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      近日，723研究所王一飛團隊以《艦船電子設(shè)備高加速環(huán)境應(yīng)力篩選試驗方法的探討》為題在《環(huán)境技術(shù)》2024年第3期上發(fā)表最新研究內(nèi)容，第一作者為王一飛。

 

   高加速環(huán)境應(yīng)力篩選采用同時施加綜合應(yīng)力的方式進(jìn)行，可在不改變故障機理的前提下，最大限度的激發(fā)電子產(chǎn)品的早期故障，縮短篩選周期。本文以某型艦船電子設(shè)備為研究對象，通過與常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選方法對比，結(jié)果表明篩選時間不僅可縮短50%以上，同時篩選效果更佳。

 

概述

 

環(huán)境應(yīng)力篩選是指對產(chǎn)品施加規(guī)定的環(huán)境應(yīng)力，以發(fā)現(xiàn)和剔除制造過程中的不良零件、元器件和工藝缺陷等早期故障的一種工序或方法。由其定義可見，環(huán)境應(yīng)力篩選是一種工藝手段，其目的是發(fā)現(xiàn)和剔除早期故障。

 

目前，電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選主要參照GJB1032A-2020 《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》和《海軍電子裝備環(huán)境應(yīng)力篩選實施方法（2006）》中規(guī)定的方法進(jìn)行。

 

環(huán)境應(yīng)力篩選方法現(xiàn)狀

 

對于電子設(shè)備，GJB1032A未詳細(xì)劃分篩選的層次，但是提出了大型產(chǎn)品應(yīng)優(yōu)先在較低的裝配級別進(jìn)行篩選的要求。其篩選應(yīng)力分為溫度循環(huán)和隨機振動應(yīng)力，施加順序為先進(jìn)行缺陷剔除階段在進(jìn)行無故障檢驗階段。其中缺陷剔除階段包括5min隨機振動篩選和10個循環(huán)的溫度循環(huán)篩選，隨機振動一般在溫度循環(huán)前實施。無故障檢驗階段包括10~20個循環(huán)的溫度循環(huán)和5min~15min的隨機振動篩選。

 

《海軍電子裝備環(huán)境應(yīng)力篩選實施方法（2006）》中詳細(xì)劃分了篩選層次（模塊級、單元級和分機（整機）級），并列出了每一篩選層次的項目和參數(shù)。（1）模塊級篩選要求溫變率不低于15℃/min，包括隨機振動篩選階段（水平和垂直兩個方向）和溫度循環(huán)篩選階段。其中隨機振動為每個軸向5min，溫度循環(huán)應(yīng)不低于24個周期，但不得超過40個周期。（2）單元級篩選溫變率為不小于5℃/min，包括缺陷剔除隨機振動篩選階段（一般為垂直印制板方向）、缺陷剔除溫度循環(huán)篩選階段、無故障檢驗溫度循環(huán)階段和無故障檢驗隨機振動篩選階段。相較于模塊篩選，單元級篩選增加了通電的要求。同時，溫度循環(huán)的保溫時間相應(yīng)增加，循環(huán)數(shù)相應(yīng)減少，一般為缺陷剔除10個循環(huán)+無故障檢驗10個循環(huán)。對于無故障檢驗隨機振動篩選階段，一般要求連續(xù)5min無故障可結(jié)束篩選。（3）分機級篩選與單元級基本相同，主要區(qū)別為缺陷剔除溫度循環(huán)為5個周期，同時保溫時間相對更長。

 

綜上所述，現(xiàn)有的環(huán)境應(yīng)力篩選方法是多個篩選階段的組合，在每個階段分別施加振動或溫度應(yīng)力。經(jīng)統(tǒng)計，按照上述環(huán)境應(yīng)力篩選方法的要求，研制階段或生產(chǎn)初期的分機（整機）產(chǎn)品必須進(jìn)行80～120小時的環(huán)境應(yīng)力篩選；批生產(chǎn)階段，按照簡化方案，分機（整機）至少應(yīng)進(jìn)行40小時的篩選，且這40小時必須是產(chǎn)品連續(xù)無故障發(fā)生。由此可見，現(xiàn)有的篩選試驗周期相對較長。

 

高加速環(huán)境應(yīng)力篩選方法

 

造成電子產(chǎn)品故障的因素包括溫度、鹽霧、潮濕、振動、沖擊等，但鹽霧、霉菌、潮濕等應(yīng)力導(dǎo)致的故障不是以早期故障的形式表現(xiàn)出來，而是隨著時間的推移呈上升趨勢，因此不宜作為環(huán)境應(yīng)力篩選的加速應(yīng)力。而溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力是導(dǎo)致電子產(chǎn)品出現(xiàn)早期故障主要因素，因此高加速環(huán)境應(yīng)力篩選采用溫度和振動應(yīng)力的綜合，同時施加電子產(chǎn)品規(guī)定的電應(yīng)力。

 

1.高低溫保持溫度

 

高低溫保持溫度通常是指試驗箱內(nèi)的空氣溫度，一般情況下高低溫保持溫度選擇電子設(shè)備的極限工作溫度。在高加速應(yīng)力篩選中為了縮短溫度保持時間，將篩選的溫度上下限值在電子產(chǎn)品工作極限溫度基礎(chǔ)上分別擴展5℃～10℃。但擴展后的高溫保持溫度應(yīng)不高于電子產(chǎn)品的所有器件高溫工作極值中的最低值，擴展后的低溫保持溫度應(yīng)不低于所有器件低溫工作極值中的最高值。

 

2.升降溫速率

 

在進(jìn)行溫度篩選試驗時，試驗箱風(fēng)速一般設(shè)定為2m/s~4m/s。大量試驗數(shù)據(jù)表明，在風(fēng)速為2.5m/s時篩選效果最佳，因此篩選試驗通常將風(fēng)速設(shè)定為2.5m/s。

在試驗箱風(fēng)速設(shè)定為2.5m/s、最大溫變率設(shè)定為10℃/min~20℃/min時，篩選效果隨著溫變率的升高而更顯著。在試驗箱風(fēng)速不變，溫變率超過20℃/min以后，電子設(shè)備自身的溫度變化與試驗箱設(shè)定的溫度運行曲線相比有明顯的滯后，篩選效果不理想。綜合篩選效果，高加速應(yīng)力篩選一般設(shè)定風(fēng)速為2.5m/s，溫變速率不低于10℃/min但不高于20℃/min。

 

3.高低溫保持時間

 

鑒于受結(jié)構(gòu)、尺寸、重量、材料、功率等因素的影響，各個電子設(shè)備的熱慣性具有一定的差異。因此，不同電子設(shè)備的溫度保持時間不同，溫度穩(wěn)定時間一般根據(jù)溫度調(diào)查結(jié)果來確定。

保持時間的確定還要考慮完成功能測試所需的時間，因此，在高加速應(yīng)力篩選中高低溫保持時間以60min～120min為宜。

 

4.溫度循環(huán)周期

 

鑒于篩選的目的是剔除早期故障。因此，在確定溫度循環(huán)周期數(shù)時需要考慮兩方面的因素：一是溫度循環(huán)周期的設(shè)定數(shù)不能太少，否則不能將早期缺陷盡可能的剔除出來，；二是溫度循環(huán)周期的設(shè)定數(shù)也不應(yīng)太多，周期數(shù)太多不僅延長篩選周期，同時可能會對電子設(shè)備造成疲勞累積效應(yīng)。此外，在進(jìn)行溫度循環(huán)周期設(shè)定時，還要綜合考慮電子設(shè)備的復(fù)雜程度、技術(shù)成熟度、設(shè)計水平、工藝可靠性等多種因素。具體可根據(jù)電子設(shè)備的實際情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。例如，對于成熟度較高的電子設(shè)備可設(shè)定為3個周期，對于新研設(shè)備可設(shè)定為5個周期或更長。

 

5.振動應(yīng)力

 

高加速應(yīng)力篩選中施加的振動應(yīng)力為隨機振動，主要參數(shù)為加速度功率譜密度、頻率范圍、振動軸向、振動時間等。典型的隨機振動普如下圖1所示。

圖1 典型隨機振動譜

1）隨機振動篩選應(yīng)采用圖1所示的振動頻譜，頻率范圍為20 ~ 2000Hz。

2）常規(guī)篩選的功率譜密度為0.04g2/Hz，對應(yīng)的加速度為6.06g。高加速應(yīng)力篩選的功率譜密度可根據(jù)電子設(shè)備具體情況選擇0.04g2/Hz或0.05 g2/Hz。

3）隨機振動對電子設(shè)備會造成疲勞累積，尤其電子設(shè)備去除減震器后承受的疲勞強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際使用環(huán)境，如再隨意增加振動時間可能會對電子設(shè)備造成過應(yīng)力損傷。因此，在功率譜密度為0.04g2/Hz的條件下，振動時間應(yīng)不超過20min。當(dāng)按此譜形用較低或較高量值進(jìn)行振動，可按公式(1)計算出等效的振動時間，以保證電子設(shè)備不因過應(yīng)力造成損傷。

式中：

T—等效時間min；

Ti—實際振動時間min；

W0—0.04g2/Hz；

Wi—所用振動量值，g2/Hz。

4）隨機振動一般選取一個軸向施振，對于以印制板為主要內(nèi)部構(gòu)成的電子設(shè)備，振動軸向應(yīng)選擇垂直于印制板的方向。

 

6.電應(yīng)力

 

高加速環(huán)境應(yīng)力篩選與常規(guī)篩選施加的電應(yīng)力略有不同，高加速環(huán)境應(yīng)力篩選中施加的電應(yīng)力是在低溫升溫至高溫保持過程中滿負(fù)載通電工作，降溫及低溫保持過程中不通電。

按照溫度循環(huán)一次進(jìn)行上限電壓、標(biāo)稱電壓和下線電壓拉偏。

 

案例

 

本文以某型艦船電子設(shè)備為研究對象，共選取4套（1#~4#）設(shè)備，其中兩套（1#、2#）采用常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選方法進(jìn)行，兩套（3#、4#）采用高加速環(huán)境應(yīng)力篩選方法進(jìn)行。

該設(shè)備的高低溫極限工作溫度為+50℃和-10℃。選用的元器件中極限高溫工作的最低值為+70℃，極限低溫工作的最高值為-40℃。

 

1.常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選條件

 

常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選的流程如下圖2所示。

圖2 常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選流程圖

根據(jù)GJB1032A和《海軍電子裝備環(huán)境應(yīng)力篩選實施方法（2006）》的規(guī)定，本次溫度循環(huán)溫度上限為+50℃，溫度下限為-10℃，溫變率為5℃/min，上下限溫度保持時間為120min，試驗中低溫升溫至高溫高溫結(jié)束通標(biāo)稱電壓，共進(jìn)行5個故障剔除溫度循環(huán)和10個無故障檢驗溫度循環(huán)（連續(xù)5個無故障發(fā)生則結(jié)束），具體如下圖3所示。

 

隨機振動應(yīng)力按照圖1的隨機振動譜施加，隨機振動功率譜密度W為0.04g2/Hz，分為缺陷剔除階段（5min）和無故障檢驗階段（15min中有連續(xù)5min無故障則結(jié)束）。

圖3 常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選溫度循環(huán)剖面

 

2.高加速環(huán)境應(yīng)力篩選條件

 

按照高加速環(huán)境應(yīng)力篩選試驗方法確定本次高低溫工作極限值分別為+60℃和-20℃。溫度變化率選取15℃/min，溫度循環(huán)周期為5個周期。根據(jù)該電子設(shè)備前期溫度調(diào)查結(jié)果，確定高低溫保持時間為120min。

 

隨機振動應(yīng)力選擇圖1的隨機振動譜。其中；第1個溫度循環(huán)施加的隨機振動功率譜密度W為0.01g2/Hz，第2個循環(huán)為0.02g2/Hz……第5個循環(huán)為0.05g2/Hz，每個循環(huán)振動時間均為5min，振動軸向為沿印制板的垂直方向。按照公式（1）計算，5個周期隨機振動的等效時間為

5/64+5/8+5×27/64+5+5×125/64=17.6min，在15min~20min內(nèi)的最佳篩選時間內(nèi)。

圖4 高加速環(huán)境應(yīng)力篩選綜合剖面

該型電子設(shè)備標(biāo)稱電壓為220V/50Hz，電壓變化值為標(biāo)稱值的±10%，滿負(fù)載為2kW。試驗中第1溫度循環(huán)施加上限電壓242V，第2循環(huán)施加220V，第3循環(huán)施加198V，第4循環(huán)施加242V，第5循環(huán)施加220V。

按照上述條件，制定的高加速環(huán)境應(yīng)力篩選試驗綜合剖面如下圖4所示。

 

3.兩種篩選方法的對比

 

經(jīng)統(tǒng)計，采用常規(guī)方法完成兩套電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選共用時94h，平均每套用時47h（溫度循環(huán)46h+隨機振動1h），篩選過程中未發(fā)生故障。采用加速方法完成兩套電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選共用時45h40min，平均每套用時22h50min（不含排除故障時間），篩選過程中共出現(xiàn)兩個早期故障。

由此可見，高加速環(huán)境應(yīng)力篩選周期縮短至常規(guī)篩選的50%以內(nèi)，不僅大大縮短篩選周期，同時提高了篩選效果。

 

結(jié)束語

 

本文所提出的高加速環(huán)境應(yīng)力篩選方法不僅適用于艦船電子設(shè)備，同時適用于其他平臺的電子設(shè)備，電氣產(chǎn)品、光電、機電等產(chǎn)品也可參考該方法使用。

 

引用本文：

 

王一飛,陳中青,孫成，黃泳樟，劉玉石，彭德強.艦船電子設(shè)備高加速環(huán)境應(yīng)力篩選試驗方法的探討[J].環(huán)境技術(shù),2024,42(03):214-217.