環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）誘發(fā)故障機(jī)理及應(yīng)力參數(shù)的確定
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發(fā)布日期： 2020.11.19
環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）是通過(guò)向產(chǎn)品施加加速環(huán)境應(yīng)力，將存在于產(chǎn)品內(nèi)部的潛在缺陷在短時(shí)間內(nèi)變成故障，并加以發(fā)現(xiàn)和排除的過(guò)程。環(huán)境應(yīng)力篩選不是一般接受/拒收意義上的試驗(yàn)，而是一種工藝手段，是發(fā)現(xiàn)和剔除不良元器件、工藝缺陷、設(shè)計(jì)缺陷及其它原因造成的早期故障的有效工藝手段，它不僅應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，而且還應(yīng)用于產(chǎn)品的研制階段。產(chǎn)品經(jīng)過(guò)環(huán)境應(yīng)力篩選，其使用可靠性可以得到大幅度提高。
原則上，凡能將產(chǎn)品中潛在缺陷激發(fā)為故障的應(yīng)力，均可用于篩選。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，不同應(yīng)力在激發(fā)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷效果上存在很大差異。篩選應(yīng)力必須選擇那些激發(fā)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷十分有效的應(yīng)力。從美國(guó)環(huán)境科學(xué)協(xié)會(huì)（IES）搜集的歷年資料中可以發(fā)現(xiàn)，溫度循環(huán)是有效的篩選應(yīng)力方法，其次是隨機(jī)振動(dòng)。在暴露的缺陷中約80%是對(duì)溫度循環(huán)響應(yīng)的結(jié)果，約20%是對(duì)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的結(jié)果。實(shí)踐證明，溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)組成的ESS篩選方法是消除產(chǎn)品潛在缺陷經(jīng)濟(jì)有效的手段。因此，環(huán)境應(yīng)力篩選常選擇的應(yīng)力就是溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)。
1、誘發(fā)故障機(jī)理
溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)誘發(fā)故障機(jī)理的不同，決定它們所激發(fā)的缺陷類(lèi)型也不一樣。
產(chǎn)品在經(jīng)受溫度循環(huán)時(shí)，內(nèi)部交替膨脹和收縮，使其產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變。當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部存在瞬時(shí)的熱梯度，或產(chǎn)品內(nèi)部鄰接材料的熱膨脹系數(shù)不匹配時(shí)，這些應(yīng)力和應(yīng)變將會(huì)加劇，并在潛在缺陷處出現(xiàn)應(yīng)力集中，多次循環(huán)將會(huì)累積這種效應(yīng)，終使缺陷變成故障。隨機(jī)振動(dòng)是在很寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)產(chǎn)品施加振動(dòng)應(yīng)力，產(chǎn)品在不同的頻率上同時(shí)受到應(yīng)力，并在許多諧振點(diǎn)上同時(shí)受到激勵(lì)，從而使安裝不當(dāng)?shù)脑芘でp碰撞，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)松動(dòng)或磨損甚至破壞。可以這樣說(shuō)，溫度循環(huán)在揭示元器件的缺陷方面起主要作用，而隨機(jī)振動(dòng)在揭示工藝和組裝缺陷方面起主要作用。
采用隨機(jī)振動(dòng)-溫度循環(huán)-隨機(jī)振動(dòng)組合方式的篩選順序，有利于這2種應(yīng)力間的協(xié)同作用，加速激發(fā)和暴露產(chǎn)品內(nèi)部的潛在缺陷。
2、應(yīng)力參數(shù)的確定
環(huán)境應(yīng)力篩選使用的應(yīng)力主要是激發(fā)故障，而不是模擬工作環(huán)境，對(duì)于篩選出的故障不僅沒(méi)有數(shù)量上的限制，而且在費(fèi)用和時(shí)間允許的情況下，希望把盡可能多的缺陷變?yōu)楣收喜⒓右耘懦?。環(huán)境應(yīng)力篩選所用的應(yīng)力雖然是加速應(yīng)力，但不能超出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的極限，不能讓受篩產(chǎn)品因?yàn)楹Y選而使其性能下降或壽命降低。一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的環(huán)境應(yīng)力篩選，確定合理的應(yīng)力參數(shù)非常關(guān)鍵。
2.1溫度循環(huán)應(yīng)力參數(shù)的確定
在溫度循環(huán)諸參數(shù)中，對(duì)篩選效果有影響的是溫度變化范圍（或高.低溫極值）、溫度變化速率以及循環(huán)次數(shù)。
2.1.1 溫度變化范圍
溫度變化范圍表明了產(chǎn)品在每一個(gè)循環(huán)中經(jīng)受的熱應(yīng)力/應(yīng)變，它由高、低溫極值決定。選擇溫度極值的關(guān)鍵是給產(chǎn)品施加適當(dāng)應(yīng)力以析出缺陷而不損壞好的產(chǎn)品。溫度極值的選定必須考慮2個(gè)關(guān)鍵因素:組件的.貯存溫度;組件設(shè)計(jì)的工作溫度和工作溫度。
確定的溫度極值應(yīng)當(dāng)是受篩產(chǎn)品所經(jīng)受的溫度不應(yīng)超過(guò)構(gòu)成產(chǎn)品各組件的各個(gè)部件﹑元器件和材料的設(shè)計(jì)值（貯存溫度和工作溫度）中的小值，溫度不應(yīng)超過(guò)構(gòu)成產(chǎn)品各組件的各個(gè)部件、元器件和材料的設(shè)計(jì)值（貯存溫度和工作溫度）中的值。在實(shí)踐中，使用的溫度范圍基本上在90~180℃之間，選取的小溫度變化范圍是:組件125℃（通常低溫-50℃，高溫75℃），單元110
℃（通常低溫-40℃，高溫70℃），系統(tǒng)100℃（通常低溫-40℃，高溫60℃）。在上述確定方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力，選取的溫度變化范圍盡可能大，以提高篩選效率。
2.1.2溫度變化速率
溫度變化速率通常指的是環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度變化的平均速率。提高溫度變化速率可加強(qiáng)產(chǎn)品的熱脹冷縮程度并縮短這一過(guò)程的時(shí)間，加劇熱應(yīng)力和應(yīng)變，因此較高的溫度變化速率可以提供更有效的篩選。由于受產(chǎn)品本身的熱容量和熱慣性的影響，產(chǎn)生在產(chǎn)品上的溫度響應(yīng)并不都與環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度變化速率同步，熱容量大的產(chǎn)品往往出現(xiàn)明顯的溫度變化滯后，尤其是受篩產(chǎn)品質(zhì)量大，溫度變化速率太高，環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱風(fēng)速慢的條件下，這種溫度變化滯后更明顯，從而達(dá)不到預(yù)期的篩選效果。
溫度變化速率的選擇取決于受篩產(chǎn)品的特性，同時(shí)還應(yīng)考慮篩選設(shè)備能力。根據(jù)美國(guó)多年的篩選經(jīng)驗(yàn)，印制板組件組裝級(jí)的篩選溫度變化速率常采用15~20℃/min，單元級(jí)的常采用10~20℃/min，設(shè)備和系統(tǒng)級(jí)的常采用10~15 ℃/min。
環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱的風(fēng)速是影響受篩產(chǎn)品溫度響應(yīng)的重要因素。大的風(fēng)速加快了環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度的對(duì)流速度，保證了受篩產(chǎn)品各組件與環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度有良好的熱變換，提高了篩選效率。為改善受篩產(chǎn)品的溫度響應(yīng)，可以在組件密度高或熱容量大的部位安裝風(fēng)扇之類(lèi)的空氣循環(huán)系統(tǒng)，提高這些部位的溫度變化速率。美國(guó)休斯飛機(jī)公司近的經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)印制板組件組裝級(jí)篩選時(shí)，為使硬件溫度緊跟環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱中空氣溫度變化，組件處的空氣速度必須至少為4.75
m/s例。對(duì)于風(fēng)速小于5 m/s的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱，由于受篩產(chǎn)品各組件與環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱內(nèi)空氣的熱交換較緩慢，篩選時(shí)不宜采用超過(guò)15℃/min的溫度變化速率同，過(guò)高的溫度變化速率反而會(huì)使產(chǎn)品的溫度響應(yīng)變差，降低了篩選效果。
為尋找佳的溫度變化速率，要求對(duì)受篩產(chǎn)品進(jìn)行溫度調(diào)查，尤其對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵部位，依據(jù)產(chǎn)生在產(chǎn)品上的溫度響應(yīng)結(jié)果并結(jié)合篩選設(shè)備能力進(jìn)行確定。
2.1.3循環(huán)次數(shù)
產(chǎn)品在經(jīng)受溫度循環(huán)時(shí)，溫度的變化使產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部存在缺陷時(shí)，這種熱應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)菀自谶@些缺陷部位集中，激發(fā)它們終誘發(fā)成故障，而溫度循環(huán)次數(shù)的增加則能累積這種激發(fā)效應(yīng)。循環(huán)次數(shù)影響篩選的有效性和持續(xù)時(shí)間，從而影響篩選費(fèi)用。循環(huán)次數(shù)越多，篩選越徹底。溫度循環(huán)次數(shù)的選取與受篩產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度.設(shè)計(jì)和工藝成熟度密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，溫度循環(huán)次數(shù)可適當(dāng)少些;產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，所需的溫度循環(huán)次數(shù)也就越多。用于篩選的產(chǎn)品，一方面希望產(chǎn)品內(nèi)部潛在缺陷盡可能析出，另一方面又不至于過(guò)分消耗產(chǎn)品的有效壽命。對(duì)印制板組件來(lái)說(shuō)，一般選擇為20~40個(gè)溫度循環(huán)，而對(duì)單元和系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，常選擇為12~20個(gè)溫度循環(huán)。
極值溫度的保持時(shí)間以及在循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)品是否加電監(jiān)測(cè)也是影響溫度循環(huán)篩選效果的重要因素。極值溫度保持時(shí)間包括以下兩段時(shí)間:第1段是受篩產(chǎn)品的組件溫度達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間;第⒉段是組件在溫度極值下浸泡所需要的時(shí)間。對(duì)于前者，通常有兩種穩(wěn)定準(zhǔn)則:一種是當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)響應(yīng)慢的元件的溫度與極值溫度之差在極值溫度的15%以?xún)?nèi)時(shí)，就認(rèn)為達(dá)到了溫度穩(wěn)定（如圖1AT所示）;另一種是在受篩產(chǎn)品的典型部位安裝溫度傳感器進(jìn)行溫度調(diào)查，當(dāng)溫度傳感器指示值在極值溫度的±2℃時(shí)，才認(rèn)為達(dá)到溫度穩(wěn)定例。為了縮短溫度穩(wěn)定時(shí)間，可采用風(fēng)速大的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)箱來(lái)篩選，在不影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和各級(jí)組件固定連接方式的情況下，盡可能去除機(jī)柜蓋子，加快產(chǎn)品部件周?chē)目諝鈱?duì)流速度。對(duì)于后者，即浸泡時(shí)間，其目的有2個(gè):保證釬料發(fā)生蠕變，這段時(shí)間一般為5
min;完成功能測(cè)試，時(shí)間常常大于5 min。因此，對(duì)于不需要監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品，浸泡時(shí)間為5 min，對(duì)于需要監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品，浸泡時(shí)間則延長(zhǎng)至完成功能測(cè)試所需要的時(shí)間（ ≥5 min）。由于保持時(shí)間是決定效費(fèi)比的主要因素，為達(dá)到一個(gè)合理的效費(fèi)比，對(duì)受篩產(chǎn)品進(jìn)行溫度調(diào)查是十分必要的。
加電監(jiān)測(cè)是尋找間歇故障的有效方法。單元或系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品在篩選過(guò)程中通常要求加電監(jiān)測(cè)，但對(duì)印刷線(xiàn)路組件（PWA），由于它們?cè)?工.作環(huán)境中不能作為獨(dú)立產(chǎn)品使用，同時(shí)通常也不具備功能檢測(cè)的條件，一般不加電監(jiān)測(cè)?？紤]到加電使產(chǎn)品產(chǎn)熱從而影響溫度變化速率，加電監(jiān)測(cè)時(shí)機(jī)宜選在兩個(gè)極值溫度保持階段和升溫階段。在溫度循環(huán)篩選過(guò)程中，增加性能測(cè)試次數(shù)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并加以修復(fù)，節(jié)省篩選時(shí)間，提高篩選效果。
2.2隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力參數(shù)的確定
隨機(jī)振動(dòng)是在寬頻率范圍上對(duì)產(chǎn)品施加振動(dòng)，產(chǎn)品上所有諧振頻率在整個(gè)振動(dòng)時(shí)間內(nèi)同時(shí)受到激勵(lì)，因而能快速析出潛在的缺陷。振動(dòng)篩選的核心是譜形和總量值。因此，確定譜形和總量值是確定振動(dòng)篩選方案的關(guān)鍵。
2.2.1振動(dòng)譜型和量值
一個(gè)充分篩選的振動(dòng)頻譜應(yīng)當(dāng)是寬帶的，頻率范圍常為20~2000 Hz，必要時(shí)可依據(jù)產(chǎn)品情況，將頻率范圍縮小到100~1000 Hz，以保證受篩產(chǎn)品所有諧振頻率在整個(gè)振動(dòng)時(shí)間內(nèi)同時(shí)受到激勵(lì)。常規(guī)篩選振動(dòng)量值一般為0.04
gHz，加速度均方根值（Grms）為6.06 g（如圖2所示）。由于產(chǎn)品中缺陷的析出取決于缺陷處的振動(dòng)響應(yīng)，而不是取決于振動(dòng)輸入，因此為了能將產(chǎn)品中的缺陷很好地析出，而又不使敏感的和關(guān)鍵的元器件以及好的元器件損壞，必須先對(duì)產(chǎn)品尤其對(duì)振動(dòng)響應(yīng)不清楚的產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)調(diào)查，摸清產(chǎn)品對(duì)振動(dòng)輸入的響應(yīng)特性，包括共振頻率、優(yōu)勢(shì)頻率和各組件對(duì)振動(dòng)輸入的響應(yīng)情況，再根據(jù)產(chǎn)品的振動(dòng)響應(yīng)特性來(lái)確定振動(dòng)量值，以保證振動(dòng)輸入的量值大小既能激發(fā)缺陷又不損壞產(chǎn)品，從而達(dá)到理想的篩選效果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，元件級(jí)、組件級(jí)篩選量值通常取0.04~0.045
gHz，而整機(jī)產(chǎn)品或含有不耐振部件的產(chǎn)品篩選量值一般低于0.04 g/Hz（通常取0.02~0.04 g/Hz），但具體量值需經(jīng)過(guò)振動(dòng)調(diào)查來(lái)確定。
2.2.2振動(dòng)軸向和振動(dòng)時(shí)間
隨機(jī)振動(dòng)原則上應(yīng)在3個(gè)軸向進(jìn)行。但由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及復(fù)雜程度.內(nèi)部部件布局以及產(chǎn)品對(duì)不同軸向振動(dòng)的響應(yīng)程度不同，振動(dòng)軸向可以是1個(gè)軸向也可以是2個(gè)或3個(gè)軸向。一般情況下只選取單一軸向振動(dòng)即可有效地完成篩選，但這一軸向應(yīng)是敏感的軸向，析出的缺陷應(yīng)遠(yuǎn)大于其它2個(gè)軸向，具體振動(dòng)軸向需要通過(guò)對(duì)3個(gè)互相垂直軸向進(jìn)行振動(dòng)調(diào)查，確定產(chǎn)品關(guān)鍵部位的響應(yīng)，找出敏感的軸向，必要時(shí)，可以增加振動(dòng)軸向以使篩選更充分。
振動(dòng)時(shí)間一般為每軸向5~10 min，累計(jì)不超過(guò)20 min8。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，只要振動(dòng)量值合適，10 min的振動(dòng)足以析出大多數(shù)缺陷3。延長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間無(wú)益于篩選，反而引起疲勞積累損傷，過(guò)多地消耗產(chǎn)品的有效壽命。
在進(jìn)行振動(dòng)調(diào)查和振動(dòng)篩選時(shí)，產(chǎn)品與振動(dòng)篩選設(shè)備間要求剛性連接，以保證振動(dòng)輸入盡可能不失真地傳遞給產(chǎn)品。
3、結(jié)語(yǔ)
環(huán)境應(yīng)力篩選是提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的有手段。—個(gè)有效的篩選通常要求溫度變化范圍大.溫度變化速率快以及寬帶的隨機(jī)振動(dòng)。對(duì)產(chǎn)品確定合適的篩選應(yīng)力參數(shù)既可將其內(nèi)部潛在缺陷充分析出，又不過(guò)分消耗產(chǎn)品的有效壽命或破壞產(chǎn)品，使效費(fèi)比合理。由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，復(fù)雜程度.功能及使用要求千差萬(wàn)別.產(chǎn)生在產(chǎn)品上的應(yīng)力（振動(dòng).溫度）響應(yīng)大小不一，因此，不可能存在一個(gè)通用的、對(duì)所有產(chǎn)品都具在佳效果的篩選方法。為達(dá)到佳篩選效果，在確定溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)篩選應(yīng)力參數(shù)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)對(duì)受篩產(chǎn)品進(jìn)行溫度調(diào)查及振動(dòng)響應(yīng)調(diào)查，進(jìn)一步優(yōu)化篩選應(yīng)力參數(shù)。
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