使（shǐ）其產生（shēng）熱應力和應變。當產品內部存（cún）在瞬（shùn）時的熱梯度，或產品內（nèi）部鄰接材料的熱（rè）膨脹係數不匹配時，這些應力（lì）和應變將會加劇，並在潛在缺陷處出現應力集（jí）中，多（duō）次循環將會累積（jī）這種效應，終使缺陷變成故障。隨機振（zhèn）動是在很寬的頻率範圍內對產品施加振動（dòng）應力，產品在不同的頻率上同時受到應力，並在許多諧振點上同時受到激勵，從而使安裝不當的元件受扭（niǔ）曲﹑碰撞，產品的結構鬆動或磨損甚至破壞（huài）。可（kě）以這樣說，溫度循環在（zài）揭示元器（qì）件的缺陷方麵起主要作用，而隨機振動在揭示工藝（yì）和組裝缺陷方麵起主要作用。
采用隨機振動-溫度（dù）循環（huán）-隨機振動組（zǔ）合方式的篩選順序，有利（lì）於這2種（zhǒng）應（yīng）力間的協同作用（yòng），加速激發和暴露產品內部的潛在缺陷。
2、應（yīng）力參數（shù）的確定
環境應力篩選（xuǎn）使用的應力主要是激發故（gù）障（zhàng），而不（bú）是模（mó）擬工作環境（jìng），對於篩選出的故障（zhàng）不僅沒（méi）有數量上的限（xiàn）製，而且在費用和時間允許的情況下，希望把盡可（kě）能多的缺陷變為（wéi）故障並加以排除。環境應力篩選所用的應力雖然是加速應力，但不能超出產（chǎn）品設計的極限，不能讓受篩產品因為篩選而使其性能下降或壽命降低（dī）。一個經濟有效的環境應力篩選，確定合理的應力參數非常關鍵。
2.1溫度循環應力參數的確定
在溫度循環諸（zhū）參數中，對篩選效果有（yǒu）影響（xiǎng）的（de）是溫（wēn）度變化範圍（wéi）（或高.低溫極值）、溫度（dù）變化速率（lǜ）以及循（xún）環次數。
2.1.1 溫度變化範圍
溫度變化範圍表明了產品在每一個循環中經受的熱應力/應變，它由高、低（dī）溫極值（zhí）決定。選擇溫度極值的關鍵是給產品施加適當應力以析出缺陷而不（bú）損壞好的產品。溫度極值的選定必須考慮2個關鍵因（yīn）素:組件的.貯存溫度;組（zǔ）件設計（jì）的工作溫度和工（gōng）作溫度。
確定的溫度（dù）極值應（yīng）當是受篩產品所經受的溫度不應（yīng）超過構成產品（pǐn）各組件的各（gè）個部件﹑元器件和材料的設計值（貯存溫度（dù）和工作溫度）中（zhōng）的小值，溫（wēn）度不應超過構成產品各（gè）組件的（de）各個部件、元器件和材料的設計值（貯（zhù）存溫度和工作溫度）中的值。在實踐中，使用的溫度範（fàn）圍基本上在90~180℃之間，選取的小溫（wēn）度變化範圍是:組件125℃（通常低溫-50℃，高溫75℃），單（dān）元（yuán）110
℃（通常低（dī）溫-40℃，高溫70℃），係統100℃（通常低溫-40℃，高溫60℃）。在上（shàng）述確定方法的基（jī）礎（chǔ）上，根據產品的設計能力，選取的溫度變化範圍盡可能大，以提高篩選（xuǎn）效率。
2.1.2溫度變化速率
溫度變化速率通常指的是環境應力篩選試驗箱內空氣（qì）溫度（dù）變化的平均速率。提高溫度（dù）變化速率可加強產品的熱脹冷縮程度並縮短這一過程的時間，加劇熱應（yīng）力和應變，因此較高的（de）溫度變化速率可以提供更有效的篩選。由於受產品本身的熱容量和熱慣性的影響，產生（shēng）在產品上的溫度響應（yīng）並不都與環境應力篩選試驗箱內（nèi）的溫度變化速率同步（bù），熱容量大的產品往往出現明顯的溫度變化（huà）滯後，尤其是受篩產品質量大，溫度變化速率太（tài）高，環境應力篩選（xuǎn）試驗箱風速慢的條件下，這種溫度變化滯後更明顯，從而達不到預期的篩選效果。
溫（wēn）度變化速率的選擇取決於受篩產品（pǐn）的特性，同時還應考慮篩選設備能力。根據美國多年的篩選經驗，印製板（bǎn）組件組裝級的篩（shāi）選溫（wēn）度（dù）變化速率常（cháng）采（cǎi）用15~20℃/min，單元級的常采用10~20℃/min，設備和係統級的常采用10~15 ℃/min。
環境（jìng）應力篩選試驗箱的風速是影響受（shòu）篩產品溫度響應的重要因素。大的風速加快了環境應力篩選試驗箱內空（kōng）氣溫度的（de）對流速度，保證了受篩產品各組件與環境應力篩選試驗箱內空氣溫度有良好（hǎo）的熱變換，提高了篩選效率。為改善受篩（shāi）產品的溫度（dù）響應（yīng），可以在組件密度高或熱容量大的部位安裝風扇之類的空氣循環係統，提高這些部位的溫度變化（huà）速（sù）率。美國休斯飛機公司（sī）近的經驗表明，對印製板組件組裝級篩（shāi）選時，為使硬件（jiàn）溫度緊跟環境應力篩選（xuǎn）試驗箱中空氣溫度變化，組（zǔ）件處的空氣速度必須至少為（wéi）4.75
m/s例。對於風速小於5 m/s的環境應力篩（shāi）選試驗箱，由於受篩產品（pǐn）各組件與環境應力篩選試驗（yàn）箱（xiāng）內空氣的熱交換較緩慢，篩選時不宜采用超過15℃/min的溫度變化（huà）速率同，過高（gāo）的溫度（dù）變化速率（lǜ）反而（ér）會使產品的溫度響應變差，降低了篩選（xuǎn）效果。
為尋找佳的溫（wēn）度變化速率，要求對受篩產品進行溫度（dù）調查（chá），尤其對產品的關鍵部位，依據產生在產品上的溫度響應結果並結合篩選設備能力進行確（què）定（dìng）。
2.1.3循環次數
產品在經（jīng）受溫（wēn）度循（xún）環時，溫度的（de）變化使產品內（nèi）部產生熱應力和應變，當產品內部存在缺陷時，這種熱（rè）應力（lì）和應變容易在這（zhè）些缺（quē）陷部位集中，激發它們終誘發成故障，而溫度循環次數的增加（jiā）則能累積這種激發（fā）效（xiào）應。循環次數影響篩選的有效性和持續時間，從而影響篩選費用。循環次（cì）數越多，篩選越徹（chè）底（dǐ）。溫度循環次數的選取與受篩產品的結構複雜程度.設計和工藝成熟度密切相關。結構簡單的產品，溫（wēn）度循（xún）環次數可適（shì）當少（shǎo）些;產品結（jié）構越複雜，所需的溫度循環次數也就越多。用於篩選的產品，一方麵希望產品內部潛在缺陷盡可能析出，另一方麵又不（bú）至於過分消耗產品的有效壽命。對印製（zhì）板組件來說，一般選擇為20~40個溫度循（xún）環，而對單元和係統來說（shuō），常選擇（zé）為12~20個（gè）溫度循環。
極值溫度的保持時間以及在循（xún）環過程中產品是否加電（diàn）監測也是影響溫度循環篩選效（xiào）果（guǒ）的重（chóng）要因素。極值溫度保持時間包括以下兩段時間:第1段是受篩產品的組件溫度達（dá）到穩定所需要的時間;第⒉段（duàn）是組件在溫度極值下浸泡所（suǒ）需要的時間。對於前者，通常有兩種穩定（dìng）準則:一（yī）種是當產品內響應慢的元件的溫度與極值溫度之差在極值溫度的（de）15%以內時（shí），就（jiù）認為達（dá）到了溫度穩定（如圖1AT所示）;另（lìng）一種是在受篩產品的典型（xíng）部位安裝溫度（dù）傳感器進行溫度調查，當溫度傳感器指（zhǐ）示值在極值溫度的±2℃時，才認為達到（dào）溫度穩定例。為了（le）縮短溫度穩定時間，可采用風速大的環境應（yīng）力篩選試驗箱來篩選，在不影響產品（pǐn）結構強度和各（gè）級（jí）組件（jiàn）固定連接方式（shì）的情況下，盡可能（néng）去除機櫃蓋（gài）子，加快產品部件周圍的（de）空氣對流速度。對於後者，即（jí）浸泡時間，其目的有2個:保證釺料發生蠕變，這段時間（jiān）一般為5
min;完成功能測試（shì），時間常常大於5 min。因此，對於不需要監測的產品，浸泡時間為5 min，對於需要監測的產品，浸泡時間則延長至完成功能（néng）測試所（suǒ）需要的時間（ ≥5 min）。由於保持時間是（shì）決定效費比的主要因素，為達到一個合理的效（xiào）費比，對（duì）受篩產品進行溫度調查是十分必（bì）要的。
加電監測是尋找間歇故障的有效方法。單（dān）元或係統級產品在篩選過程中通（tōng）常要求加電監測，但對（duì）印刷線（xiàn）路組（zǔ）件（PWA），由於它們在.工.作（zuò）環境（jìng）中不能作（zuò）為獨（dú）立產品使用，同時通常也不（bú）具備功能檢測的條件（jiàn），一般不加電監測。考慮到加電使產品產熱從而影響溫度變化速率，加電監測時機宜選在兩個極值溫度保持階段和升溫階段。在溫度循（xún）環篩（shāi）選過程中，增加性能測試次數，可及時發現故障並加以修複，節省篩選時間，提高篩（shāi）選效果。
2.2隨機振（zhèn）動應力參數的確定
隨機振動是（shì）在寬頻率範圍上對（duì）產品施加振動，產品（pǐn）上所有諧（xié）振（zhèn）頻率（lǜ）在（zài）整（zhěng）個振動時間內同時受到（dào）激勵，因而能快速（sù）析出潛（qián）在的缺陷。振動篩選（xuǎn）的核心是譜形（xíng）和總量值。因此，確定譜形和總量值是確定振動篩選方案的關鍵。
2.2.1振動譜型和量值
一個充分（fèn）篩選的振動頻（pín）譜應當是寬帶（dài）的，頻率範（fàn）圍常為20~2000 Hz，必（bì）要時可依據產品情況，將頻率範圍縮小到100~1000 Hz，以保證受篩產品（pǐn）所有諧振頻率在整個（gè）振（zhèn）動時間內同（tóng）時受到激（jī）勵。常規篩選振動量值一般為0.04
gHz，加速（sù）度均方（fāng）根值（Grms）為6.06 g（如圖2所示）。由於產品中缺陷的析出取決於（yú）缺陷處的振動響（xiǎng）應，而不是取決於振動輸入，因此為了（le）能將產品中的缺陷很好地析出，而又不使敏（mǐn）感的和關（guān）鍵的元器件以及好的元器件損壞，必須先對產品尤（yóu）其對振動響應不（bú）清楚的產品進行振動調查，摸清（qīng）產品對振（zhèn）動輸入（rù）的響應特（tè）性，包括共振頻率、優勢頻率和各組件對振（zhèn）動輸入的響應情（qíng）況，再根據產品的振（zhèn）動響應特性來確定振動量值，以保證（zhèng）振動輸入的量值大小既能激發缺陷又不損壞產（chǎn）品，從而達到理想的篩選效果。根（gēn）據經驗，元件級、組件級篩選量值通常取0.04~0.045
gHz，而整機產品或含有不耐振部件的產品篩（shāi）選量值一般（bān）低於0.04 g/Hz（通常取0.02~0.04 g/Hz），但具體量值需經過振動調查來確定。
2.2.2振動軸向和振動（dòng）時間
隨（suí）機振（zhèn）動原則上應在3個軸向（xiàng）進（jìn）行。但由（yóu）於產品的結構特點及複雜程度.內部（bù）部件布局以及產品對不同軸向振動的響應（yīng）程（chéng）度不同（tóng），振動軸向可以是1個軸向也可以是（shì）2個或3個軸向。一般情況下隻選取單一（yī）軸向振動即可有效（xiào）地完成篩選，但這一軸向應是敏感的軸向，析出的缺陷應遠大於其（qí）它2個軸向，具體振動軸向需要（yào）通（tōng）過對3個互相垂（chuí）直軸向（xiàng）進行振動調查（chá），確定產品關（guān）鍵部位的（de）響應，找出敏感的（de）軸向，必要時，可以增加振動軸向以使（shǐ）篩選更充分。
振動時間一般為每軸向5~10 min，累計不超過20 min8。實踐經（jīng）驗表明，隻要振動量值合適，10 min的振動足以析出大多數缺陷（xiàn）3。延（yán）長振（zhèn）動時間無益於篩（shāi）選，反而引起疲勞（láo）積累損傷，過多地消耗產品的（de）有（yǒu）效壽命。
在進行振動調查和振動篩選時，產品與振動篩選設備（bèi）間要求剛性（xìng）連接，以保證振（zhèn）動輸（shū）入盡（jìn）可能不（bú）失真地傳（chuán）遞給產品。
3、結語
環境（jìng）應力篩選是提高產品質量和可靠性的有手段。—個有效的篩選通常要（yào）求（qiú）溫度變（biàn）化範圍大.溫度變化速率快以及寬帶的隨（suí）機振動（dòng）。對產品確定合適的篩選應力參數既可（kě）將其內部潛在缺陷充（chōng）分析（xī）出，又不過分消耗（hào）產品的有效（xiào）壽（shòu）命或破壞產品，使（shǐ）效費比合理。由於產品的（de）結構特點，複雜程度.功能及使用要求千差（chà）萬別.產生在產品上的應力（振動.溫度）響應大小不一，因此，不可能存在一個通用的、對所有產品都具在佳效果的篩選方法。為達到佳篩（shāi）選效果，在確定（dìng）溫度（dù）循環和隨機（jī）振動篩選應力參數時，還應當（dāng）對受篩產品進行溫度調查及振動響（xiǎng）應調查，進一步優化篩選應力參數。
