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溫度環(huán)境應(yīng)力篩選解析：基本參數(shù)、特性分析、激發(fā)的故障模式

嘉峪檢測網(wǎng) 2020-03-04 11:12

環(huán)境應(yīng)力篩選（Environment Stress Screen，ESS）是通過向電子或機(jī)電產(chǎn)品施加在設(shè)計范圍之內(nèi)的合理的環(huán)境應(yīng)力（如溫循、隨機(jī)振動等）或電應(yīng)力，將其內(nèi)部的潛在缺陷加速暴露出來的過程。

環(huán)境應(yīng)力篩選對有潛在缺陷的產(chǎn)品能誘發(fā)其故障，排除出早期故障。

環(huán)境應(yīng)力篩選使用的應(yīng)力主要用于激發(fā)故障，而不是模擬使用環(huán)境。根據(jù)以往的實踐經(jīng)驗，不是所用應(yīng)力在激發(fā)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷方面都特別有效。因此，通常僅用幾種典型應(yīng)力進(jìn)行篩選。常用的應(yīng)力及其強(qiáng)度、費(fèi)用和篩選效果如表1所示。從表可見，應(yīng)力強(qiáng)度最高的是隨機(jī)振動、快速溫變率的溫度循環(huán)及其兩者的組合或綜合，效果很好，但它們的費(fèi)用較高。

本文重點(diǎn)介紹溫度環(huán)境應(yīng)力篩選的基本參數(shù)、特性分析，以及能激發(fā)的故障模式。

表1 常用的應(yīng)力及其強(qiáng)度、費(fèi)用和篩選效果

環(huán)境應(yīng)力	應(yīng)力類型		應(yīng)力強(qiáng)度	費(fèi)用	篩選效果
溫度	恒定高溫		低	低	對元器件較好
	溫度循環(huán)	慢速溫變	較高	較低	不顯著
	溫度循環(huán)	快速溫變	高	高	好
	溫度沖擊		較高	適中	較好
振動	掃頻正弦		較低	適中	不顯著
振動	隨機(jī)振動		高	高	好
組（綜）合	溫度循環(huán)與隨機(jī)振動		高	很高	很好

1、恒定高溫

（1）基本參數(shù)

表征恒定高溫篩選應(yīng)力的基本參數(shù)是上限溫度和恒溫時間。另外一個要考慮的參數(shù)是環(huán)境溫度，因為真正影響恒定高溫篩選效果的變量是上限溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度之差，即溫度改變幅度。

（2）特性分析

恒定高溫篩選也叫高溫老化(老煉)，是一種靜態(tài)工藝。通過施加額外的熱應(yīng)力，使產(chǎn)品在規(guī)定高溫下連續(xù)不斷地工作，激發(fā)早期故障出現(xiàn)。

如果篩選產(chǎn)品不是發(fā)熱產(chǎn)品，熱作用僅取決于篩選溫度；如果受篩產(chǎn)品是發(fā)熱產(chǎn)品，則在恒定高溫篩選過程中，產(chǎn)品內(nèi)部溫度分布將很不均勻，特定位置或部件上的溫度將取決于特定部位的發(fā)熱能力、表面積、表面積輻射系數(shù)及其附近空氣速度等。因此，應(yīng)當(dāng)測量受篩產(chǎn)品重要元、部件的溫度，以保證其能達(dá)到篩選溫度，或防止受到過度熱應(yīng)力。

恒定高溫篩選是析出電子元器件缺陷的有效方法，主要用于元器件的篩選，但不推薦用于組件級（印制線路板、單元或系統(tǒng)）的篩選。恒定高溫篩選效果遠(yuǎn)低于溫度循環(huán)。

（3）激發(fā)出的故障模式或影響

恒定高溫能激發(fā)出的故障模式或?qū)Ξa(chǎn)品的影響主要如下：

（a）使未加防護(hù)的金屬表面氧化，導(dǎo)致接觸不良或機(jī)械性阻塞（卡?。?；

（b）加速金屬之間的擴(kuò)散，如基本金屬和外包金屬，釬焊焊料與元器件，以及隔離層薄弱的半導(dǎo)體材料與噴鍍金屬之間的擴(kuò)散；

（c）使液體干涸，如電解電容器和電池的泄漏造成的干涸；

（d）使熱塑料軟化，如果這些零部件處于太高的機(jī)械力下，則產(chǎn)生蠕變；

（e）使保護(hù)性化合物和灌封的蠟軟化或蠕變；

（f）提高化學(xué)反應(yīng)速度，加速與內(nèi)部污染物的反應(yīng)過程；

（g）使部分絕緣損壞處絕緣擊穿。

溫度環(huán)境應(yīng)力篩選解析：基本參數(shù)、特性分析、激發(fā)的故障模式

2、溫度循環(huán)

（1）基本參數(shù)

表征溫度循環(huán)篩選應(yīng)力的基本參數(shù)包括上限溫度、下限溫度、溫度變化速率、上限溫度保溫時間、下限溫度保溫時間和循環(huán)次數(shù)。如圖所示。

溫度環(huán)境應(yīng)力篩選解析：基本參數(shù)、特性分析、激發(fā)的故障模式

圖溫度循環(huán)應(yīng)力參數(shù)

（2）特性分析

溫度循環(huán)參數(shù)中，對篩選效果最有影響的是溫度變化范圍、溫度變化速率以及循環(huán)次數(shù)。

增大溫度變化范圍和變化速率能加強(qiáng)產(chǎn)品的熱脹冷縮程度和縮短這一過程的時間，增強(qiáng)溫度應(yīng)力，而循環(huán)次數(shù)的增加則能累計這種激發(fā)效應(yīng)。因此加大上述三參數(shù)中任一參數(shù)的量值均有利于提高溫度循環(huán)篩選效果。

縮短在上、下限溫度值上的停留時間有利于縮短溫度循環(huán)的周期、提高篩選的效率，但上下限溫度值上的停留時間，應(yīng)以產(chǎn)品內(nèi)部最大熱慣性部件或以產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件溫度達(dá)到的穩(wěn)定時間為準(zhǔn)。必要時要特別監(jiān)測該部件的溫度，以保證篩選有效和防止其損壞。

為提高溫度循環(huán)篩選效率，一般可以將產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議（規(guī)范）中規(guī)定的高、低溫貯存溫度作為其上、下限溫度，但產(chǎn)品在這兩個溫度時，及其與設(shè)計的高、低溫工作溫度之間不要求工作。

溫度循環(huán)中試驗箱內(nèi)氣流速度是關(guān)鍵因素，它直接影響到產(chǎn)品的溫度變化率。產(chǎn)品溫度變化速率一般遠(yuǎn)低于試驗箱內(nèi)空氣溫度的變化速率，提高箱內(nèi)氣流速度能使產(chǎn)品溫度變化速率加大，使其溫度更接近于試驗箱內(nèi)空氣溫度。

（3）激發(fā)出的故障模式或影響

溫度循環(huán)激發(fā)出的主要模式或?qū)Ξa(chǎn)品的影響如下：

（a）使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴(kuò)大；

（b）使粘結(jié)不好的接頭松弛；

（c）使螺釘連接或鉚接不當(dāng)?shù)慕宇^松弛；

（d）使機(jī)械張力不足的壓配接頭松弛；

（e）使質(zhì)量差的釬焊接觸電阻加大或造成開路；

（f）粒子污染；

（g）密封失效。

3、溫度沖擊

（1）基本參數(shù)

溫度沖擊篩選應(yīng)力的基本參數(shù)有溫度上限，溫度下限，在溫度上限的停留時間，在溫度下限的停留時間，溫度轉(zhuǎn)換時間和溫度沖擊循環(huán)次數(shù)。

溫度沖擊中溫度變化速率取決于受篩產(chǎn)品從一箱轉(zhuǎn)入另一箱中的時間，轉(zhuǎn)入另一箱中的那一時刻箱中受篩產(chǎn)品遇到的實際溫度（由于打開箱門，此溫度不是設(shè)定的上限或下限溫度），以及此實際溫度回到設(shè)定溫度的時間。如果受篩產(chǎn)品轉(zhuǎn)換很快，可將箱門打開后溫度變化忽略不計，則此速率僅取決于轉(zhuǎn)換時間和復(fù)溫時間，自動倒換溫度沖擊箱就是這種情況。

（2）特性分析

溫度沖擊這一方法能夠提供較高的溫度變化速率，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力較大，是篩選元器件，特別是集成電路器件的有效方法。這一方法用于其他組裝等級時，要注意其可能造成的附加損壞。此外，對產(chǎn)品通電和性能監(jiān)測來說，溫度沖擊方法使用不方便，甚至不可能實現(xiàn)，以及及時發(fā)現(xiàn)故障。在缺乏具有足夠速率的高低溫箱的情況下，溫度沖擊方法是一種可行的替代方法。

（3）激發(fā)出的故障模式或影響

溫度沖擊激發(fā)出的故障模式類似于溫度循環(huán)。

來源：質(zhì)量與可靠性學(xué)堂

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