航天电子产品环境应力筛选试验

广电计量 环境可靠性与电磁兼容试验中心 http www kkxtest org 摘要 摘要 环境应力筛选已经广泛地应用于航天电子产品的研制 生产和使用阶段 对提 高航天电子产品的可靠性有重要的作用 本文探讨了环境应力筛选的典型应力和注意的一 些问题 论述了筛选中暴露的典型缺陷 关键词 关键词 航天电子产品 环境应力筛选 可靠性 温度循环 随机振动 Abstract Environmental stress screen has been widely used in the development manufacture and usage of aerospace electronic product and it plays important role in the improvement of reliability of aerospace electronic product The typical stress and some precautions in ESS are discussed in this paper The typical defects found in screening test are expounded Keywords aerospace electronic product Environmental stress screen reliability temperature circulation random vibration 1 概述概述 环境应力筛选 Environment stress screening 是一个使用于研制和生产各个阶段 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 在环境应力下所做的一 系列试验 其目的是在产品出产前 有意把环境应力施加到产品上 使产品的潜在缺陷加 速发展成为早期故障 并加以排除 是剔除产品缺陷和提高产品使用可靠性的一种有效工 艺手段 2 环境应力筛选环境应力筛选 环境应力筛选可以使用各种环境应力 但应力的选择原则是能激发故障 而不是模拟 使用环境 由于各种应力的筛选效果差异很大 一般情况下 若使用方没有特殊的要求 环境应力筛选主要使用温度循环和随机振动 2 种应力 2 1 温度循环温度循环 温度循环是环境应力筛选中最有的筛选应力之一 其试验主要选择的参数是试验温度 范围 温度变化速率 高低温保持时间和循环次数 这几个参数的组合是否适当 直接影 响到筛选效果 因此针对不同产品的具体情况 如何选择每种参数 再进行组合是一项十 分关键的工作 温度范围温度范围 温度范围表明了产品在每一个循环中经受的热应力 应变 它由高 低温极值决定 选择温 度极值的关键是给产品施加适当应力以析出缺陷而不损坏好的产品 不同的电子产品根据 不同使用要求和环境要求 其所用的元器件类型和等级不同 采用的安装工艺也不同 所 以要暴露其潜在缺陷所需的极值温度也不同 应针对产品的特点选择合理的高低温试验范 围 通常情况下 根据电子产品中各元器件的工作温度来确定筛选所用的温度范围的 选 取所有元器件高温工作极限中的最低温度作为温度筛选的上限温度 所有元器件低温工作 极限中的最高温度作为温度筛选的下限温度 只有这样才不至于因温度范围选择不当而造 成不必要的器件或部件的损伤 在实践中 使用的温度范围基本上在 90 180 之间 选 取的最小温度变化范围是 组件 125 通常低温 55 高温 75 单元 110 通常低 温 40 高温 70 系统 100 通常低温 40 高温 60 在上述确定方法的基础 上 根据产品的设计能力 选取的温度变化范围尽可能大 以提高筛选效率 温度变化速率温度变化速率 广电计量 环境可靠性与电磁兼容试验中心 http www kkxtest org 温度变化速率通常指的是筛选箱内空气温度变化的平均速率 升 降温速率的快慢直 接影响到热应力的强度 如果升 降温速率变化过慢 热应力作用得慢 对一些潜在缺陷 不足以发展成故障 所以达不到剔除潜在缺陷之目的 但是升 降温速率过快 如以 15 min 或 20 min 的速率变化 那么热应力强度是增大了 但这势必会由于热力学应力 作用过大而损伤质量好的器件 提高温度变化速率可加强产品的热胀冷缩程度并缩短这一过程的时间 加剧热应力和 应变 因此较高的温度变化速率可以提供更有效的筛选 由于受产品本身的热容量和热惯 性的影响 产生在产品上的温度响应并不都与筛选箱内的温度变化速率同步 热容量大的 产品往往出现明显的温度变化滞后 尤其是受筛产品质量大 温度变化速率太高 筛选箱 风速慢的条件下 这种温度变化滞后更明显 从而达不到预期的筛选效果 对只有少量器件且内部不灌注介质 外部又敞开的产品来说 升 降温速率对受试产 品基本一致 不存在缓冲的问题 有些产品结构并不复杂 但组成产品的组件状态较复杂 如产品外部密封较好 产品内部又采取各种灌注材料 形成一个复杂的实体 这样的产 品升 降温速率的变化对其产品内部的受试器件影响减小 很可能产品外部温度变化很快 但传递到产品内部就没有那么快 所以说 不同的产品之间存在一定的差别 这种差别与 壳体的厚度 密封性及内部器件的密集程度 灌注材料有关 温度变化速率的选择取决于受筛产品的特性 同时还应考虑筛选设备能力 根据美国 多年的筛选经验 印制板组件组装级的筛选温度变化速率常采用 15 20 min 单元级的 常采用 10 20 min 设备和系统级的常采用 10 15 min 目前国外的高加速应力筛 选采用的温变率已达到了 60 min 但国内现有的试验设备能力几乎都达不到 研究表明 当风速小于 4m s 时 温变率大于 15 min 受试样品内部的温度变化就很难跟得上箱温 的变化了 国内现有的温度试验箱的风速一般在 1 5 m s 温变率最大为 10 min 根据 产品的实际情况和现有的试验设备的能力 选取尽可能大的温变率 以增大筛选强度 筛选箱的风速是影响受筛产品温度响应的重要因素 大的风速加快了筛选箱内空气温 度的对流速度 保证了受筛产品各组件与筛选箱内空气温度有良好的热变换 提高了筛选 效率 为改善受筛产品的温度响应 可以在组件密度高或热容量大的部位安装风扇之类的 空气循环系统 提高这些部位的温度变化速率 美国休斯飞机公司最近的经验表明 对印 制板组件组装级筛选时 为使硬件温度紧跟筛选箱中空气温度变化 组件处的空气速度必 须至少为 4 75 m s 对于风速小于 5 m s 的筛选箱 由于受筛产品各组件与筛选箱内空气 的热交换较缓慢 筛选时不宜采用超过 15 min 的温度变化速率 过高的温度变化速率反 而会使产品的温度响应变差 降低了筛选效果 为寻找最佳的温度变化速率 要求对受筛产品进行温度调查 尤其对产品的关键部位 依据产生在产品上的温度响应结果并结合筛选设备能力进行确定 循环次数循环次数 产品在经受温度循环时 温度的变化使产品内部产生热应力和应变 当产品内部存在 缺陷时 这种热应力和应变容易在这些缺陷部位集中 激发它们最终诱发成故障 而温度循 环次数的增加则能累积这种激发效应 循环次数影响筛选的有效性和持续时间 从而影响 筛选费用 循环次数越多 筛选越彻底 温度循环次数的选取与受筛产品的结构复杂程度 设计和工艺成熟度密切相关 结构简单的产品 温度循环次数可适当少些 产品结构越复 杂 所需的温度循环次数也就越多 用于筛选的产品 一方面希望产品内部潜在缺陷尽可 能析出 另一方面又不至于过分消耗产品的有效寿命 对印制板组件来说 一般选择为 20 40 个温度循环 而对单元和系统来说 常选择为 12 20 个温度循环 广电计量 环境可靠性与电磁兼容试验中心 http www kkxtest org 高 低温保持时间高 低温保持时间 高 低温保持时间由两部分组成 元器件温度达到稳定所需的时间和在温度极值下硬 件浸泡的时间 对于前者 通常有两种稳定准则 一种是当产品内响应最慢的元件的温度 与极值温度之差在极值温度的 15 以内时 就认为达到了温度稳定 另一种是在受筛产品 的典型部位安装温度传感器进行温度调查 当温度传感器指示值在极值温度的土 2 时 才认为达到温度稳定 为了缩短温度稳定时间 可采用风速大的筛选箱来筛选 在不影响 产品结构强度和各级组件固定连接方式的情况下 尽可能去除机柜盖子 加快产品部件周 围的空气对流速度 对于后者 即浸泡时间 其目的有 2 个 保证钎料发生蠕变 这段时 间一般为 5 min 完成功能测试 时间常常大于 5 min 因此 对于不需要监测的产品 浸 泡时间为 5 min 对于需要监测的产品 浸泡时间则延长至完成功能测试所需要的时间 5 min 由于保持时间是决定效费比的主要因素 为达到一个合理的效费比 对受筛产 品进行温度调查是十分必要的 加电监测是寻找间歇故障的有效方法 单元或系统级产品在筛选过程中通常要求加电 监测 但对印刷线路组件 PWA 由于它们在工作环境中不能作为独立产品使用 同时通 常也不具备功能检测的条件 一般不加电监测 考虑到加电使产品产热从而影响温度变化 速率 加电监测时机宜选在两个极值温度保持阶段和升温阶段 在温度循环筛选过程中 增加性能侧试次数可及时发现故障并加以修复 节省筛选时间 提高筛选效果 2 2 随机振动随机振动 随机振动是在宽频率范围上对产品施加振动 产品上所有谐振频率在整个振动时间内 同时受到激励 因而能快速析出潜在的缺陷 振动筛选的核心是谱形和总量值 因此 确 定谱形和总量值是确定振动筛选方案的关键 振动谱型和量值振动谱型和量值 一个充分筛选的振动频谱应当是宽带的 频率范围常为 20 2000 Hz 必要时可依据产品 情况 将频率范围缩小到 100 1000 Hz 以保证受筛产品所有谐振频率在整个振动时间 内同时受到激励 常规筛选振动量值一般为 0 04g2 Hz 加速度均方根值 Grms 为 6 06g 由于产品中缺陷的析出取决于缺陷处的振动响应 而不是取决于振动输人 因此为 了能将产品中的缺陷很好地析出 而又不使敏感的和关键的元器件以及好的元器件损坏 必须先对产品尤其对振动响应不清楚的产品进行振动调查 摸清产品对振动输人的响应特 性 包括共振频率 优势频率和各组件对振动输人的响应情况 再根据产品的振动响应特 性来确定振动量值 以保证振动输人的量值大小既能激发缺陷又不损坏产品 从而达到理 想的筛选效果 根据经验 元件级 组件级筛选量值通常取 0 04 0 045g2 Hz 而整机产 品或含有不耐振部件的产品筛选量值一般低于 0 04g2 Hz 通常取 0 02 0 04g2 Hz 但 具位量值需经过振动调查来确定 振动轴向和振动时间振动轴向和振动时间 随机振动原则上应在 3 个轴向进行 但由于产品的结构特点及复杂程度 内部部件布 局以及产品对不同轴向振动的响应程度不同 振动轴向可以是 1 个轴向也可以是 2 个或 3 个轴向 一般情况下只选取单一轴向振动即可有效地完成筛选 但这一轴向应是最敏感的 轴向 析出的缺陷应远大于其它 2 个轴向 具体振动轴向需要通过对 3 个互相垂直轴向进 行振动调查 确定产品关键部位的响应 找出最敏感的轴向 必要时 可以增加振动轴向 以使筛选更充分 振动时间一般为每轴向 5 10 min 累计不超过 20 min 实践经验表明 只要振动量 广电计量 环境可靠性与电磁兼容试验中心 http www kkxtest org 值合适 10 min 的振动足以析出大多数缺陷 延长振动时间无益于筛选 反而引起疲劳积 累损伤 过多地消耗产品的有效寿命 3 环境应力筛选激发的故障模式环境应力筛选激发的故障模式 ESS 作为一种重要的工艺过程试验 所暴露的缺陷具有明显的工艺特性 ESS 发现的 缺陷大致可以分为工艺缺陷 元器件缺陷和设计缺陷 3 类 工艺缺陷主要是工艺不当造成的 常见的如虚焊 松脱 断裂 开路 短路等 元器件缺 陷主要是元器件本身质量低劣或元器件老练筛选不彻底造成的 设计缺陷主要是设计不合 理造成的 表 1 列出了常见的一些典型缺陷及这些缺陷的激活应力 表 1 ESS 发现的典型缺陷 ESS 作为一种重要的工艺过程试验 所暴露的缺陷具有明显的工艺特性 ESS 发现的 缺陷大致可以分为工艺缺陷 元器件缺陷和设计缺陷 3 类 工艺缺陷主要是工艺不当造成 的 常见的如虚焊 松脱 断裂 开路 短路等 元器件缺陷主要是元器件本身质量低劣 或元器件老练筛选不彻底造成的 设计缺陷主要是设计不合理造成的 表 1 列出了常见的 一些典型缺陷及这些缺陷的激活应力 表 1 ESS 发现的典型缺陷 环境应力环境应力 缺陷 温度循环随机振动 缺陷 温度循环随机振动 参数漂移 相邻元件短路 印制板电路短路 开路 相邻电路板接触 布线连接不当 虚焊或焊接不良 元件装配不当 元件松脱 错装元件 冷焊接点缺陷 密封失效 硬件松脱 元件污染 有缺陷低劣元件 多余物 紧固件松脱 导线擦破 连接器不配合 导线夹断 设计问题 导线松脱 PCB 蚀刻 4 EES 的认识误区的认识误区 在 GJB 1032 中将环境应力筛选称为环境应力筛选试验 给人一种错觉就是应力筛选 与其他环境试验一样 是一种以产品通过为目的的试验 事实上 ESS 是一种应用于工 程研制和制造过程中的质量检验工艺 其在试验过程中希望多出故障并加以排除 所以应 力筛选不同于试验 因此有必要明确 ESS 是为提高产品的可靠性而做的环境应力激发试验 工序 而不是环境模拟试验 环境应力筛选激发试验 ESS 与环境适应性鉴定试验 EQT 的比较见表 2 表 2 ESS 与 EQT 比较 项目ESSEQT 目的 剔除早期故障及元器件 零件 工艺缺陷 验证产品在规定的环境下正 常工作能力 适用阶段 主要用于批生产阶段 是一种工 艺手段 研制阶段用于可靠性试 验前的预处理 主要用于研制阶段 广电计量 环境可靠性与电磁兼容试验中心 http www kkxtest org 适用的产品 以电子产品为主 已扩展到机电 光电 电化学等产品 各类产品 环境应力量值 加速应力 不模拟使用环境 但 不应超出产品工作极限 模拟使用环境的合理极限 环境应力种类 以温度循环 随机振动为主 也 可加湿度 声振 冲击等 气候 力学 生物全部环境 应力近 20 种 常用的约 10 种 对故障数要求希望发现故障不允许出故障 样本量100 抽样 5 EES 注意问题注意问题 尽管 ESS 已广泛地应用在电子产品的研制 生产和使用的各个阶段 但在实际应用时 必须注意以下几个问题 ESS 一般只用于揭示并排除早期故障 使产品的可靠性接近设计的固有可靠性水 平 它只是可靠性增长 可靠性鉴定和可靠性验收试验的预处理 而不能替代可靠性鉴定 试验和可靠性验收试验 对电子产品而言 半导体元器件的失效规律与浴盆曲线有所不同 半导体元件的 失效率在偶然失效期是随时间缓慢下降的 可近似为常数 并且在相当长的试验过程中没 有明显的耗损失效期 因此 不必担心筛选试验会将半导体元件推向耗损期而降低其使 用寿命 所以采用强应力筛选不仅节省筛选时间 同时还能提高产品的可靠