环境应力筛选试验汇总.doc

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1、环境应力筛选试验1 环境应力筛选的目的和原理 1.1 环境应力筛选的目的 环境应力筛选的目的在于发现和排除产品的早期失效，使其在出厂时便进入随机失效阶段，以固有的可靠性水平交付用户使用。1.2 环境应力筛选的原理 环境应力筛选是通过向电子装备施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，以便人们发现并排除。 环境应力筛选是装备研制生产的一种工艺手段，筛选效果取决于施加的环境应力、电应力水平和检测仪表的能力。施加应力的大小决定了能否将潜在的缺陷在预定时间内加速变为故障；检测能力的大小决定了能否将已被应力加速变成故障的潜在缺陷找出来，以便加以排除。因此，环境应力筛选又可看作是产品质量

2、控制检查和测试过程的延伸。2 缺陷分类2.1 通用定义 产品丧失规定的功能称失效。对可修复产品通常也称为故障。对设备而言，任一质量特征不符合规定的技术标准即构成缺陷。 绝大多数电子装备的失效都称为故障，以故障原因对其进行分解可以参阅图2.1.1。从图中可知，装备故障分为偶然失效型故障和缺陷型故障两大类。人们认为偶然故障表现为随机失效，是由元器件、零部件固有失效率引起的；而缺陷型故障由原材料缺陷、元器件缺陷、装配工艺缺陷、设计缺陷引起，元器件缺陷本身又由结构、工艺、材料等缺陷造成，设计缺陷则包含电路设计缺陷、结构设计缺陷、工艺设计缺陷等内容。 结构 工艺 材料 电路设计 结构设计 工艺设计 缺陷

3、 缺陷 缺陷 缺陷 缺陷 缺陷 元器件缺陷 设计缺陷 原材料 装配工艺 缺陷 缺陷 缺陷型故障 偶然失效型故障 电子装备故障 图2.1.1 电子装备故障原因分解示意2.2 电子设备可视缺陷分类 按照GJB 2082电子设备可视缺陷和机械缺陷分类，从影响与后果方面缺陷分为致命缺陷、重缺陷、轻缺陷；从可视的角度来看，产生缺陷的主要工艺类型有：焊接、无焊连接、电线与电缆、多余物、防短路间隙、接点、印制电路板、零件制造安装、元器件、缠绕、标记等，其中多数都可能产生致命缺陷或重缺陷，轻缺陷比较普遍。 致命缺陷是指对设备的使用、维修、运输、保管等人员会造成危害或不安全的缺陷，或可能妨碍某些重要装备（如舰艇

4、、坦克、大型火炮、飞机、导弹等）的战术性能的缺陷。 重缺陷是指有可能造成故障或严重降低设备使用性能，但又不构成致命缺陷的缺陷。 轻缺陷是指不构成重缺陷，但会降低设备使用性能或不符合规定的技术标准，而对设备的使用或操作影响不大的缺陷。 可视缺陷是指通过人的视觉器官可直接观察到的，或采用简单工具对设备质量特征所能判定的缺陷。 承制单位的质量检验人员对大多数可视缺陷都可以发现并交有关部门排除，唯有不可视缺陷需要进行环境应力筛选或其它方法才能被发现，否则影响产品可靠性。3 筛选应力及其效应表达式3.1 常规筛选与定量筛选 常规筛选是指不要求筛选结果与产品可靠性目标和成本阈值建立定量关系的筛选。筛选方法

5、是凭经验确定的，筛选中不估计产品引入的缺陷数量，也不知道所用应力强度和检测效率的定量值，对筛选效果好坏和费用是否合理不作定量分析，仅以能筛选出早期失效为目标。筛选后的产品不一定到达其故障率恒定的阶段。 定量筛选是要求筛选的结果与产品的可靠性目标和成本阈值建立定量关系的筛选。定量筛选有关的主要变量是引入缺陷密度、筛选检出度、析出量或残留缺陷密度。引入缺陷密度取决于制造过程中从元器件和制造工艺两个方面引进到产品中的潜在缺陷数量；筛选检出度取决于筛选的应力把引入的潜在缺陷加速发展成为故障的能力和所用的检测仪表把这些故障检出的能力；残留缺陷密度和缺陷析出量则取决于引入缺陷密度和筛选检出度。定量环境应力

6、筛选关系式如下： DR=DINF =DIN(1TS) (2-3-1) TS=SSDE (2-3-2)式中：DR残留缺陷密度，平均个/产品； DIN 装备引入的缺陷密度，平均个/产品； F境应力筛选析出的缺陷量，平均个/产品； TS筛选检出度； SS筛选度； DE检测效率。 在进行定量筛选之前，首先要按照可靠性要求确定残留缺陷密度的目标值DRG，然后通过适当地选择筛选应力种类及其量值的大小、检测方法、筛选所在等级等参数设计筛选大纲。实施此大纲时，要进行监测和评估，确定DIN、SS、DR的观察值，并与设计估计值比较，以便及时采取措施保证实现定量筛选目标，并使之最经济有效。定量环境应力筛选的控制过程

7、请参阅图2.3.2。3.2 恒定高温应力3.2.1 参数的计算3.2.1.1 筛选度计算 设恒定高温筛选的应力参数是温度Tu 、筛选时间t、环境温度TE (一般取25)，其筛选度SS的表达式为：SS1exp-0.0017(R0.6)0.6 t (2-3-3)式中：RTuTE Tu25 温度变化范围，；t恒定高温的持续时间，h。按公式(2-3-1)计算的恒定高温筛选度数据见表2-3-1。 加工引入的 缺陷 DIN加 制造 筛选 产品 元器件 材料 缺陷 DIN元 DIN SSDE DR DIN = TS = DR= DIN元DIN加 SSDE DINF F=DINTS 图 2.3.2 定量环境应

8、力筛选变量关系示意3.2.2 筛选故障率计算 恒定高温筛选时缺陷的故障率表达式如下：D ln(1SS)/t (2-3-4)式中：D 故障率，次小时；SS筛选度;根据式(2-3-4)计算的恒定高温故障率(D )见表2-3-1表2-3-1 恒定高温筛选度(SS)和故障率(D )时间温度增量(Dt）H01020304050607080100.01240.06770.09910.12400.14520.16390.18090.19640.2108200.02470.18080.18850.23260.26930.30100.32900.35420.3772300.03680.18960.26890.3

9、2780.37540.42560.45040.48100.5084400.04880.24450.34140.41120.46610.51140.54980.58300.6121500.06060.29560.40670.48420.54360.59150.63120.66490.6938600.07230.34330.46550.54810.60990.65840.69790.78070.7884700.08390.38770.51850.60420.66650.71440.75250.78360.8093800.09530.42920.56630.65330.71490.76120.797

10、30.82610.8495900.10650.46780.60930.69630.75630.80040.83390.86020.88121000.11760.50380.64800.73390.79170.83310.86400.88770.90631100.12860.53740.68290.76690.82190.86050.88800.90970.92601200.13940.56870.71440.79680.84780.88330.90870.92750.94161300.15010.59790.74270.82110.86990.90250.92520.94170.9539140

11、0.16070.62510.76870.84330.88880.91840.93880.95320.96391500.17110.65050.79120.86280.90490.93180.94980.96240.97131600.18140.67420.81190.87980.91870.94300.95890.96970.97741700.19160.69620.83050.89470.93250.95230.96630.97570.98211800.20170.71680.84730.90770.94060.96020.97240.98050.98591900.21160.73600.8

12、6250.91920.94920.96670.97740.98430.98892000.22140.75380.87610.92920.95660.97210.98150.98740.9912D0.00130.00700.01040.01320.01570.01790.01990.02190.02373.2.3 恒定高温应力激发的故障模式或影响 恒定高温能激发的故障模式(或对产品的影响)主要有： 使未加防护的金属表面氧化，导致接触不良或机械卡死，在螺钉连接操作时用力不当或保护涂层上有小孔和裂纹都会出现这种未防护的表面。 加速金属之间的扩散，如基体金属与外包金属，钎焊焊料与元件，以及隔离层薄弱的

13、半导体与喷镀金属之间的扩散； 使液体干涸，如电解电容和电池因高温造成泄漏而干涸； 使热塑料软化，如该热塑料件处于太高的机械力作用下，则产生蠕变； 使某些保护性化合物与灌封蜡软化或蠕变； 提高化学反应速度，加速与内部污染物的反应过程； 使部分绝缘损坏处绝缘击穿。3.3 温度循环应力3.3.1 温度循环应力参数 温度循环应力参数有：上限温度、下限温度、循环次数、温度变化速率。3.3.2 温度循环应力筛选度计算 SS1exp0.0017(R0.6)0.6 Ln(ev)3 N (2-3-5) 式中：R=TuTL ，温度变化范围，； Tu 上限温度，； TL 下限温度，； V 温度变化速率，min； N

14、 循环次数； e =2.71828，自然对数的底。按式(2-3-5)计算的温度循环应力筛选度见表2-3-2。表2-3-2 温度循环应力筛选度次速率 温 度 范 围 数/m20406080100120140160180250.16830.23490.28860.33240.36970.40230.43120.45720.48092100.20970.40310.48120.54100.58910.62900.66290.69200.71732150.39110.52540.61240.67520.72320.76120.79200.81750.83882200.47070.61550.70340

15、.76360.80750.84070.86650.88710.9037450.29980.41470.49390.55430.60270.64270.67650.70540.73054100.49690.64370.73080.78930.83120.86240.88630.90510.92014150.62920.77480.84980.89450.92340.94300.95670.96670.97404200.71980.85220.91200.94410.96290.97460.98220.98730.9907650.41410.52220.64000.70250.74960.7884

16、0.81600.84010.86016100.64310.78730.86030.90330.93060.94090.96170.97080.97746150.77420.89310.94180.96570.97890.98640.99100.99390.99586200.85170.94320.97390.98680.99290.99600.99760.99860.9991850.50950.65740.74390.80140.84220.87230.89530.91320.92748100.74690.87310.92750.95560.97150.98110.98710.99100.99

17、368150.86250.94930.97740.98890.99410.99670.99810.99890.99938200.92150.97810.99230.99690.99860.99970.99970.99980.99991050.58980.73790.81780.86740.90050.92730.94050.99290.962310100.82040.92420.96240.97960.98830.99300.99560.99120.998210150.91630.97590.99130.99640.99840.99920.99960.99980.999910200.95850

18、.99160.99770.99930.99970.99990.99990.99990.99991250.65680.79940.87040.91150.93730.95440.96610.97440.980412100.87260.95480.98050.99060.98520.99740.99850.99910.999512150.94900.98860.99660.99880.99960.99980.99990.99990.999912200.97800.99680.99930.99980.99990.99990.99990.99990.99993.3.3 温度循环应力故障率计算 D =

19、Ln (1-SS) / N (2-3-6) 式中：D 故障率，平均次循环； SS 筛选度； N 循环次数。各参数组对应的故障率见表2-3-3。3.3.4 温度循环应力激发的故障模式或影响 使涂层、材料或线头上各种微细裂纹扩大；使粘接不好的接头松驰；使螺钉连接或铆接不当的接头松驰；使机械张力不足的压配接头松驰；使质量差的焊点接触电阻加大或开路；粒子污染；密封失效。表2-3-3 温度循环故障率(D )速 率温 度 循 环 范 围 /min2040608010012014016018050.08910.13390.17030.20200.23080.25730.28210.30550.3278100

20、.17170.25800.32810.38930.44470.49580.54360.58880.6317150.24800.37260.47390.56230.64230.71610.78520.85040.9125200.31810.47790.60770.72120.82370.91841.00701.09061.77023.4 扫频正弦振动应力3.4.1 扫频正弦振动应力的筛选度计算SS =1exp0.000727(G)0.863 t (2-3-7)式中：G高于交越频率的加速度量值，g；t振动时间，min。按式(2-3-7)计算的结果见表2-3-4。3.4.2 扫频正弦振动应力的故障率

21、D = Ln (1SS ) / t (2-3-8)式中：D 故障率，次h； SS筛选度；t时间，h。按式(2-3-8)计算的结果也见表2-3-4。表2-3-4 扫频振动筛选度和故障率时 间 加 速 度 量 值 （g） Min0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.05.0020.0036.0051.0066.0080.0099.0107.0120.0132.0145.0157.0169.0181.019310.0040.0072.0103.0131.0519.0186.0212.0238.0263.0287.0312.0355.0359.038215.

22、0060.0108.0154.0196.0289.0278.0316.0354.0391.0428.0464.0499.0534.056820.0080.0144.0204.0261.0316.0368.0420.0470.0519.0566.0614.0660.0705.075025.0099.0180.0255.0325.0393.0458.0522.0584.0644.0703.0761.0818.0874.092930.0119.0216.0305.0389.0470.0547.0623.0696.0768.0838.0906.0937.1039.110135.0139.0251.03

23、55.0452.0546.0636.0723.0807.0890.0970.1049.1122.1201.127540.0159.0287.0404.0515.0621.0723.0822.0917.1010.1101.1189.1276.1361.144445.0178.0322.0454.0578.0696.0810.0919.1026.1129.1230.1328.1424.1517.160950.0198.0357.0503.0640.0770.0895.1016.1133.1246.1357.1464.1569.1671.177155.0217.0392.0552.0701.0844

24、.0980.1112.1239.1362.1482.1598.1711.1822.198060.0237.0427.0600.0763.0917.1065.1207.1344.1476.1605.1730.1852.1970.2089D.0240.0436.0619.0793.0962.1126.1286.1443.1597.1749.1899.2048.2194.23393.4.3 扫频正弦振动应力激发的故障模式或影响 使结构部件、引线或元器件接头产生疲劳，特别是导线上有微裂纹或类似缺陷的情况下； 使电缆磨损，如在松驰的电缆结处存在尖缘似的缺陷时； 使制造不当的螺钉接头松驰； 使安装加工不当

25、的IC离开插座； 使受到高压力的汇流条与电路板的钎焊接头的薄弱点故障； 使未充分消除应力的可作相对运动的桥形连接的元器件引线造成损坏，例如电路板前板的发光二极管或背板散热板上的功率晶体管； 已受损或安装不当的脆性绝缘材料出现裂纹。3.5 随机振动应力3.5.1 随机振动应力的参数 随机振动应力的参数有： 频率范围、加速度功率谱密度(PSD)、振动时间、振动轴向数。 其振动谱可参阅图2.3.3。3.5.2 随机振动应力筛选度 随机振动应力筛选度的计算式如下：SS=1exp0.0046(Grms )1.71 t (2-3-9)式中：Grms加速度均方根值，g；Grms =（A1 A2 A3 ）1/

26、2 ； (2-3-10) A1 、A2 、A3 随机振动谱的面积，g2 (见图2.3.3)；t动时间，min。加速度功率谱 密度 g2/Hz +3db/oct 3db/oct A1 A2 A3 频率HZ 0 20 80 350 2000图2.3.3 随机振动谱示意 3.5.3 随机振动应力故障率计算 随机振动应力的故障率计算式如下：D = Ln (1-SS) / t (2-3-11)式中：D 故障率，平均次h； SS筛选度；t时间，h。按照式(2-3-9)计算的筛选度和按照式(2-3-11)计算的故障率数值见表2-3-5。表2-3-5 随机振动筛选度和故障率时间加 速 度 均 方 根 值 (g

27、)min0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.05.007.023.045.012.104.140.178.218.260.303.346.389.431.47810.014.045.088.140.198.260.324.389.452.514.572.627.677.72315.021.067.129.202.282.363.444.522.595.661.720.772.816.85420.028.088.168.260.356.452.543.626.700.764.817.861.896.92325.035.109.206.314.424.

28、529.625.708.778.835.880.915.941.95930.041.129.241.363.484.595.691.772.836.885.922.948.966.97935.048.149.275.409.538.651.746.882.878.920.949.968.981.98940.055.168.308.452.586.700.791.860.910.944.966.981.989.99445.061.187.339.492.629.742.829.891.933.961.978.988.994.99750.068.205.369.529.668.778.859.91

29、5.951.973.986.993.996.99855.074.224.397.563.702.809.884.938.964.981.991.996.998.99960.081.241.424.595.734.836.905.948.973.987.994.997.9991.00D.084.276.552.9031.321.802.352.953.614.325.095.906.777.693.5.4 随机振动应力激发的故障模式或影响 随机振动应力激发的故障模式或影响与正弦扫频振动应力相同，但故障机理更复杂，发展故障的速度要比扫频正弦振动应力快得多，这是由于随机振动能同时激励许多共振点的作用

30、结果。3.6 筛选效果对比3.6.1 温度应力对比 a) 对恒定高温应力的分析 恒定高温筛选的筛选度与温度增量、筛选时间密切相关，但其量值很小，由表2-3-1查得当温度增量为最大(80)、老炼筛选时间最长(200h)时，筛选度为0.9912。恒定高温的故障率只与温度增量有关，其值也很小，同样从表2-3-1查得温度增量最大(80)时故障率为平均0.0237次h。即为了暴露1个缺陷，用温度增量为80的恒定高温进行筛选平均需要42个小时。如果按有些产品以45(温度增量为20)高温进行老炼筛选的话，其故障率为0.0104次/h，需要平均老炼100小时才能暴露1个缺陷。因此可见，为了达到消除早期失效的目

31、的，用恒定高温的老炼筛选时间要很长，不仅筛选效率低下，而且有可能要影响产品的使用寿命。 故障率低和可能影响产品的使用寿命是恒定高温筛选应力的致命缺点。 b) 对温度循环应力的分析温度循环应力的筛选度与温度范围、循环次数有关，并且与温度变化速率关系最密切，即温度升降速率越大，其筛选度也越大。由表2-3-2可查得温度范围为180、循环次数为4、温度变化速率为20/min时，筛选度为0.9907。归一化后其故障率与温度变化范围和温度变化速率成正相关。由表2-3-3可查得,当温度变化范围为80、温度变化速率为5/min时温度循环应力的故障率平均为0.2020次/循环，一般每个循环时间在3.54.0小时

32、之间，因此该应力的故障率相当于平均0.0505次/h0.0577次/h之间。 因此，故障率高、筛选效率高、不会影响产品使用寿命是温度循环应力的特点。 c) 温度应力的比较 由上分析可知，温度变化范围为80、温度变化速率为5/min的温度循环应力的故障率是温度增量为80的恒定高温应力的2倍多(0.0505与0.0237之比)。而且在工程上要实现前者比后者容易得多。温度增量为80的恒定高温应力要让产品经受105（8025）高温的相当长时间的工作过程，平均42小时才能暴露1个故障。而温度循环应力，通常采用温度交变试验箱，此类设备对温度范围为80（由35变化到45）、温变速率为5/min的性能参数是最

33、低的要求，轻易便可实现，此应力可使产品平均筛选20小时便可以暴露1个故障，比恒定高温应力的筛选效率高很多。为了进一步提高温度循环应力的筛选效率，可以通过提高温度变化率的应力参数来实现。由表2-3-2可知，当温度范围仍为80、温度变化速率由5/min提高到20/min时，其故障率由平均0.2020次/循环提高到平均0.7212次/循环，后者是前者的3.5倍多，即平均5个小时便可以暴露1个缺陷。当然，温度交变试验箱要实现20/min的温变速率，需要大幅度地增加升降温系统的功率，甚至要在机械致冷的基础上加装液态氮致冷系统及其控制装置。这需要增加投入。为了提高筛选效率、减少筛选对产品寿命的影响，提高温

34、变速率是最好的方法，为此而增加投入也是适宜的。3.6.2 振动应力对比 一般说来，振动应力是定量环境应力筛选方法才采用的应力，它可以暴露温度循环暴露不了的某些缺陷。据统计，对电子设备而言，温度应力平均可以暴露79的缺陷，而振动应力平均可以暴露21的缺陷。因此，振动是不可缺少的筛选应力。扫频正弦振动台和随机振动台都可以作为振动环境应力筛选的设备，但由表2-3-4和表2-3-5的数据可以比较它们的故障率(即筛选效率)。我们按照GJB 1032电子产品环境应力筛选标准要求的典型的随机振动谱(见图2.3.3)算得其加速度均方根值为7.2g，取为7g；设持续时间为5min，查表2-3-5得筛选度为0.4

35、78、故障率为7.692次/小时。同样设扫频正弦振动的加速度为7g、持续时间为5min，查表2-3-4可得筛选度为0.0193、故障率为0.2339次/小时。两种振动应力的故障率相差甚大，随机振动是扫频振动的33倍！几种应力的筛选度和故障率的对比见表2-3-6。表2-3-6 筛选应力效果对比项 目恒温45恒温105交变805/min交变8020/min扫频 7g5min随机 rms7g5/minSS0.87610.9912中等高0.01930.478D(1/h)0.01040.02370.20200.72120.233970.692H/次故障100425240.30.13(70.8min)影响

36、寿命较大较大基本不影响不影响不影响不影响试验设备造价低低较低较高低较高当然，只有随机振动控制设备和与之配套的电磁振动台才能提供随机振动应力，其设备价格要比扫频振动台昂贵，但是为了提高筛选效率，最大限度地消除早期故障，这个投入还是合算的。3.6.3 结论 a) 经典的老炼工艺与常规的恒温筛选对暴露产品的缺陷有一定的作用，但其筛选度和故障率数值很小，效率十分低，需要用相当长的时间才能达到消除早期失效(缺陷)的效果，因而可能会影响产品的使用寿命，有必要改用定量环境应力筛选方法。 b) 如果采用常温考机的办法作为产品出厂的依据，在几百小时内暴露不了一个缺陷，也说明不了产品的可靠性有什么样的水平，此法意义不大。 c) 定量环境应力筛选，需要采用温度循环应力，其效率已比恒定高温老炼筛选大为提高；就温度循环筛选而言，提高温变速率又是进一步提高筛选效率、减少筛选对产品使用寿命影响的最佳方法，我们要为此项筛选创造条件。