一、电子设备缺陷来源

 

电子设备如果使用了有固有缺陷的元器件且历经大量的复杂操作工艺,会引人各种明显缺陷和潜在缺陷,明显缺陷通过常规检验手段均能排除，潜在缺陷则保留在组件之中。

 

可能引入的缺陷：

 

电子设备的设计和制造过程中,主要引入三类缺陷:设计缺陷、工艺缺陷和元器件缺陷。

 

按其来源可分为两类:

 

一类是固有(质量)缺陷,由组件中元器件引人的,与元器件供应商工艺过程的成熟程度及其检验和试验方法的效率有关,也与组件制造厂本身对购入元器件的质量要求和验收水平有关,此类缺陷还包含设计缺陷。

 

另一类是生产(可靠性)缺陷,由工艺设计不良,生产过程造成或组件中受过应力,搬运损伤(如静电放电损伤)或检验工作等影响而引人的那些缺陷如虚焊、元器件定位不当,表面污染,元器件紧固不当和材料弯曲变形等,其中生产缺陷与环境应力和时间有关且用常规质量检验措施不能发现和排除,是潜在缺陷,只能通过受控的ESS（Environmental stress screening）方法和老炼将其剔除。

 

二、电子设备环境应力筛选

 

1、定义

 

环境应力筛选是向产品施加适当的环境应力，主要是热循环应力及随机振动应力和电应力激励，暴露其存在的制造工艺和元器件等缺陷，并加以剔除的一道工序。它是一种经济有效地保障硬件无制造缺陷和元器件缺陷的工艺，而不是一般意义上的试验。当然对某些设计不够成熟的产品或可靠性增长试验不充分的情况，它也可作为早期发现设计隐患提高产品可靠性的手段。目前环境应力筛选中最为有效的是热循环和随机振动试验，国内外已发表的环境应力筛选调查统计结果表明，在常用的环境应力中，温度循环、随机振动和高温老炼是最有效的3 种筛选应力。

 

 

GJB 451-90《可靠性维修性术语》将环境应力筛选定义为：

 

为发现和排除不良零件、元器件、工艺缺陷和防止出现早期失效，在环境应力下开展的一系列试验。环境应力筛选的目的在于已知产品在实际使用中将会遇到的主要环境，以及其应力强度，选择其最能激发在研制中的缺陷的环境和应力，强调以剔除元器件、部件的早期失效及暴露设计和制造工艺的不足而采取的有效措施。

 

环境应力筛选（工作项目401）是国家军用标准GJB 450A-2004《装备可靠性工作通用要求》中规定的可靠性工作项目，其目的是为研制和生产的产品建立并实施环境应力筛选（ESS）程序，以便发现和排除由不良元器件、制造工艺和其他原因引入的缺陷所造成的早期故障。

 

2、适用对象以及各阶段重点工作

 

环境应力筛选主要适用于电子产品，包括电子组件单机和系统原则上亦可用于电气光电机电或电化学产品。根据GJB 1032的规定，它可用于海陆空等六类军事装备也适用于机载舰载等战术导弹以及有批量的战略导弹，对于运载火箭卫星等无批量的产品按MIL-STD -1540C 环境应力筛选亦适用，只是具体筛选应力类型和量级有差异如需增加热真空循环等而且筛选对象除电子产品外还有阀门等多项非电子产品。

 

环境应力筛选主要用于产品的批生产阶段，批生产产品出厂前一般应100 %地进行环境应力筛选，至少应在元器件级以上的最低组装级或根据工程实际规定的最佳组装级的产品上，逐个进行环境应力筛选以消除早期故障。

 

在产品研制阶段，通过ESS预先剔除产品中因工艺缺陷及元器件缺陷引起的故障，据统计60%故障可能是由工艺缺陷引起的，30%故障可能是由元器件缺陷引起的，有助于提高可靠性增长试验的效益，保证硬件性能和可靠性，满足要求并为生产阶段的筛选做好准备。

 

在生产阶段ESS 从最低组装级开始，可以较低成本发现隐患并进行改进，消除根源减少高组装级的返修量及高昂费用，使整个生产过程更为有效管理者可用ESS 为质量控制工具及时发现和解决生产中的质量问题。

 

由于 ESS 使故障得以在生产步骤中产生减少潜在缺陷，被带到外场的可能性降低了昂贵的外场维修费用，从而提高了外场可靠性减少型号研制总费用。

 

交付硬件及备件均经过 ESS 使最初交付硬件满足可靠性和质量要求，同时使外场故障极少发生或极少采取维修措施，增加了用户对产品的置信度和满意度。

 

3、基本特性

 

3．1工艺性

 

ESS是通过向电子产品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，并通过检验发现和排除的过程。因此，ESS是一种工艺手段。

 

ESS效果主要取决于施加的环境应力、电应力的大小和检测能力。施加应力的大小取决于能否将潜在的缺陷变成故障；检测能力的大小则取决于将被应力加速变成故障的潜在缺陷找出来并准确的加以排除。因此。ESS是质量控制检查和测试过程的延伸，是一个发现故障、分析原因、采取纠正措施和改进的闭环系统。

 

3．2加速性

 

ESS通过施加加速的环境应力和电应力，在较短的时间内析出最多可筛选的缺陷。其目的是找出电子产品的薄弱部分，但不损坏好的部分或不引入新的缺陷。如果任意选定应力施加于电子产品进行ESS，将会引起电子产品损坏。因此，应根据电子产品耐振动和耐环境设计能力来确定筛选应力。

 

3．3非通用性

 

由于不同用途、不同结构的电子产品对振动和温度等环境应力作用的响应不同，就不存在各种电子产品都通用的ESS方法。因此，应根据受试产品的响应特性来确定电子产品的ESS使用环境条件和应力参数。

 

4、分类

 

环境应力筛选可分为3种类型：

 

常规环境应力筛选、定量环境应力筛选和高加速环境应力筛选。

 

常规环境应力筛选：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。筛选所使用的方法是凭经验确定的，对筛选效果的好坏和费用是否合理不作定量分析，仅以能筛选出早期故障为目标。常规环境应力筛选现行标准是GJB1032-90《电子产品环境应力筛选方法》，它的特点是易以掌握和应用，它是目前应用最广泛、时间最长的筛选类型。

 

定量环境应力筛选：是指要求筛选的效果和成本与产品的可靠性指标和现场的故障修理费用之间建立定量关系的筛选。定量筛选是通过定量地选择所用应力的强度和检测仪表的检测率，正好把计算得到的制造过程所引入的产品的缺陷全部剔除，从而使产品的早期故障率达到规定的定量目标值，现行标准是GJB/Z 34-93《电子产品定量环境应力筛选指南》。由于定量筛选的应用需要提供正确的元器件和工艺的缺陷率、应力强度和检测设备检出能力的数据，而且筛选方案设计和方案调整过程非常繁杂，标准中提供的国内外这方面的数据不够完整且准确度差，所以应用到目前为止不是特别广泛。

 

高加速应力筛选（HASS）是在高加速极限试验（HALT）的基础上发展起来的一种新筛选类型，这种方法的特点是使用的应力大，需要的时间短。HASS 应力强度比常规ESS 大得多，只适用于研制阶段过程应用HALT 获得工作极限和破坏极限的产品。HASS 技术目前在国际上虽然已开始越来越广地应用，但在国内基本还处于应用探索阶段。

 

整体而言，当前的标准已经显现陈旧，方法也待于进一步的进行改进和优化，特别是在提升试验效率和试验效果层面。

 

5、可发现的缺陷

 

环境应力筛选的效果取决于环境应力、电应力水平，可将设备的潜在缺陷加速变成故障，导致失效，以便尽早排除。

 

其中热循环试验的作用主要是找出元器件结构与生产工艺有关的缺陷；随机振动试验更多的暴露设计相关缺陷。

 

电子设备故障分类绝大多数电子设备的失效都称为故障，根据故障原因进行分析，可分为缺陷型故障和偶然失效型故障。

 

根据GJB2082A《电子设备工艺缺陷和机械缺陷分类》标准，从可视角度产生缺陷的主要工艺类型分为: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。

 

 

三、随机振动应力筛选

 

1、正弦振动试验：

 

能用一项正弦函数表达式表达其运动规律的周期运动。例如凡是旋转、脉动、振荡（在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的）所产生的振动均是正弦振动。

 

 （1）正弦振动目的

 

正弦振动试验的目的是模拟电工电子产品在运输、储存、使用过程中所遭受的振动及其影响，并考核其适应性。

 

 （2）正弦振动试验条件

 

正弦振动试验的条件（严酷等级）由振动频率范围、振动量、试验持续时间（次数）共同确定。

 

（3）振动量

 

振动量：通常通过加速度、速度和位移来表示。

 

加速度：表示速度对时间倒数的矢量。加速度单位:g或m/s2

 

速度：在数值上等于单位时间内通过的距离

 

位移：表示物体相对于某参考系位置变化的矢量。位移单位:mm

 

 （4）加速度

 

加速度：物体在地球表面由于重力作用所产生的加速度。1g=10m/s2

 

（5）扫频、方式、速度

 

①扫频：

在规定的频率范围内往返扫描一次：

例如：5Hz→50Hz→5Hz,从5Hz扫描到50Hz后再扫描到5Hz。

②扫频方式

线性扫描：频率变化线性的，即单位时间扫过多少赫兹，单位是Hz/s或Hz/min，这种扫描用于细找共振频率的试验。

对数扫描：频率变化按对数变化，扫描率可以是oct/min ，对数扫描的意思是相同的时间扫过的频率倍频程数是相同的。

 ③扫描速度:

指从最低频率扫描到最高频率的速度。有以下几种：

 —oct/min:多少倍频程每分钟。

例:1oct/min,5Hz到10Hz需1分钟,10Hz到20Hz需1分钟。

 —min/sweep:多少分钟每次扫频。

例:5-500Hz,扫描速度:1分钟/sweep,表示从5Hz到500Hz需1分钟。

 —Hz/s:多少Hz每秒。

例:5-10Hz,扫描速度:1Hz/s,表示5Hz到6Hz需1秒,6Hz到7Hz需1秒。

④交越频率：

交越频率：在振动试验中由一种振动特性量变为另一种振动特性量的频率。如交越频率由等位移—频率关系变为等加速度—频率关系时的频率。

 

2、随机振动试验

 

随机振动是通过直接给组件施以机械外力激起组件中元器件及其结合部位的谐振来达到暴露潜在隐患为目的的,随机振动时,频谱一般为20-2000Hz,所有谐振频率在整个振动时间内同时受激励,激发能力大大加强（待补充）。

 

1）加速度谱密度

 

表示随机信号的各个频率分量所包的加速度方均值在频域上的分布。通常用ASD表示，单位：m2/s3或是(m/s2)2/Hz。

 

 2）功率谱密度

 

表示随机信号的各个频率分量所包的功率在频域上的分布。通常用PSD表示，单位：g2/Hz。

 

加速度谱密度与功率谱密度的换算：

 

1 g2/Hz=(9.8 m/s2)2=96.04 m2/s3

 

 3）均方根值

 

在f1和f2区间内单值函数的方均根值，是在该区间内的函数值的平方的平均值的平方根值。通常用rms表示。

 

 3、二者筛选效果比对

 

3.1 扫频正弦振动应力

 

3.1.1扫频正弦振动应力的筛选度计算

 

SS =1－exp[－0.000727(G)0.863t]…………………………..(1)

式中：G—高于交越频率的加速度量值，g；

t—振动时间，min。

按式计算的结果见表2。

 

 

3.1.2 扫频正弦振动应力的故障率

 

λD = [－Ln (1－SS ) ] / t …………………………(2)

式中：λD —故障率，次／h；

SS—筛选度；

t—时间，h。

按式(2)计算的结果也见表2。

 

3.1.3 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。

 

3.2  随机振动应力

 

3.2.1  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。

 

3.2.2  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=1－exp[－0.0046(Grms )1.71 t]            (3)

式中：Grms—加速度均方根值，g；

Grms =（A1＋A2 ＋A3 ）1/2 ；               (4)

A1 、A2 、A3 ——随机振动谱的面积，g2 (见图)；

t—动时间，min。

 

 

3.2.3 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：

 

λD = [－Ln (1-SS)] / t                (5)

式中：λD —故障率，平均次／h；

SS—筛选度；t—时间，h。

按照式(3)计算的筛选度和按照式(5)计算的故障率数值见表3。

 

表3  随机振动筛选度和故障率

 

 

3.2.4 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结果。

 

3.3 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3和表4的数据可以比较它们的故障率(即筛选效率)。

 

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算得其加速度均方根值为6.23g，取为6g；设持续时间为5min，查表3得筛选度为0.389、故障率为5.96次/小时。同样设扫频正弦振动的加速度为6g、持续时间为5min，查表2可得筛选度为0.0169、故障率为0.2045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29倍！

 

3.4 实际验证结果对比

 

上个世纪80年代，美国通用电器会司在发电机,机电传感器和数学式飞行控制计算机的生产线中采用随机振动筛选的情况,表明了随机振动是激发缺陷的特别有效的手段,激发同样数量的缺陷,随机振动效率要比温度循环高得多,指出了发现失效的环境不必定是施加造成此失效的应力环境,因此随机振动必须与温度循环相结合才能更为有效。另一方面,随机振动应力的量值一般应低于性能试验时的量位,它不会降低产品的可靠性。

 

作为筛选技术,随机振动比正弦振动更为有效,而且随机振动能加速激发失效,使其更早暴露,从而可减少试验循环数,节省试验时间。

 

如对于数字式飞行控制计算机增加了随机振动后,只要进行10次循环就能激发出用正弦振动需20次循环才能达到的失效数。

 

四、随机振动应力筛选试验相关要求及注意事项

 

1、随机振动筛选特性及其应力的确定

 

a 振动频率范围

考虑振动频率范围和量值时，重要的是要了解受筛产品的振动响应特性，这可通过响应特性试验完成。

据国内外的调查结果一个有效的筛选振动谱其频率范围应为20Hz-2000Hz，这覆盖了大部分产品响应的频率范围。

b 振动谱型及量级

振动谱型见上图， 其量级一般在0.01g2/Hz 0.04g2/Hz 间选择，具体应通过筛选条件摸底试验，用步进应力法并观察分析故障机理最后确定，但该谱在用于包含有光电和机电装置等对振动敏感的产品时应小心使用，此时应当设法根据产品振动响应特性，确定振动应力条件在敏感频率处可局部降低输入谱值一般可用0.02g2/Hz代替0.04g2/Hz。

c 振动轴向

原则上，随机振动一般应在三个轴向进行三向筛选在寻找缺陷方面最有效，但三向筛选工作量大时间长，为经济起见亦可选择单轴筛选或两轴依次筛选。

一般在决定单轴或双轴激励轴向前，要进行振动调查测量产品关键部位的响应据以找出最有效轴向，在两个或三个轴向同时激励产品的振动筛选可以满足激励主要响应轴的要求，同时还增加了旋转激励。很明显其优点是可减少筛选和装卸时间，但这需要有专门的多轴振动台如双轴电动振动台和三轴六自由度气动振动台。

d 振动时间

GJB 1032 推荐单轴振动筛选时间为10min，双轴振动每轴7.5min，三轴振动每轴5min，此外，由于一些筛选是在断电不工作状态下进行的在这些条件下将无法找出间歇性等软故障，故按GJB 1032 规定，允许在筛后利用低量级振动，以便有较充分的时间进行故障复现工作。但筛选和寻找故障用的总振动时间不得超过20min，以免消耗过多的疲劳寿命。

低量级振动的等效时间TD 的计算公式如下：

TD = 20（0.04/低量级振动的功率谱密度值）^3

由上式可知利用低量级振动的等效时间大为延长，有利于故障寻找。应该注意，标准所给定总振动时间不得超过20min，求是经验性的而不是硬性规定故亦可根据实情适当剪裁。

e 产品通断电状态

振动过程中一般应通电并进行性能检测，以及时发现故障和保证软故障不漏检，提高寻找故障效率，但对不具备通电条件的产品，如某些电路板可不通电。

f 无故障振动时间

振动筛选在温循之后再进行10min 其间至少应有连续5min无故障。

 

2、随机振动筛选设备的要求

 

对随机振动筛选设备的主要要求如下：

a 要有大尺寸的工作台面以利于产品安装；

b 应备有必要的夹具，夹具应在高达2000Hz 的频率范围内没有或只有极小的夹具共振，对给定的夹具和设备组合应进行检验，以确定共振或传递因子，在夹具校准时，需利用一动力学模拟件来代替实际受筛件以避免在产品上累积，应力循环若使用真实产品则需将振动输入限制在低量级范围；

c 应具有由一个或多个加速度计振动输入进行控制的能力，控制加速度计要安装在尽可能靠近夹具和产品的部位，或者夹具和支持结构的界面处，控制加速度计应该采用机械紧固件螺钉或螺栓，而不要使用胶接，并应使加速度计的敏感轴向与激励方向平行。

 

3、其他相关要求及注意事项

 

3.1共性要求：

 

需要注意以下试验要求：

 

a) 试验夹具在规定的功率谱密度频率上限2000Hz 以内不应有振频率存在，即在20-2000Hz 范围内沿振轴方向的传递函数必须保持平坦，其不平坦允许偏差不得超过±3 dB（设计如有困难，500-2000Hz 允许放宽到±3 dB，但累计带宽应在300Hz 以内）；试验条件允许偏差应符合GJB 1032-90 中4.4 节的规定。

 

b) 随机振动试验时，元器件应进行点封或固封。受试产品与夹具或振动台台面的连接应模拟产品实际的安装状态，包括受力方式、连接件数量及尺寸等，不允许使用设计上没有的附加固定；有支架或减振器的单机原则上应去除支架和减震器。故障修复后再试验的时间与故障前的试验时间（在0.04g2/Hz功率谱密度值下）的总和建议控制在20min以内。

 

3.2控制点和监测点：

 

3.2.1加载控制点选择：

 

 

驱动谱基准点—控制点一般为台面。然而,在随机振动试验中,试件各点力学响应相对于其下端而言,除极个别情况某时刻某频率点可能有减小外,一般均有放大。

 

故为保证试件中各电子元器件及工艺均能受到某规定量级的随机振动,驱动谱谱值基准点应选在其下端为宜。因此,要求试验操作人员应以此来随时调节台面控制值（均方根加速度值）

 

由于试验台、工装和产品结构在实验过程中构成机械传动环节，而每个环节的固有谐振频率不同，因此在标准控制谱输入的情况下，设备内部每块模件上不同点的响应互不相同，有的甚至超出标准谱5-6倍甚至更高，造成设备内部某些合格元器件的过考核，使交付产品存在质量隐患。所以，在实验前均需对参试设备进行摸底试验，确保设备内部模件上激励响应的振动量级控制在要求范围内。

 

a 被试产品直接固定在振动台面上的，振动控制点可以直接选在振动台台面上；

b 如果通过振动支架与振动台固连，加载控制点一般选在振动支架与产品连接面处；

c 如果试验产品带真实支架的，振动加载控制点一般应选在支架与台面连接面处；

d试验应尽量采用多点平均控制，控制点应选在产品与振动台台面或夹具的连接面上，靠近产品底板处。

 

3.2.2监测点选择：

 

监测点应该选在试验产品的关键部位处，使其均方根加速度不得超过设计允许最大值，若监测超出，需要进行振动谱分析，允许降低该处谱值，以保证不使试验产品关键部位受到过应力，这在工程实践中就叫做振动筛选谱形的“挖坑”处置。

 

其实，这也就是整个学习笔记里面最为关键的部分，这里处置不好，就会造成过试验。

 

较为传统的做法：

 

设备内有n（n ≥ 1）块模件板，在每块模件的几何中心处粘贴传感器，具体的试验步骤如下：

（1）选取每块模件的几何中心或模件上的关键件、重要件处粘贴1 个传感器。

（2）按照标准的控制梯形谱对振动台施振。

（3）同时监测每块模件检测点的激励响应，根据响应谱形修正控制谱，使每块模件上的激励响应控制在要求的量级内，从而确定输入控制谱。

 

3.3振动夹具（工装）设计要求：

 

力学试验是验证和解决机载设备在飞机振动环境中可靠性的重要手段。夹具是振动试验中连接被试件和激励台的关键过渡件，应能够不失真地将振动台输出振幅和振动能量传递给被试件，同时模拟设备在真实使用条件下的装配环境。

 

一个合格的振动夹具应能够满足控制谱要求，不会造成“过振动”或“欠振动”，从而保证环境试验的有效性。本文主要设计原则如下:

①频响特性满足使用要求，即振动夹具与被试件之间不会发生共振耦合;

 

②比刚度高，阻尼大，需要将激励载荷以原频率、原波形地传递到被试件上，夹具必须有足够的刚度;

 

③为降低在非激励方向上的附加振动载荷，对于中大型夹具应考虑对称结构;

 

④夹具与激励输出动圈连接可靠，夹具与动圈之间的连接螺栓应尽可能多，且夹具底面加工精度要高。

 

4、随机振动功率谱密度计算

 

 

在频段内功率谱密度曲线所围成的面积，即为施加到振动台面的能量。图中升谱或降谱的斜率是按对数坐标来给出，单位为倍频程。假设频率f1处的功率谱密度为PSD1， f2处的功率谱密度为PSD2，则谱值增量为lg（PSD2/PSD1）,频率增量为log2(f2/f1)，由此可得谱线斜率为：

 

 

可以计算得出：Grms=sqrt（A）=6.23g

以上计算参见《基于多点极值反馈的随机振动筛选试验方法》，刘俊连。

 

五、结论

 

随机振动应力筛选是一种有效的提前暴露产品缺陷的方式，在之前因为工装振动放大以及控制点、监测点的选择不适宜，特别是在正式振动之前的摸底振动（功率谱“挖坑”）不充分或者未进行，容易导致电子设备单板上部件过振动，筛选应力超过设计极限，损坏设备。

 

实际上在合理选择控制点，设置合理的监测点，“挖坑”处置得当之后，随机振动应力筛选能够有效发挥其作用，大量的试验研究也得出一个明确的结论：0.04g2/Hz量值振动20min，对于一般电子设备而言，不会引起疲劳损伤。

 

但需要明确的是，对于一些新承担任务单位或之前未承接过较为精密的电子设备筛选试验的单位，应该从源头进行有效的确认，特别是在振动应力筛选过程中，工装、控制点、监测点、“挖坑”缺一不可。