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嘉峪檢測網(wǎng) 2019-06-11 10:36
0、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
我國“七五”、“八五”期間某項(xiàng)目中的25種電子設(shè)備，在綜合環(huán)境應(yīng)力的可靠性試驗(yàn)中暴露出109個(gè)關(guān)聯(lián)責(zé)任故障，對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，在50h內(nèi)發(fā)生的故障占總數(shù)的48.62%，在100h內(nèi)發(fā)生的故障占故障總數(shù)的64.2%（摘自《組件溫度篩選應(yīng)力的確定方法》2003 信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所莊文青）。“十一五”期間，某種電子產(chǎn)品一個(gè)批次的98部設(shè)備在試驗(yàn)階段發(fā)生290起質(zhì)量事件，審理報(bào)告263份，總結(jié)質(zhì)量問題79件（摘自《組件類產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)研究與應(yīng)用》 2010 電科13所李永）。
產(chǎn)品的大量早期失效說明進(jìn)行適當(dāng)?shù)沫h(huán)境應(yīng)力篩選是必要的。
1、標(biāo)準(zhǔn)
早在1950年代，環(huán)境應(yīng)力篩選的概念以電子產(chǎn)品老煉方法的形式提出，所加應(yīng)力有高溫、溫度循環(huán)等，到1970年代發(fā)展成當(dāng)今廣義的環(huán)境應(yīng)力篩選。美國海軍在1979年頒布了《NAVMAT-P9492生產(chǎn)篩選試驗(yàn)大綱》，該試驗(yàn)大綱規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)振動試驗(yàn)和按產(chǎn)品復(fù)雜度進(jìn)行的溫度循環(huán)試驗(yàn)，該大綱方法的推廣應(yīng)用，收到了驚人的效果，產(chǎn)品使用可靠性得到了成倍的增長。
（我國）航天型號產(chǎn)品最早引入NAVMAT-P9492，1987年航天工業(yè)部參照NAVMAT-P9492，結(jié)合當(dāng)時(shí)產(chǎn)品工藝水平及設(shè)備水平等實(shí)際情況，制定并頒布了部標(biāo)QJ 1147《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》，在型號產(chǎn)品中應(yīng)用取得良好效果。我國在1990年和1993年相繼頒布了兩個(gè)環(huán)境應(yīng)力篩選標(biāo)準(zhǔn)，即GJB1032-90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》和GJB/ 34-93《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)成為我國開展常規(guī)環(huán)境常規(guī)應(yīng)力篩選和定量環(huán)境應(yīng)力篩選的基礎(chǔ)。進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選的主要依據(jù)是GJB 1032-90。（摘自《環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)應(yīng)用研究》 2010 中國航天科工集團(tuán)防御技術(shù)研究院饒枝建）
其中環(huán)境應(yīng)力常規(guī)篩選是目前應(yīng)用最廣泛的篩選方法，它以剔除早期故障為目標(biāo)，不要求篩選結(jié)果與產(chǎn)品可靠性目標(biāo)和成本閾值建立定量關(guān)系。典型的常規(guī)篩選標(biāo)準(zhǔn)有GJB 1032-90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》（對應(yīng)美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2164（1985））、QJ 3138-2001《航天產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南》、HB/Z 213-1992《電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選指南》（對應(yīng)IES（1990）組件環(huán)境應(yīng)力篩選指南）和美軍標(biāo)MIL-HDBK-2164A《電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選工序》等。這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用，對提高產(chǎn)品可靠性發(fā)揮了重要作用。
2、篩選應(yīng)力
典型的環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)力有：恒定高溫、溫度循環(huán)（可細(xì)分為慢速溫變和快速溫變）、溫度沖擊和掃頻振動、隨機(jī)振動，以及組合應(yīng)力等。
根據(jù)美國人的調(diào)查，各種篩選應(yīng)力的篩選加權(quán)系數(shù)為：低氣壓為15，加速度為25，濕度為50，機(jī)械沖擊為70，熱沖擊為125，電應(yīng)力為130，高溫為190，隨機(jī)振動為230，熱循環(huán)為350，因上，最有效的篩選應(yīng)力為熱循環(huán)及隨機(jī)振動。據(jù)報(bào)導(dǎo)，熱循環(huán)可以暴露產(chǎn)品缺陷的2/3，隨機(jī)振動可以暴露產(chǎn)品缺陷的1/3。美國有關(guān)環(huán)境應(yīng)力篩選的標(biāo)準(zhǔn)或文件都采用這兩種應(yīng)力（詳情本文略）。（摘自《環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)淺談》 1990 機(jī)電部五所曾紀(jì)科）
（摘自《環(huán)境應(yīng)力篩選中的應(yīng)力解析》2016 615 朱慧麗，萬會兵）
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篩選應(yīng)力的有效性 |
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應(yīng)力 |
篩選的有效性 |
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熱循環(huán) |
在組件級上應(yīng)用極有效，可暴露元器件和印制板缺陷、焊接缺陷、容差漂移、電性能失調(diào)等。 |
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加電的高溫老煉 |
在組件級上應(yīng)用有效，可暴露與時(shí)間的應(yīng)力有關(guān)的元器件與工藝過程的缺陷 |
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隨機(jī)振動 |
在設(shè)備級上應(yīng)用很有產(chǎn)，能暴露元器件和印制板的缺陷、焊接缺陷、連接器的接觸問題、間歇工作、硬件松動和結(jié)構(gòu)問題。 |
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高溫貯存 |
是一種花錢較少的篩選方法，可在組件設(shè)備級上進(jìn)行，可暴露與時(shí)間有關(guān)的或與靜止應(yīng)力有關(guān)的缺陷。 |
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熱沖擊 |
可在元器件或級件級上應(yīng)用，可暴露由于潮濕或機(jī)械應(yīng)力造成的裂縫、剝離和電性能變化。 |
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固定頻率正弦振動 |
可在組件、設(shè)備級上應(yīng)用，可暴露硬件松動、連接器的接觸問題和間歇工作。 |
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（摘自《環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)淺談》 1990 機(jī)電部五所曾紀(jì)科） |
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據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品故障中溫度環(huán)境占40%，振動占27%。通過設(shè)計(jì)合理的溫度和振動應(yīng)力組合可以有效剔除產(chǎn)品大部分潛在缺陷，因此，無論是現(xiàn)在使用的ESS方法，還是新興的高加速應(yīng)力篩選（HASS）方法，主要使用都是溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力。
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ESS激發(fā)出的主要缺陷及故障模式 |
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溫度循環(huán)激發(fā)出的主要缺陷及故障模式 |
振動激發(fā)出的主要缺陷及故障模式 |
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1） 使涂層、材料或線頭上各種微裂紋擴(kuò)大； 2） 使粘接不好的接頭松弛； 3） 使螺釘連接或鉚接不當(dāng)?shù)慕宇^松弛；、 4） 使機(jī)械張力不足的壓配接頭接頭松弛； 5） 使質(zhì)量差的焊點(diǎn)接觸電阻加大或造成開路； 6） 粒子污染； 7） 密封失效等。 |
1） 結(jié)構(gòu)部件、引線或元器件接頭產(chǎn)生疲勞； 2） 電纜磨損，如松弛的電纜處在尖銳結(jié)構(gòu)缺陷上； 3） 制造不當(dāng)?shù)穆葆斀宇^松弛； 4） 有缺陷的連接器接觸不良； 5） 安裝不當(dāng)?shù)募呻娐放c插座脫離； 6） 不良焊接點(diǎn)脫焊或接觸不良； 7） 運(yùn)動部件的疲勞損傷； 8） 安裝不當(dāng)?shù)拇嘈越^緣材料出現(xiàn)裂紋等。 |
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（摘自《環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)應(yīng)用研究》 2010 中國航天科工集團(tuán)防御技術(shù)研究院饒枝建） |
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2.1 溫度循環(huán)機(jī)理
溫度循環(huán)的機(jī)理主要是熱應(yīng)力和熱疲勞。電子產(chǎn)品由各類元器件組成，而元器件由不同材料組成，這些材料的熱膨脹系數(shù)不同，溫度變化時(shí)，不同材料交界間就會產(chǎn)生壓縮或拉伸應(yīng)力，即熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定程度后會器件產(chǎn)生破壞作用，造成破壞性失效。此外，某些器件在工作時(shí)所產(chǎn)生的熱循環(huán)在具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間會產(chǎn)生周期性的切向應(yīng)力，這種應(yīng)力的反復(fù)作用導(dǎo)致界面處材料的疲勞和界面結(jié)合的損傷，使器件特性裂化，這就是熱疲勞失效。
溫度循環(huán)對剔除早期失效產(chǎn)品之所以效率高，是因?yàn)橛休^高的熱應(yīng)力和熱疲勞的交互作用同時(shí)加在電子組件上。當(dāng)電子產(chǎn)品經(jīng)受溫度循環(huán)時(shí)，內(nèi)部膨脹和收縮產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變就會加劇，在產(chǎn)品具有潛在缺陷的地方會起到應(yīng)力提升的作用，隨著溫度循環(huán)的加載使缺陷長大，最終變?yōu)楣收隙话l(fā)現(xiàn)。
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溫度循環(huán)誘發(fā)的故障模式 |
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缺陷類型 |
缺陷類型 |
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參數(shù)漂移； 電路穩(wěn)定性； 電路板缺陷； 電路板開路、短路、分層等； 電路板腐蝕； 電路板裂紋； 過孔缺陷； 化學(xué)污染； 元器件缺陷； 元器件松動、裝配不當(dāng)或公差問題； 焊點(diǎn)缺陷； |
變形； 連線松脫； 電線掉頭、連接不好等； 接觸不良； 粘接不牢； 堅(jiān)固件缺陷； 電遷移； 熱匹配； 浪涌電流； 金屬氧化； 密封失效。 |
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（摘自《環(huán)境應(yīng)力篩選的缺陷分析》北京遙感設(shè)備研究所許秋滿，李庚雨，童雨，饒枝建） |
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2.2溫度循環(huán)篩選的基本參數(shù)
溫度循環(huán)篩選的基本參數(shù)包括：上限溫度,下限溫度，溫度變化范圍,溫度變化率，上限保溫時(shí)間，下限保溫時(shí)間，溫度保持時(shí)間,循環(huán)次數(shù)等。
2.3溫變速率
對于溫度循環(huán)則屬熱疲勞性質(zhì)，Stephen A Smithson先生在《效率與經(jīng)濟(jì)性》一文中也給出了類似的效果，若以兩個(gè)不同的溫變率為例，一個(gè)5度/min，另一個(gè)強(qiáng)化到40度/min，則它們的疲勞壽命效率比為4400：1，對其他溫變率的情況見下表：
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溫變率℃/min |
5 |
10 |
15 |
20 |
30 |
40 |
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循環(huán)數(shù) |
400 |
55 |
17 |
7 |
2.2 |
1 |
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min/每循環(huán) |
66 |
33 |
22 |
16.5 |
11 |
8 |
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總時(shí)間h |
440 |
30 |
6 |
1.9 |
0.4 |
0.1 |
StephenA Smithson Effectiveness andeconomics-yardsticks for ESS decisions. Proceedings of the Institute ofEnvironmental Sciences 1990.
溫度循環(huán)篩選度曲線
溫度變化速率越快，篩選度越大，但這種差距隨著循環(huán)數(shù)的增加而減小。
GJB1032中對溫度變化速率的規(guī)定是“試驗(yàn)箱的平均溫度變化速率小于5℃/min的篩選度與10℃/min、15℃/min的篩選度相差不大，出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，環(huán)境應(yīng)力篩選一般可選取5℃/min的溫度變化速率。
若要用較短時(shí)間、較少循環(huán)數(shù)來完成產(chǎn)品篩選，而可用提高溫度變化速率或提高溫度變化范圍的方法來實(shí)現(xiàn)。
許多機(jī)載設(shè)備可靠性鑒定試驗(yàn)中溫變速率都已達(dá)到了10℃/min以上，國外大量的實(shí)踐證明，溫變率增大有利于潛在缺陷的暴露。
3 振動應(yīng)力
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隨機(jī)振動誘發(fā)的故障模式 |
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缺陷類型 |
缺陷類型 |
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電路板開、短路； 元器件裝配不當(dāng)或松脫； 相鄰元器件短路； 元器件管腳、導(dǎo)線斷裂或缺陷； IC插座缺陷； 虛焊、開焊、接觸不良等焊接缺陷； 粘結(jié)不牢； |
連線松脫或連接不好； 硬件松脫； 堅(jiān)固件或護(hù)墊松動； 晶體缺陷； 機(jī)械缺陷； 包裝缺陷； 多余物等； 摩擦。 |
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（摘自《環(huán)境應(yīng)力篩選的缺陷分析》北京遙感設(shè)備研究所許秋滿，李庚雨，童雨，饒枝建） |
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隨機(jī)振動篩選度特性
加速度量值越大，篩選度效果越好，但這種差距隨著振動時(shí)間的增加而減小。
由于出于經(jīng)濟(jì)與實(shí)際操作性方面的考慮，GJB 1032中規(guī)定振動時(shí)間為5min~10min。由于振動時(shí)間較短，GJB1032中建議使用總均方根值（Grms）為6.06g的隨機(jī)振動。
4 被篩選對象的組裝等級
ESS可以在元器件、組件、單元或設(shè)備（系統(tǒng)）4個(gè)產(chǎn)品組裝等級上進(jìn)行，由于任何一級組裝和加工都會產(chǎn)生新的引入缺陷，因此，為徹底消除早期故障，任何一級上的篩選都不能代替高一等級上進(jìn)行的篩選。在每個(gè)產(chǎn)品組裝等級上均安排ESS，在費(fèi)用和生產(chǎn)周期上往往是不現(xiàn)實(shí)的，這就需要在設(shè)計(jì)ESS大綱時(shí)科學(xué)、合理地確定被篩選對象的組裝等級。
下表是國際環(huán)境科學(xué)與技術(shù)協(xié)會（IEST）提供的基線方案，這一方案可以作為確定不同層次產(chǎn)品篩選方案的依據(jù)。從表中可以看出低層次產(chǎn)品可以選擇較高的溫變率和較大的溫度范圍，但往往由于其檢測手段不足，難以進(jìn)行通電篩選……（摘自《環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)及其應(yīng)用問題分析》 2006 中國一航六一八所張露）
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應(yīng)力類型 |
應(yīng)力參數(shù)和其他要求 |
組裝等級 |
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組件、部件 |
系統(tǒng) |
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溫度循環(huán) |
溫度范圍℃ |
-55~+85 |
-55~+70 |
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試驗(yàn)箱空氣溫度變化速率（℃/min） |
15 |
5 |
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上、下限溫度下的持續(xù)時(shí)間（min） |
達(dá)到溫度穩(wěn)定的時(shí)間加5min或性能測試時(shí)間（長者為準(zhǔn)） |
達(dá)到溫度穩(wěn)定的時(shí)間加5min或性能測試時(shí)間（長者為準(zhǔn)） |
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循環(huán)次數(shù) |
20~40 |
10-20 |
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通電/斷電/工作 |
不通電 |
從低溫升向高溫和高溫保溫期間，應(yīng)通電并檢測性能，工作時(shí)處于最大電源負(fù)載狀態(tài)，高溫向低溫下降且在低溫達(dá)到溫度穩(wěn)定以前，應(yīng)斷電。在高低溫溫度穩(wěn)定后應(yīng)通斷電源各三次。 |
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性能監(jiān)測 |
一般不進(jìn)行 |
進(jìn)行 |
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隨機(jī)振動 |
加速度功率譜密度 （均方根值Grms） |
一般不進(jìn)行振動篩選 |
0.04 （6.06） |
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頻率范圍 Hz |
20~2000 |
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振動軸向數(shù) （逐次或同時(shí)施加） |
3（一般） |
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振動持續(xù)時(shí)間min |
各軸依次激勵(lì) |
5~10 |
||
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各軸同時(shí)激勵(lì) |
10 |
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通電/斷電工作 |
通電 |
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性能監(jiān)測 |
進(jìn)行 |
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摘自《環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)及其應(yīng)用問題分析》 2006 中國一航六一八所張露 |
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來源：可靠性與環(huán)境試驗(yàn)
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