环境应力筛选试验.docx

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环境应力筛选试验

1环境应力筛选的目的和原理

1.1环境应力筛选的目的

环境应力筛选的目的在于发现和排除产品的早期失效，使其在出厂时便进入随机失效阶段，以固有的可靠性水平交付用户使用。

1.2环境应力筛选的原理

环境应力筛选是通过向电子装备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，以便人们发现并排除。

环境应力筛选是装备研制生产的一种工艺手段，筛选效果取决于施加的环境应力、电应力水平和检测仪表的能力。

施加应力的大小决定了能否将潜在的缺陷在预定时间内加速变为故障；检测能力的大小决定了能否将已被应力加速变成故障的潜在缺陷找出来，以便加以排除。

因此，环境应力筛选又可看作是产品质量控制检查和测试过程的延伸。

2缺陷分类

2.1通用定义

产品丧失规定的功能称失效。

对可修复产品通常也称为故障。

对设备而言，任一质量特征不符合规定的技术标准即构成缺陷。

绝大多数电子装备的失效都称为故障，以故障原因对其进展分解可以参阅图。

从图中可知，装备故障分为偶然失效型故障和缺陷型故障两大类。

人们认为偶然故障表现为随机失效，是由元器件、零部件固有失效率引起的；而缺陷型故障由原材料缺陷、元器件缺陷、装配工艺缺陷、设计缺陷引起，元器件缺陷本身又由构造、工艺、材料等缺陷造成，设计缺陷那么包含电路设计缺陷、构造设计缺陷、工艺设计缺陷等内容。

构造工艺材料电路设计构造设计工艺设计

缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷

元器件缺陷设计缺陷

原材料装配工艺

缺陷缺陷

缺陷型故障偶然失效型故障

电子装备故障

图电子装备故障原因分解示意

2.2电子设备可视缺陷分类

按照2082?

电子设备可视缺陷和机械缺陷分类?

，从影响与后果方面缺陷分为致命缺陷、重缺陷、轻缺陷；从可视的角度来看，产生缺陷的主要工艺类型有：

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或重缺陷，轻缺陷比拟普遍。

致命缺陷是指对设备的使用、维修、运输、保管等人员会造成危害或不平安的缺陷，或可能阻碍某些重要装备〔如舰艇、坦克、大型火炮、飞机、导弹等〕的战术性能的缺陷。

重缺陷是指有可能造成故障或严重降低设备使用性能，但又不构成致命缺陷的缺陷。

轻缺陷是指不构成重缺陷，但会降低设备使用性能或不符合规定的技术标准，而对设备的使用或操作影响不大的缺陷。

可视缺陷是指通过人的视觉器官可直接观察到的，或采用简单工具对设备质量特征所能判定的缺陷。

承制单位的质量检验人员对大多数可视缺陷都可以发现并交有关部门排除，唯有不可视缺陷需要进展环境应力筛选或其它方法才能被发现，否那么影响产品可靠性。

3筛选应力及其效应表达式

3.1常规筛选与定量筛选

常规筛选是指不要求筛选结果与产品可靠性目标和本钱阈值建立定量关系的筛选。

筛选方法是凭经历确定的，筛选中不估计产品引入的缺陷数量，也不知道所用应力强度和检测效率的定量值，对筛选效果好坏和费用是否合理不作定量分析，仅以能筛选出早期失效为目标。

筛选后的产品不一定到达其故障率恒定的阶段。

定量筛选是要求筛选的结果与产品的可靠性目标和本钱阈值建立定量关系的筛选。

定量筛选有关的主要变量是引入缺陷密度、筛选检出度、析出量或残留缺陷密度。

引入缺陷密度取决于制造过程中从元器件和制造工艺两个方面引进到产品中的潜在缺陷数量；筛选检出度取决于筛选的应力把引入的潜在缺陷加速开展成为故障的能力和所用的检测仪表把这些故障检出的能力；残留缺陷密度和缺陷析出量那么取决于引入缺陷密度和筛选检出度。

定量环境应力筛选关系式如下：

—F

（1—）（2-3-1）

×（2-3-2）

式中：

——残留缺陷密度，平均个/产品；

——装备引入的缺陷密度，平均个/产品；

F——境应力筛选析出的缺陷量，平均个/产品；

——筛选检出度；

——筛选度；

——检测效率。

在进展定量筛选之前，首先要按照可靠性要求确定残留缺陷密度的目标值，然后通过适当地选择筛选应力种类及其量值的大小、检测方法、筛选所在等级等参数设计筛选大纲。

实施此大纲时，要进展监测和评估，确定、、的观察值，并与设计估计值比拟，以便及时采取措施保证实现定量筛选目标，并使之最经济有效。

定量环境应力筛选的控制过程请参阅图。

3.2恒定高温应力

参数的计算

.1筛选度计算

设恒定高温筛选的应力参数是温度、筛选时间t、环境温度（一般取25℃），其筛选度的表达式为：

　　　　＝1－[-0.0017（R＋0.6）0.6t]（2-3-3）

式中：

R＝－＝－25——温度变化范围，℃；

t——恒定高温的持续时间，h。

　　按公式（2-3-1）计算的恒定高温筛选度数据见表2-3-1。

加工引入的

缺陷加

制造筛选产品

元器件材料

缺陷元×

元＋加×—F

图定量环境应力筛选变量关系示意

筛选故障率计算

恒定高温筛选时缺陷的故障率表达式如下：

λD＝[－（1－）]（2-3-4）

式中：

λD——故障率，次／小时；

——筛选度;

根据式（2-3-4）计算的恒定高温故障率（λD）见表2-3-1

表2-3-1恒定高温筛选度（）和故障率（λD）

时间

温

度

增

量

（

∆

〕

℃

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

λD

恒定高温应力激发的故障模式或影响

恒定高温能激发的故障模式（或对产品的影响）主要有：

使未加防护的金属外表氧化，导致接触不良或机械卡死，在螺钉连接操作时用力不当或保护涂层上有小孔和裂纹都会出现这种未防护的外表。

加速金属之间的扩散，如基体金属与外包金属，钎焊焊料与元件，以及隔离层薄弱的半导体与喷镀金属之间的扩散；

使液体干涸，如电解电容和电池因高温造成泄漏而干涸；

使热塑料软化，如该热塑料件处于太高的机械力作用下，那么产生蠕变；

使某些保护性化合物与灌封蜡软化或蠕变；

提高化学反响速度，加速与内部污染物的反响过程；

使局部绝缘损害处绝缘击穿。

3.3温度循环应力

温度循环应力参数

温度循环应力参数有：

上限温度、下限温度、循环次数、温度变化速率。

温度循环应力筛选度计算

＝1－－0.0017（R＋0.6）[（e＋v）]3．N（2-3-5）

式中：

－，——温度变化范围，℃；

——上限温度，℃；

——下限温度，℃；

V——温度变化速率，℃／；

N——循环次数；

，——自然对数的底。

　　按式（2-3-5）计算的温度循环应力筛选度见表2-3-2。

表2-3-2温度循环应力筛选度

次

速率

温度范围℃

数

℃

100

120

140

160

180

温度循环应力故障率计算

λD=[－

（1）]/N（2-3-6）

式中：

λD——故障率，平均次／循环；

——筛选度；

N——循环次数。

各参数组对应的故障率见表2-3-3。

温度循环应力激发的故障模式或影响

使涂层、材料或线头上各种微细裂纹扩大；使粘接不好的接头松驰；使螺钉连接或铆接不当的接头松驰；使机械张力缺乏的压配接头松驰；使质量差的焊点接触电阻加大或开路；粒子污染；密封失效。

表2-3-3温度循环故障率（λD）

速率

温度循环范围℃

℃

100

120

140

160

180

3.4扫频正弦振动应力

扫频正弦振动应力的筛选度计算

=1－[－0.000727（G）0.863·t]（2-3-7）

式中：

G—高于交越频率的加速度量值，g；

t—振动时间，。

　　按式（2-3-7）计算的结果见表2-3-4。

扫频正弦振动应力的故障率

λD=[－（1－）]/t（2-3-8）

式中：

λD—故障率，次／h；

—筛选度；

t—时间，h。

按式（2-3-8）计算的结果也见表2-3-4。

表2-3-4扫频振动筛选度和故障率

时间

加速度量值〔g〕

.0020

.0036

.0051

.0066

.0080

.0099

.0107

.0120

.0132

.0145

.0157

.0169

.0181

.0193

.0040

.0072

.0103

.0131

.0519

.0186

.0212

.0238

.0263

.0287

.0312

.0355

.0359

.0382

.0060

.0108

.0154

.0196

.0289

.0278

.0316

.0354

.0391

.0428

.0464

.0499

.0534

.0568

.0080

.0144

.0204

.0261

.0316

.0368

.0420

.0470

.0519

.0566

.0614

.0660

.0705

.0750

.0099

.0180

.0255

.0325

.0393

.0458

.0522

.0584

.0644

.0703

.0761

.0818

.0874

.0929

.0119

.0216

.0305

.0389

.0470

.0547

.0623

.0696

.0768

.0838

.0906

.0937

.1039

.1101

.0139

.0251

.0355

.0452

.0546

.0636

.0723

.0807

.0890

.0970

.1049

.1122

.1201

.1275

.0159

.0287

.0404

.0515

.0621

.0723

.0822

.0917

.1010

.1101

.1189

.1276

.1361

.1444

.0178

.0322

.0454

.0578

.0696

.0810

.0919

.1026

.1129

.1230

.1328

.1424

.1517

.1609

.0198

.0357

.0503

.0640

.0770

.0895

.1016

.1133

.1246

.1357

.1464

.1569

.1671

.1771

.0217

.0392

.0552

.0701

.0844

.0980

.1112

.1239

.1362

.1482

.1598

.1711

.1822

.1980

.0237

.0427

.0600

.0763

.0917

.1065

.1207

.1344

.1476

.1605

.1730

.1852

.1970

.2089

λD

.0240

.0436

.0619

.0793

.0962

.1126

.1286

.1443

.1597

.1749

.1899

.2048

.2194

.2339

扫频正弦振动应力激发的故障模式或影响

使构造部件、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。

3.5随机振动应力

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（）、振动时间、振动轴向数。

其振动谱可参阅图。

随机振动应力筛选度

随机振动应力筛选度的计算式如下：

1－[－0.0046（）t]（2-3-9）

式中：

—加速度均方根值，g；

=〔A1＋A2＋A3〕1/2；（2-3-10）

A1、A2、A3——随机振动谱的面积，g2（见图）；

t—动时间，。

加速度功率谱

密度g2

+3－3

A1A2A3

频率

020803502000

图随机振动谱示意

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=[－

（1）]/t（2-3-11）

式中：

λD—故障率，平均次／h；

—筛选度；

t—时间，h。

按照式（2-3-9）计算的筛选度和按照式（2-3-11）计算的故障率数值见表2-3-5。

表2-3-5随机振动筛选度和故障率

时间

加速度均方根值（g）

.007

.023

.045

.012

.104

.140

.178

.218

.260

.303

.346

.389

.431

.478

.014

.045

.088

.140

.198

.260

.324

.389

.452

.514

.572

.627

.677

.723

.021

.067

.129

.202

.282

.363

.444

.522

.595

.661

.720

.772

.816

.854

.028

.088

.168

.260

.356

.452

.543

.626

.700

.764

.817

.861

.896

.923

.035

.109

.206

.314

.424

.529

.625

.708

.778

.835

.880

.915

.941

.959

.041

.129

.241

.363

.484

.595

.691

.772

.836

.885

.922

.948

.966

.979

.048

.149

.275

.409

.538

.651

.746

.882

.878

.920

.949

.968

.981

.989

.055

.168

.308

.452

.586

.700

.791

.860

.910

.944

.966

.981

.989

.994

.061

.187

.339

.492

.629

.742

.829

.891

.933

.961

.978

.988

.994

.997

.068

.205

.369

.529

.668

.778

.859

.915

.951

.973

.986

.993

.996

.998

.074

.224

.397

.563

.702

.809

.884

.938

.964

.981

.991

.996

.998

.999

.081

.241

.424

.595

.734

.836

.905

.948

.973

.987

.994

.997

.999

λD

.084

.276

.552

.903

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一样，但故障机理更复杂，开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鼓励许多共振点的作用结果。

3.6筛选效果比照

温度应力比照

a）对恒定高温应力的分析

恒定高温筛选的筛选度与温度增量、筛选时间密切相关，但其量值很小，由表2-3-1查得当温度增量为最大（80℃）、老炼筛选时间最长（200h）时，筛选度为。

恒定高温的故障率只与温度增量有关，其值也很小，同样从表2-3-1查得温度增量最大（80℃）时故障率为平均次／h。

即为了暴露1个缺陷，用温度增量为80℃的恒定高温进展筛选平均需要42个小时。

如果按有些产品以45℃（温度增量为20℃）高温进展老炼筛选的话，其故障率为次，需要平均老炼100小时才能暴露1个缺陷。

因此可见，为了到达消除早期失效的目的，用恒定高温的老炼筛选时间要很长，不仅筛选效率低下，而且有可能要影响产品的使用寿命。

故障率低和可能影响产品的使用寿命是恒定高温筛选应力的致命缺点。

b）对温度循环应力的分析

　　温度循环应力的筛选度与温度范围、循环次数有关，并且与温度变化速率关系最密切，即温度升降速率越大，其筛选度也越大。

由表2-3-2可查得温度范围为180℃、循环次数为4、温度变化速率为20℃时，筛选度为。

归一化后其故障率与温度变化范围和温度变化速率成正相关。

由表2-3-3可查得,当温度变化范围为80℃、温度变化速率为5℃时温度循环应力的故障率平均为次/循环，一般每个循环时间在～小时之间，因此该应力的故障率相当于平均次～次之间。

因此，故障率高、筛选效率高、不会影响产品使用寿命是温度循环应力的特点。

c）温度应力的比拟

由上分析可知，温度变化范围为80℃、温度变化速率为5℃的温度循环应力的故障率是温度增量为80℃的恒定高温应力的2倍多与之比）。

而且在工程上要实现前者比后者容易得多。

温度增量为80℃的恒定高温应力要让产品经受105℃〔80＋25〕高温的相当长时间的工作过程，平均42小时才能暴露1个故障。

而温度循环应力，通常采用温度交变试验箱，此类设备对温度范围为80℃〔由－35℃变化到＋45℃〕、温变速率为5℃的性能参数是最低的要求，轻易便可实现，此应力可使产品平均筛选20小时便可以暴露1个故障，比恒定高温应力的筛选效率高很多。

　　为了进一步提高温度循环应力的筛选效率，可以通过提高温度变化率的应力参数来实现。

由表2-3-2可知，当温度范围仍为80℃、温度变化速率由5℃提高到20℃时，其故障率由平均次/循环提高到平均次/循环，后者是前者的倍多，即平均5个小时便可以暴露1个缺陷。

　　当然，温度交变试验箱要实现20℃的温变速率，需要大幅度地增加升降温系统的功率，甚至要在机械致冷的根底上加装液态氮致冷系统及其控制装置。

这需要增加投入。

为了提高筛选效率、减少筛选对产品寿命的影响，提高温变速率是最好的方法，为此而增加投入也是适宜的。

振动应力比照

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2-3-4和表2-3-5的数据可以比拟它们的故障率（即筛选效率）。

　　我们按照1032?

电子产品环境应力筛选?

标准要求的典型的随机振动谱（见图）算得其加速度均方根值为，取为7g；设持续时间为5，查表2-3-5得筛选度为、故障率为次/小时。

同样设扫频正弦振动的加速度为7g、持续时间为5，查表2-3-4可得筛选度为、故障率为次/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33倍！

几种应力的筛选度和故障率的比照见表2-3-6。

表2-3-6筛选应力效果比照

工程

恒温45℃

恒温105℃

交变80℃

5℃

交变80℃

20℃

扫频7g

随机7g

中等

高

λD

（1）

次故障

100

0.13（70.8）

影响寿命

较大

根本不影响

不影响

试验设备造价

低

较低

较高

低

较高

　　当然，只有随机振动控制设备和与之配套的电磁振动台才能提供随机振动应力，其设备价格要比扫频振动台昂贵，但是为了提高筛选效率，最大限度地消除早期故障，这个投入还是合算的。

结论

a）经典的老炼工艺与常规的恒温筛选对暴露产品的缺陷有一定的作用，但其筛选度和故障率数值很小，效率十分低，需要用相当长的时间才能到达消

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