一、概述

环境应力筛选ESS（Environmental Stress Screening）是用于发现和排除产品不良零件、元器件、工艺缺陷以防止出现早期失效，而在环境应力下所实施的生产过程。不同于一般的可靠性试验，ESS不是一项可靠性测试，而是生产测试。ESS的目标是通过施加的温度、振动、电压应力，加速产品的早期失效期，从而将存在早期失效可能的瑕疵产品在生产阶段及时被剔除，或修复。防止早期失效带来的瑕疵品流入市场，引起客户不满。从浴盆曲线可以看出，ESS并不能提升产品的固有可靠度，无法提升MTBF或者降低随机失效阶段的失效率。也能看出多做几个循环ESS并不会“损失”产品的MTBF。ESS 的目标是将产品加速老化以暴露缺陷，而尽快达到“规定的失效率”。

二、实施ESS的层级

熟悉ESS的朋友一定了解MIL-HDBK-2164A，这份标准是业界广泛使用的ESS测试流程。手册明确了它的适用范围是电子设备，不是器件，也不是系统。对于底层的器件，业内较多使用老练Burn-In来筛选早期失效，尤其是大规模集成电路。集成电路不像PCBA板有那么多的焊点，胶水或连接器互联。在相对成熟的半导体器件封装上，不需要施加过多的热机械或者机械应力来激发早期失效。筛选的目标会是激发半导体晶片(Die)本身的失效。因此高温，高电压，施加模拟的计算负载的Burn-In显得更有效率。某些知名CPU厂商甚至将Burn-In直接施加在未封装的Die甚至未切割的wafer上(Die/Wafer Level Burn-In)。好处显而易见，对于先天不足容易在Burn-In夭折的Die，切割成Die或者封装测试成芯片都是浪费。系统层面，设备之间的连接往往是电缆或者板卡连接器。对于这个层面的故障，ESS并不能很好的激发。因此，ESS一般不会施加在系统层面。最有效的ESS应该是在电子设备这个层级上。

三、ESS流程

要制定一套精准的适合产品的ESS流程并不容易。试验设计相对复杂，要选择合适的失效分布模型，定义合适的应力参数。想深入了解ESS理论的朋友可以去研究一下孙风斌博士的著作 “Environmental Stress Screening”。著作里面详细讲解了如何设计ESS。诸如使用混合寿命分布-双态威布尔模型，多参数浴盆曲线，休斯模型等等, 再结合试验数据来建立ESS流程。对于大多数公司而言，可能没有大量的试验数据可以支撑建立一套针对于自身产品的ESS流程。参考行业标准也成为了绝大部分可靠性工程师们的选择。

GJB1032-90 和MIL-HDBK-2164A大同小异，可以看作国军标是美军标的翻译版本。他们都详细描述了如何通过施加高低温循环、电压、振动应力来进行ESS测试。而MIL-HDBK-344A则从如何制定ESS计划、定义流程、实施测试，以及选择合适的数学模型上描述了整个ESS工作的过程。

GJB1032-90 、MIL-HDBK-2164A ESS过程定义了温度循环以及随机振动2个阶段测试，涉及了温度循环、振动、电压3种应力。

1）温度循环测试

在完成功能测试确保被测产品的各种参数合格后，一般先进行温度循环测试。

实际操作通常将温度循环简化为 10个循环。被测产品在前8个循环发生失效后可以停机维修，维修后继续后续进行温度循环测试。最后2个循环要求无失效。如果发生失效，维修后要再运行2个循环，确保能够完成2个连续的完整的无失效的温度循环。温度循环次数和高低温限可根据产品特性进行适当调整。下图是NAVMAT P9492中列举的一些知名企业实施的测试参数。

通电测试一般发生在低温区开始升温的阶段，以避免被测产品开机后带来的升温影响低温应力的效果。施加的电压可以是标准电压或者产品规范中允许的电压上限。对电压应力比较敏感的设备，甚至可以设计施加电压下限到电压上限的电压循环。下图为国军标中定义的无冷却和有冷却系统的温度循环曲线，与美军标中定义的曲线基本保持一致。

2）随机振动筛选

温度循环完成之后，一般要进行功能测试来确定被测件是否还能完成相应功能。确认功能正常后，会进行随机振动测试，随机振动时间为：

Ø 在缺陷剔除试验阶段为5min。

Ø 无故障检验阶段为5～15min。

与温度循环无故障检测阶段（failure free phase）类似，在前5分钟振动中发生失效，可以修复产品后继续进行测试。在无故障检验阶段发生故障，修复后必须重新完成5-15分钟振动且不发生失效。

随机振动测试条件：随机振动频谱如下图所示，总的能量为6.06GRMS。如果在某一频点上发生共振导致出现能量尖峰的，可以适当在该频点上降低能量以避免共振。这也是为什么有些ESS流程中看到的振动频谱会被切掉一个小沟。在整个随机振动阶段，被测产品应通电监控。其电压要求与温度循环类似。

振动方向的选择取决于产品的物理结构特点、内部部件布局以及产品对不同方向振动的灵敏度。一般情况只选取一个轴向施加即可有效地完成筛选。通常会选择垂直于PCB板的方向进行振动测试，以在元器件上产生最大的加速度能量。

3）测试顺序

美军标与国军标都明确要求先进行温度循环再进行随机振动，其目的十分明确，利用温度循环激发诸如焊点开裂，空洞，虚焊等失效，再使用随机振动将其扩大最终显现出来。因此温度循环和随机振动的顺序不能改变。

4）失效后的维修

一般来说维修次数按照生产流程所要求的最大次数开展，诸如BGA芯片返工不可超过3次。其他电子元器件可以不设置限制，但是返工后需要按照诸如IPC610检验标准验收合格。最大的累计温度循环次数一般不超过20次。发生批量故障或者共性故障应当开展8D报告分析并记录进入FRACAS系统。

5）ESS抽样

对于新产品导入，ESS应当100%进行。在生产工艺和来料器件的质量都趋向稳定之后，可以进行抽样处理。标准中明确说明可以进行ESS抽样，但是没有给出具体的抽样比例。总的原则应该即使实施了一定比例的抽样ESS，依然不会导致客户端的失效率超过保证值。

6）更有效的筛选方法

按照上述军标流程开展ESS，测试时间较长，完整进行一次ESS需要3-4天，会成为生产过程中的瓶颈。因此，在提高生产力的呼声下，更快速更有效的筛选方法诸如HASS（High Accelerated Stress Screening）越来越受到欢迎。HASS的基本方法是基于HALT的测试结果，使用80%左右的运行限设定为HASS测试的温度和振动限，进行温度循环结合随机振动结合的循环测试。HASS筛选的效率更高，速度更快。但ESS始终是在产品温度振动spec下进行筛选，相对安全。而HASS通常会施加大于产品的温度和振动spec，因此风险比较大，容易造成试验损伤。需要基于经验进行多次调整之后才能找到合适的测试曲线。