可靠性筛选及环境试验技术

1,可靠性筛选及环境试验技术,DQA-QTRJacckyZang2008-12-10,2,一、概述,国外：40年代重视可靠性50年代调查分析，统计试验60年代失效分析，强调环境试验的重要性70年代可靠性工程国内：50年代建立环境适应性实验基地60年代提出可靠性问题70年代开展可靠性研究80年代以后可靠性保证、管理、系统工程78年电视机的MTBF300500小时，年返修率95%从可靠性的发展历史看可靠性是战争的产物；是产品的重要指标；是企业的命脉。,可靠性工作的发展,3,一、概述,可靠性的两种思路及产生的原因1.通过强化试验保证产品的可靠性2.从失效机理控制入手保证产品的可靠性不要割裂的看这两种思路,可靠性发展的历史,4,一、概述,环境试验目的考核产品在各种环境条件下的适应性和耐受性排除早期失效提高产品的质量为失效分析提供验证数据和有效的信息为寿命试验和加速寿命试验提供试验手段,环境试验的目的和意义,5,一、概述,环境试验意义确定产品在各种环境条件下工作或贮存时的可靠性，为设计、生产、使用提供有用的信息。充分暴露产品的潜在缺陷，为产品的改进、减少维修费用及保障费用提供信息。确认是否符合产品交收的可靠性定量要求。发现分析纠正的循环过程，不断提高产品质量。,环境试验的目的和意义,6,一、概述,应用范围（1）产品的设计定型（型式）验证试验（2）可靠性增长试验（3）用于生产检查的试验（例行试验）（4）用于产品的验收试验（5）可靠性寿命试验（6）研究性试验和失效分析验证（7）环境应力筛选试验（ESS和HASS）（8）产品的极限应力试验（RET和HALT）,环境试验的应用,7,一、概述,环境试验类型环境试验共有约2530种试验类型,环境试验和可靠性试验,8,一、概述,环境试验环境试验是检验产品对各种环境应力的适应性，常用于快速暴露产品缺陷的试验，是可靠性试验的主要技术手段。可靠性试验可靠性试验是对产品进行评价、验证的各种试验如增长、筛选、验收、鉴定、统计等。,环境试验和可靠性试验,9,一、概述,功能适应性试验当产品在使用环境条件下极限应力水平已知时，给试样施加在使用中的一个或几个环境因素的极限应力，检验产品的机械、电气特性。要求产品的工作状态不变，性能参数不超差。,环境试验和可靠性试验,返回,10,一、概述,极限试验不断增加某一个或某几个环境应力的水平，直至试样失效为止，但失效模式不变。比较在正常使用时相应的环境因素的应力水平，用于确定产品正常使用的安全余度和允许使用最大环境应力范围。,环境试验和可靠性试验,返回,11,一、概述,结构完好性试验在产品使用环境条件下极限应力水平已知时，给试验样品施加该应力，考核产品能否承受这样大的应力水平，而结构不发生损坏；或者考核产品在低于正常使用极限应力的应力水平下使用的潜在能力，验证产品结构是否已经达到最低的安全余度要求。这种试验要求试样在试验中或应力去掉后结构完好，电气、机械性能正常，不允许有结构失效或潜在的结构失效现象。,环境试验和可靠性试验,返回,12,一、概述,筛选试验的目的通过检验剔除不合格的或有可能早期失效的产品，消除在早期失效期发生的产品缺陷及不良问题，提高产品的使用可靠性。筛选试验的内容常规条件筛选试验、老化筛选试验或环境应力筛选试验（包括机械应力、电应力、热应力、严寒等）。筛选试验的方法规定条件下的目视检查、功能测量、参数检测、密封性检查等。,筛选试验,返回,13,一、概述,可靠性增长试验的定义通过试验逐步改正产品设计和制造中的缺陷，不断提高产品可靠性的过程。可靠性增长试验的特点a.针对产品的薄弱环节进行b.改进后产品原来的薄弱环节不重现或出现率低于允许的水平c.验证条件与原故障发生的条件一致或更严酷可靠性增长试验的过程,可靠性增长试验,返回,14,一、概述,鉴定试验的目的是为了验证产品的可靠性，确定产品可靠性与设计要求可靠性的一致性，而不是在于暴露产品的可靠性缺陷，同时鉴定试验在很大程度上可作为产品定型试验。可靠性鉴定试验方案和试验内容主要是由承制方制定。,鉴定试验,返回,15,一、概述,验收试验的目的确定产品是否符合规定的可靠性要求。验收试验对产品的要求用已交付产品或可交付的产品。验收试验的前期工作在系统或设备的可靠性验收试验开始以前，必须对元器件、零部件及设备完成环境试验。,验收试验,返回,16,一、概述,环境试验和可靠性试验目的不同可靠性试验过程可以不加任何环境应力环境试验可以不考虑试验的样本量和抽样数量环境试验可以确定产品的极限应力通过提高环境应力对产品进行加速试验可靠性试验主要通过统计计算评价产品的可靠度。环境试验主要用于快速暴露各种环境条件下产品的缺陷。,环境试验和可靠性试验,17,一、概述,环境试验的发展历程从模拟自然环境到创造环境条件通过试验发现问题到通过试验确定问题和不出问题单项试验向组合试验和综合试验发展试验监测技术的运用和评价方法的改变模拟试验方法（虚拟试验）提高试验的再现性，摸清试验与使用之间的关系,环境试验的发展,18,一、概述,环境试验方法的变化模拟自然环境的变化加强的环境适应性试验针对失效机理进行的环境试验由单项试验向组合试验、综合试验发展环境试验与试验监测技术运用,环境试验的发展,19,一、概述,环境试验时间的变化加大试验的环境应力，缩短试验时间减少测量和试验作业工序所需的时间高精度测试与时间的关系,环境试验的发展,20,一、概述,高精度的实时监测技术加大试验应力，缩短试验时间实时监测试验变化改变以往的失效判定方法,环境试验的发展,21,一、概述,环境应力就是指外界各种环境对产品的破坏力，如产品在85下工作受到的应力，比在25下工作受到的应力大；在高应力下工作，产品失效的可能性就大大增加了。快速的温差变化，宽范围的温差、强烈的振动、冲击都是环境应力的表现形式。,基本知识和术语,22,一、概述,10规则当讨论产品在不同环境下的使用寿命时，一般采用“10规则”的表达方式。即当周围环境温度上升10时，产品寿命就会减少一半；当周围环境温度上升20时，产品寿命就会减少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响产品寿命（失效）的。电容器的估计寿命用下述公式表示：其中，L0表示最高工作温度下的寿命，Tmax表示最高工作温度，Ta表示实际环境温度。由此可见，如果环境温度每升高10，电容器寿命将下降一倍。,基本知识和术语,23,一、概述,环境试验的发展历程环境试验目的、意义应用范围环境试验和可靠性试验的不同环境试验的基本概念,本章小结,24,二、环境试验标准,国标GB2421-99“电工电子产品基本环境试验规程总则”国标GB2422-95“电工电子产品环境试验术语”国标GB2423.1.55为试验方法国标GB2424.1.25为试验导则国标GB/T4796“环境参数分类及其严酷程度分级”国军标GJB-150.125“军用设备环境试验方法”国军标GJB367.287“军用通信设备通用技术条件环境试验方法”国际电工委员会标准IEC-68美国军用标准MIL-STD-810,电子类环境试验标准,25,二、环境试验标准,国标提供的55种环境试验方法的其中4种GB2423.189试验A：低温试验方法GB2423.289试验B：高温试验方法GB2423.393试验Ca：恒定湿热试验方法GB2423.493试验Db：交变湿热试验方法国军标的部分环境试验标准GJB150.186军用设备环境试验方法总则GJB150.386军用设备环境试验方法高温试验GJB150.486军用设备环境试验方法低温试验GJB150.586军用设备环境试验方法温度冲击试验GJB150.686军用设备环境试验方法温度-高度试验GJB367.287军用通信设备通用技术条件环境试验方法,电子类环境试验标准,26,二、环境试验标准,了解标准国标（GB24214、GJB360）与IEC是设备和元器件的通用标准；军标（GJB150、MIL810）是设备环境试验标准；国家标准（GB、JIS、BS）协会标准（IPC）；企业标准是已经过裁剪的，针对企业产品的标准；标准中不能说哪个更好、更有效的保证可靠性；一般来说最严酷的环境试验标准是汽车工业和宇航企业的标准,电子类环境试验标准,27,二、环境试验标准,国标总则确定的字母意义组成本系列标准的试验方法用大写字母命名（部分）A：低温B：高温C：恒定湿热D：交变湿热E：冲撞（例如冲击和碰撞）2.系列标准试验中的扩充用小写字母细分试验Ea：冲击Ec：倾跌Eb：碰撞Ed：自由跌落国标中试验方法和导则的意义导则可以看成某类试验的教科书，含有“是什么，为什么”试验方法可以看作“如何做、怎样做”的意思,电子类环境试验总则,28,二、环境试验标准,实验步骤（1）预处理为消除或部分消除试验样品以前经历的各种效应，在条件试验前对试验样品所做的处理。（2）初始检测目的是保留试验前的技术参数，用于试验后的比较。（2a）试验样品在试验设备中的安装（GJB）要考虑安装和连接问题（3）试验把试验样品暴露在试验环境中，以确定这些条件对试验样品的影响。（4）恢复在条件试验之后，最后检测之前，为使试验样品的性能稳定所做的处理。（5）中间检测中间过程的参数测试。（6）重复（3）（5）（7）最终检测试验结束的参数测试,电子类环境试验总则,29,二、环境试验标准,试验的中断处理（GJB150.13.6）容差范围内的中断欠试验条件中断过试验条件中断,电子类环境试验总则,30,二、环境试验标准,环境试验的顺序所谓试验顺序，是指对同一产品进行二种或二种以上的单因素人工模拟试验时，应先进行什么试验，后进行什么试验。试验顺序通常对试验结果是有影响的，如果选择不当会造成试验结果不真实，甚至造成试验中断，所以必须合理的确定试验顺序。,环境试验的顺序安排,31,二、环境试验标准,GB对进行这些试验的顺序安排GB2421的第七条规定了气候试验顺序气候试验的顺序主要适用于各类元件，为了在有要求时加以使用，一般认为低温、高温、低气压和交变湿热试验之间有一定的联系，并称之为气候顺序。高温；交变湿热（上限温度55的试验Db的第1个循环）；低温；低气压（有要求时）；交变湿热（上限温度55的试验Db的其余循环）；这些试验之间的时间间隔应不大于3h，但交变湿热试验第一循环与低温试验之间的时间间隔除外，这一时间间隔包括恢复时间在内应不大于2h。测量通常只在气候顺序的开始和结束时进行，另有规定者除外。,环境试验的顺序安排,32,二、环境试验标准,GJB150.1的附录A“环境试验顺序表”A组地面设备（包括海军海岸用设备）；A1一般基地（隐蔽的）全部地面设备，但不包括电子与通讯设备，或飞机和导弹的地面支援设备；A2一般基地（不隐蔽的）全部地面设备，但不包括电子与通讯设备，或飞机和导弹的地面支援设备；A3飞机和导弹的地面支援设备，包括飞机场室外设备，导弹发射架，维修用地面设备和检查设备等，但不包括电子设备；A4全部类型的通讯和电子设备及有电路的设备（隐蔽的）；A5全部类型的通讯和电子设备及有电路的设备（不隐蔽的）；B组空用设备（系指安装在飞机和直升飞机上的设备及空中发射和地面发射导弹上的设备）C组海用设备,环境试验的顺序安排,33,二、环境试验标准,GJB150.1的附录A“环境试验顺序表”,环境试验的顺序安排,【1】有限用途试验,34,二、环境试验标准,确定试验顺序的几种方法从最严酷的试验项目开始安排试验顺序；从最不严酷的试验项目开始安排试验顺序；从前一个试验所产生的结果由后一个试验来暴露或加强；从产品实际可能遇到的起主要影响的环境因素出现的次序考虑，安排试验顺序；只要有可能，试验顺序的确定应以设备使用时工作条件资料为基础，当这种资料不能得到时，建议采用能给出最显著影响的试验顺序；考虑试验经费和试验时间来安排试验顺序,环境试验的顺序安排,35,二、环境试验标准,试验顺序对产品的影响湿热试验后低温试验湿度试验会让产品的缝隙存有水，低温结冰时会扩大缝隙。振动与湿度的关系振动导致两种材料的结合缝隙扩大，湿热试验水汽更容易进入。湿热试验后温度循环的影响湿热后残存的水汽在温度循环加电工作时，容易形成电解，导致离子迁移。,环境试验顺序的影响,36,二、环境试验标准,元器件试验顺序参照元器件的规范书进行原则上采用分组试验方法A、B、C各组的试验顺序类似，仅试验项目有增减,环境试验顺序的影响,37,二、环境试验标准,需要注意的细节从一个试验转换到下一个试验必须测试参数超应力试验后的样品一般不要再继续试验试验样品根据试验情况需要有恢复时间通电试验要保证冷凝不会影响工作、低温不要使电容器不能工作，高温要在技术规范允许的条件下元器件和整机的试验存在差异，不要盲目套用。,环境试验顺序的影响,38,二、环境试验标准,环境试验的阶段应力,39,二、环境试验标准,应力水平应力条件是以产品的技术规范为参照低应力技术指标规定以下的应力中应力技术指标规定的应力或略高高应力极限应力或略低于极限应力加速应力水平原则上不要超出产品技术规范规定的极限应力,环境试验的阶段应力,40,二、环境试验标准,环境试验的阶段内容,41,二、环境试验标准,比对试验的目的选择市场上最好的产品选择单项应力，单项指标满足设计的产品选择最适合本单位有利于生产控制的产品,生产中常用的试验,42,二、环境试验标准,例：1000uF/25V；105的电解电容器的比对试验试验条件：温度：100；步进温度：5；最高温度：115；时间：每点温度200小时；应力：直流电压18V；纹波电压5V。测试要求：测试时间：200小时；测试内容：容量、漏电流、损耗外观检查：密封性、外壳损伤、标记、漏液、外壳鼓起开封检查：材料、膜厚、引线、工艺,生产中常用的试验,43,二、环境试验标准,在合理应用时，环境试验可以帮助使用者对环境价值和系统设计的总耐久性树立信心，帮助建立使用寿命延长项目的基准。对环境试验得出的结果而言，重要的是要认识到，实验室试验固有的局限性，使其在将实验室结果外推到实际使用条件式，需要很谨慎并进行工程判断。在大多数情况下，实际的环境应力（单个的或组合的）不能在实验室试验中得到实用和可靠的复制。实验室试验更多的是把重点放在产生环境效应上而不是环境本身。因此，使用者不应假设系统或元器件通过了这一标准的实验室试验，就可以通过现场的验证试验，反之亦然。,环境试验的局限性,44,二、环境试验标准,主要的环境试验标准环境试验总则和导则的意义试验顺序和试验步骤对产品的影响环境试验的阶段应力和常用的试验,本章小结,45,三、环境应力对产品的影响,温度应力对产品的影响,46,三、环境应力对产品的影响,温度应力对产品的影响,47,三、环境应力对产品的影响,高温导致的横向剪切力原因：塑料和硅芯片的热膨胀系数相差太大，约1个数量级。塑料：25ppm/（ppm=10-6），硅2.3ppm/但不同的塑料和不同的温度其值不同。树脂环氧大约为2168ppm/；硅酮2125ppm/。条件：温度变化环境，如：温循、温冲、焊接工艺的波峰焊、再流焊、气流焊。例如：以芯片面积为5X5（mm2）为例，对角线长度最长，所受的应力最大，中心到角的长为3.58mm，在-65150的温度循环中，塑料要移动19m，而芯片的顶角只移动1.9m。,温度应力对产品的影响,危害：这种应力对芯片表面产生剪切力，造成对芯片表面粘附力弱的金属化向芯片中心滑移，其结果是：1）金属化铝条滑移引起短路（上下层或相邻的铝条）或铝条断折开路2）在各角的钝化层或多晶硅层甚至硅芯片或介质破裂,48,三、环境应力对产品的影响,低温纵向压力塑料填料石英砂颗粒对芯片表面的局部损伤原因：塑料树脂的固化温度150，在070的正常工作情况下，塑料会对芯片有一个压应力，工作温度越低压应力越大。在塑料封装树脂中一般都加入了石英填料，状如金字形颗粒，其锋利的角尖接触到芯片表面，塑料的压应力传递到石英砂角尖压在芯片上造成了芯片上的局部应力损伤。条件：石英填料颗粒直径大于2m，在低温非工作条件下这种压应力更为显著。危害：1）造成金属化条局部破裂甚至开路或烧断2）刺破纯化层或介质造成层间金属化短路3）造成三极管参数变化，特别是使差分对管失去平衡（如RAM中单列线的临介失效）,温度应力对产品的影响,49,三、环境应力对产品的影响,塑料封装高温离层（爆米花）现象表贴器件（SMD）在经过再流焊后容易发生失效，失效现象常表现为开路、半开路或时好时坏，失效原因是封装塑料发生热开裂（这种裂缝发生在内部，用显微镜进行外观检查时也不可能发现）。其失效机理是：因表贴器件芯片外面包封的塑料很薄，很少，外部的潮气容易浸入内部。表贴工艺（SMT）是将器件整体加热而不是只对管腿加热（例如：波峰焊、烙铁焊），并且加热时间长（一般215240，时间12分钟）。当封装体内有潮气，表贴再流焊时，潮气受热膨胀（水分子体积可扩大40倍），造成封装塑料开裂。开裂的发生与塑料体内含湿量、芯片尺寸、塑料包封的厚度，管脚引线与塑料的粘合状况以及再流焊时受到的温度冲击等因素有关。,温度应力对产品的影响,50,三、环境应力对产品的影响,危害：由于剥离或爆裂而拉断引线和芯片破裂。芯片尺寸越大，塑料包封层越薄的SMD，机械应力问题更为突出，因此，越容易发生热开裂现象。根据SMD器件对潮湿的敏感性，可分为16级，其中6级是最敏感的。潮湿敏感器件要采用真空包装，如果包装受到破坏，允许放置的时间如下表所示，如果超出了规定的时间，表贴前必须先进行烘烤。潮敏级别122a3455a6级别时间条件（30）1无限制85%RH21年60%RH2a4周60%RH3168h60%RH472h60%RH548h60%RH5a24h60%RH6使用前必须烘烤，并在规定时间内回流,温度应力对产品的影响,51,三、环境应力对产品的影响,高温大电流造成的电迁移互连引线中通过大电流密度时，静电场力驱动电子由阴极向阳极运动。高速运动的电子与金属原子发生冲量交换，原子受到强烈的电子冲击力，这就是电迁移理论中的电子风力Fwd。实际上，金属原子还受静电场力Fei的作用，如图一所示。当互连引线中的电流密度较高时，向阳极运动的大量电子碰撞原子，使得所产生的电子风力Fwd大于静电场力Fei（图1）。因此，金属原子受到电子风力的驱动，产生了从阴极向阳极的受迫的定向扩散，即发生了金属原子的电迁移（图2）,高温对产品的影响,图2金属原子电迁移示意图,52,三、环境应力对产品的影响,热加速特性电迁移产生的局部缺陷使得引线的导电面积减小，电流密度增加，形成电流聚集。电流聚集引起了焦耳热效应，使引线局部温度升高，并产生温度梯度。由于原子的扩散与温度相关，因此，产生了热应力。热应力梯度与电迁移方向相同，加大电迁移驱动力，加速电迁移现象。,高温对产品的影响,高温大电流造成的电迁移,53,三、环境应力对产品的影响,湿度对产品的影响,54,三、环境应力对产品的影响,湿度对产品的影响,55,三、环境应力对产品的影响,用水滴法进行试验产生离子迁移的照片,湿度对产品的影响,56,三、环境应力对产品的影响,（1）物理性能的变化潮湿环境可以引起材料的机械性能和化学性能的变化，如体积膨胀、机械强度降低等。由于吸潮，使密封产品的密封性降低或遭破坏、产品表面涂敷层剥落、产品标记模糊不清等。,湿度对产品的影响,57,三、环境应力对产品的影响,（2）电性能变化由于凝露和吸附作用，使绝缘材料的表面绝缘电阻下降。另外，由于水分的吸收和扩散（渗透）作用，使绝缘材料的体积电阻下降，损耗角增大，从而产生漏电流。对于整机设备，将会导致灵敏度降低、频率漂移等。,湿度对产品的影响,58,三、环境应力对产品的影响,（3）腐蚀作用湿热试验一般不能作为腐蚀试验。湿热的腐蚀作用是由于空气中含有少量的酸、碱性杂质，或由于产品表面附着着如焊渣、汗渍等污染物质而引起间接的化学和电化学腐蚀作用。,湿度对产品的影响,59,三、环境应力对产品的影响,材料间热应力不同造成焊接部位开裂膨胀、收缩、变型是主要应力,温度冲击对产品的影响,在冷热冲击条件下印刷电路板焊接接脚错位,60,三、环境应力对产品的影响,机械冲击和振动对产品的影响,61,三、环境应力对产品的影响,（1）对结构的影响主要是指变形、弯曲、产生裂纹、断裂和造成部件之间的相互撞击等。这种破坏又可分为由于振动所引起的应力超过产品结构强度所能承受的极限而造成的破坏，以及长时间的振动（例如107次以上应力循环的振动）使产品发生疲劳而造成的破坏。这种破坏通常是不可逆的。（2）对工作性能的影响主要是指振动使运动部件动作不正常、接触部件接触不良、继电器产生误动作、电子管噪声增大、指示灯闪烁，从而导致工作不正常、不稳定，甚至失灵不能工作，这种影响的严重程度，往往取决于振动量值的大小，而且这种破坏通常不属于永久性的破坏。因为在许多情况下，一旦振动停止，工作就能恢复正常。这种破坏往往是可逆的。（3）对工艺性能的影响这种影响主要是指螺钉松动，连接件或焊点脱开等。这种破坏通常在一个不太长的振动时间内（例如半小时）内就会出现。,机械冲击和振动对产品的影响,62,三、环境应力对产品的影响,温度应力对产品的影响湿度应力对产品的影响机械应力对产品的影响,本章小结,63,四、环境试验内容,军用标准GJB150.3-86军用设备环境试验方法高温试验GJB150.4-86军用设备环境试验方法低温试验试验条件（贮存）高温70；时间48小时（高温工作时间灵活掌握）低温-55；时间24小时（低温工作时间灵活掌握）特点1.军用设备标准简单明了，容易掌握2.约束条件少，一般应用于产品的极限应力的适应性3.采用军标对产品进行寿命考核时，不要直接套用以上条件,高温、低温试验,64,四、环境试验内容,试验标准GB2423.1-89试验A：低温试验方法GB2423.2-89试验B：高温试验方法GB2424.1-89高温低温试验导则试验目的用来考核和确定电工、电子产品在高温、低温环境条件下贮存和（或）使用的适应性严酷程度试验温度应优先从下列数值中选取，试验温度的容许偏差范围均为2高温：+200+85低温：6555+175+704025+155+55105+125+40+5+100+30持续时间持续时间应从下列时间中选取：2，16，72，96h。如果对试验样品是进行与耐久性或可靠性相联系的试验时，则试验持续时间应由有关标准根据产品特点和实际工作要求另行规定。,高温、低温试验,65,四、环境试验内容,高温试验要求1.试验时，试验样品应尽可能放在试验箱中央，以便在试验样品的任何部分和箱壁之间有尽可能大的空间。2.试验箱的容积对试验样品体积之比应不小于5：1。3.试验样品任何表面和相对应的箱壁之间的最小距离应不小于1020cm（距离与样品体积大小，散热瓦数有关）。a.非散热试验样品的高温试验：试验Ba温度突变；试验Bb温度渐变。b.散热试验样品的高温试验：试验Bc突变；试验Bd温度渐变。,高温、低温试验,66,四、环境试验内容,环境温度校正计算图GB2423.2-89附录A当环境温度20时样品表面温度为60；环境温度55时样品表面温度是多少？,高温、低温试验,67,四、环境试验内容,低温试验要求（Ad散热试验样品温度渐变的低温试验）1.试验样品任何表面与其对应的箱（室）壁间的最小距离大于15cm2.箱（室）体积对试验样品体积之比不小于5:1（电子、仪表、低压电器类）或10:1（电视、变压器、高压电器等）3.在无强迫空气循环试验（优先选用）情况下，试验箱（室）与试验样品大小及其散热总量比较起来应足够大，要大到可以模拟“自由空气”条件的影响4.用有强迫空气循环的试验箱（室）进行试验时，风速应尽可能低5.条件试验结束时，对通电运行或加负载的试验样品应先停止通电或卸去负载，试验样品仍保留在试验箱（室）内，将试验箱（室）温度渐渐升高到正常的试验大气条件范围内，箱（室）内温度变化的速率为不大于1/min（不超过5min时间的平均值）6.中间测量一般在箱内，样品不移出。,高温、低温试验,68,四、环境试验内容,使用标准GB/T2423.22试验n：温度变化试验方法GB2423.13温度变化试验导则GJB150.5-86军用设备环境试验方法温度冲击试验试验设备两箱法；一箱法；两液槽法。,温度变化试验,69,四、环境试验内容,温度冲击试验Na：规定转换时间的快速温度变化试验试验目的：确定元件、设备和其它产品经受环境温度迅速变化的能力TA：低温GB2423.1TB：高温GB2423.2t1：试验时间可选3、2、1h，30min或10mina、10min的试验时间适用于小试验样品b、无规定时用3小时t2：转换时间23min；2030s；10s；一般选23min，严酷选后两种，10s一般为自动转换,温度变化试验,70,四、环境试验内容,温度冲击（续一）试验Na：规定转换时间的快速温度变化试验循环次数一般为5次，除非另有规定严酷程度试验严酷程度由低温与高温温度差值、转换时间和循环次数确定试验设备和要求温度冲击试验可采用两箱法,温度变化试验,71,四、环境试验内容,温度冲击（续二）试验Nc：两液槽温度快速变化试验试验目的确定元件、设备或其他产品经受温度快速变化的能力。本试验产生一种急剧的热冲击，适用于玻璃金属密封及类似的试验样品。TA：低温0TB：高温100循环次数一般为10次，除非另有规定严酷程度本试验方法有两组标准化了的持续时间参数第一组：t2=82s5mint120min第二组：t2=21s15st15min试验设备应有两个槽，一个用于低温，另一个用于高温,温度变化试验,72,四、环境试验内容,温度循环试验Nb：规定温度变化速率的温度变化试验试验目的：确定元件、设备和其它产品耐环境温度变化的能力和在环境温度变化期间的工作能力。TA：低温GB2423.1TB：高温GB2423.2t1：试验时间可选3、2、1h，30min或10mina、10min的试验时间适用于小试验样品b、无规定时用3小时,温度变化试验,73,四、环境试验内容,温度循环（续）试验Nb：规定温度变化速率的温度变化试验循环次数一般为2次，除非另有规定上升速率试验箱的温度升降变化速率（不超过5min内的平均值）应为10.2/min、30.6/min或51/min严酷程度试验严酷程度是由试验的低温和高温温度值，温度变化速率和循环次数来确定的。试验设备和要求温度循环试验采用一箱法，在试验期间可以监测试验样品的性能。,温度变化试验,74,四、环境试验内容,GJB150.5-86军用设备环境试验方法温度冲击试验试验目的确定军用设备在周围大气温度急剧变化时的适应性。试验条件试验温度：高温为70低温为55试验温度保持时间：1h或者直至试验样品达到温度稳定，以时间长者为准。转换时间：不大于5min循环次数：3次试验设备本标准应用温度冲击试验箱（室）或采用高温试验箱（室）和低温试验箱（室）进行温度冲击试验，以提供试验样品经受周围空气温度急剧发生变化的环境温度。,温度变化试验,75,四、环境试验内容,温度冲击与温度循环有什么不同,温度变化试验,76,四、环境试验内容,温度冲击异种材料热膨胀系数不同而造成的故障问题急剧的温度变化，将使产品受到一种热冲击力。在这种热冲击力的作用下，将导致涂敷层脱落、灌封材料或密封化合物龟裂甚至破碎、密封外壳开裂、填充材料泄漏，玻璃器皿和光学仪器等破碎。温度循环对于由不同材料或同种材料构成的产品，由于温度变化时产品受热不均匀，因此导致材料的变形、开裂。受热不均匀的产品，在工作期间由于温度的变化会产生蠕变失效，这些失效不同于热冲击。就环境试验而言，温度冲击和温度循环试验的目的性，在标准中已很明确。,温度变化试验,77,四、环境试验内容,温度变化的应用在美国，冷热温度冲击试验经常作为产品出厂前的一种筛选试验形式对产品进行100%的全数检查。在日本，冷热冲击试验则作为加速可靠性试验的一种形式广泛应用于产品开发的阶段（HALT）。筛选试验（ESS、HASS）焊接工艺评估内部互连的评估灌封材料的评估新材料、新工艺的评估,温度变化试验,78,四、环境试验内容,GB2423.3-1993电工电子产品基本环境试验规程试验Ca：恒定湿热试验方法GB2423.4-1993电工电子产品基本环境试验规程试验Db：交变湿热试验方法GB2423.9-1989电工电子产品基本环境试验规程试验Cb：设备用恒定湿热试验方法GB/T2423.40-1997电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Cx：未饱和高压蒸汽恒定湿热GB/T2423.50-1999电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Cy：恒定湿热主要用于元件的加速试验GB/T2424.2-1993电工电子产品基本环境试验规程湿热试验导则GJB150.9-86军用设备环境试验方法湿热试验,湿热试验,79,四、环境试验内容,湿度的物理现象凝露、吸附、吸收、扩散、呼吸水渗入固体材料内部与通过缝隙进入封闭空隙中的机理a.水渗入固体材料是由于“体积扩散”，一个个单体水分子通过固体材料的分子空隙的运动。该机理导致“吸收”现象，可使水分子到达塑料封装器件内部的灵敏部分，如到达薄膜电阻器中的电阻膜。按相同的过程，水分子也能到达封闭物的内部空隙，在这种情况下，解吸是潮气进入内腔这一过程的结束。b.穿过缝隙的渗入是由于水汽在充满空气的泄漏通道或封闭物中运动的结果。这可分为三种作用机理说明：扩散：水分子沿缝隙中气体的浓度梯度而运动。扩散不依赖空气的宏观流动。流动：水分子通过缝隙被空气流吸入。呼吸：由于空气压力与水汽分压力之差随缝隙的深度而变化，使水汽沿缝隙而流动，即由于温度变化而使水汽流动。注：辨别缝隙的渗透机理具有某种随意性，事实上扩散和流动是一个连续转变的过程，流动也可能是呼吸作用的结果。,湿热试验,80,四、环境试验内容,试验方法的选择湿热试验是产品三防（防潮、防霉、防盐雾）试验之一，被广泛用于电子电工技术领域。要想得到最经济、易控制、再现性好的试验结果，正确的选用试验方法是非常重要的。（1）根据产品的受潮机理和吸湿方式选择湿热试验方法。（2）根据产品本身的特征选择。（3）根据试验结果的再现性选择。,湿热试验,81,四、环境试验内容,试验Ca：恒定湿热试验方法试验条件温度402、相对湿度应能保持在93%3%+2%的范围内严酷等级在本标准中，试验严酷等级由试验持续时间决定中间检测1.在条件试验期间或结束时，有关标准可以要求对试验样品加电负载和（或）测量，并规定测量时间和测量项目。2.中间检测时不允许将试验样品移出试验箱（室）外，更不允许在恢复后进行测量。3.若在条件试验结束前想要知道该类试验样品的性能，则对每一特定的试验时间都要另增加一组试验样品。每组样品的恢复和最后检测应分别进行。,湿热试验,82,四、环境试验内容,试验Cb：设备用恒定湿热试验方法严酷等级试验严酷等级是由温度、相对湿度和时间组合而成，并由有关标准加以规定。温度和相对湿度的条件可以从下列组合中选择：302（933）%402（933）%302（853）%402（853）%推荐的试验时间是：2，4，7，10，21天,湿热试验,83,四、环境试验内容,试验Db：交变湿热试验方法严酷等级试验严酷等级由高温温度和试验周期数的组合确定。a.高温温度：40试验周期：2，6，12，21，56天b.高温温度：55试验周期：，1，2，6天中间检测在条件试验期间，有关标准可要求对试验样品的电气和（或）机械性能进行检测。中间检测时，不允许将试验样品移出工作空间恢复后进行测量。如要求中间检测，有关标准应明确规定测量项目以及在条件试验的哪一（些）阶段进行测量。,湿热试验,84,四、环境试验内容,试验Db：交变湿热试验方法试验过程试验准备在温度为253、相对湿度为45%75%的条件下，使试验样品达到温度稳定。之后，在1h内将工作空间内的相对湿度升高到不小于95%循环试验见右图恢复应将试验箱（室）工作空间内的相对湿度在0.5h内降至75%3%，然后在0.5h内将温度降至实验室的温度，容差为2。,湿热试验,循环试验图,85,四、环境试验内容,物理过程的加速1.目前还不可能给出一个通用而有效的加速因子。在相对湿度给定的条件下，可用提高温度的方法实现湿热试验的加速作用。只有知道渗透速度、温度和水汽压力三者之间的关系或建立起三者之间的经验公式后，才能确定加速因子的大小。2.对于比较试验，如果不同试验样品的失效机理相同，则允许使用高加速试验。在用恒定湿热试验模拟真实温湿度条件下的效果时，用下列方法之一就可以实现加速作用；a.使用高于真实条件的温度和湿度或其中之一。b.如真实环境的特点是高温高湿和中等程度的温度和湿度条件交变循环，则只考虑高温高湿条件而忽略中等程度的温湿度循环。但在交变循环的情况下，样品具有干燥周期，而在恒定的情况下却没有这一特点，这可能影响该试验的有效性。,湿热试验,86,四、环境试验内容,试验Cy：恒定湿热主要用于元件的加速试验适用范围：本标准规定了一种以加速方式评价小型电工电子产品，主要是非气密元件耐湿热劣化效应的试验方法。本试验不适用于评价诸如腐蚀和变形等外部效应说明在本试验中，样品在较长的时间内承受很高的未饱和湿热蒸汽压力的作用。通常施加偏压。本试验在相对湿度为85%、温度为85的条件下提供了若干优先的试验持续时间。就塑封元件而言，劣化作用是因塑料吸收水汽和水汽沿引出端渗入而引起的。严酷等级试验严酷等级由试验持续时间决定168、504、1000、2000小时,湿热试验,87,四、环境试验内容,试验Cy：恒定湿热主要用于元件的加速试验（续）加速试验的物理意义水蒸汽加速渗入试验样品是加速湿热试验最重要的物理因素，其加速作用是由非气密试验样品内部与试验环境间的水蒸汽有压力差而引起的。该试验主要用于集成电路和其他塑封半导体器件中敷铝的加速腐蚀。当考虑将该试验用于其它产品时，重要的是确定失效模式及根据每种失效模式选择适当的劣化过程和试验严酷等级。加速试验的偏压偏压的定义是为增强湿度效应，按试验目的所施加的电压，它不一定与试验样品的正常功能有关。a）样品表面上各规定点的温度的增加值小于2.b）施加偏压时既要促进水解作用，也要限制试验样品自身发热，影响水的渗透和吸收。在施加连续偏压而不可能阻止明显自热时，建议间断地施加偏压。除非另有规定，施加偏压的顺序为先停止施加偏压3h，接着施加偏压1h。,湿热试验,88,四、环境试验内容,试验Cx：未饱和高压蒸汽恒定湿热本标准规定了一种以加速方式评定小型电工电子产品，主要是非气密元件耐湿热劣化效应的标准试验方法。本试验不宜用于评定诸如腐蚀和变形等外部效应。通常要施加电偏压。严酷等级除非相关规范另有规定，应使用表中温度和持续时间的组合之一。每一种温度都规定了三种持续时间,湿热试验,89,四、环境试验内容,试验Cx：未饱和高压蒸汽恒定湿热高压蒸煮试验采用高压高湿条件，主要考核塑料封装的半导体集成电路和空封器件等电子器件的综合影响，是用高加速的试验方式评价电子产品耐湿热和密封的能力，常用于产品开发、质量评估、失效验证。高压蒸煮试验的技术指标包括：大气压力、相对湿度（饱和和非饱和）、温度、试验时间。常用于塑料封装的半导体器件、集成电路、密封继电器，密封器件等。,湿热试验,90,四、环境试验内容,GJB150.9-86湿热试验军用设备的环境试验只有循环湿热试验试验条件表,湿热试验,91,四、环境试验内容,注意事项（1）试验箱用水的电阻率会影响试验结果的再现性，因此规定试验用水的电阻率为500m，在25条件下自来水10100m，蒸馏水1001000m，去离子水10000100000m。（2）交变试验的上升和下降过程对时间和湿度的要求，有些要求产生冷凝，有些不要求冷凝，注意对试验箱的控制。（3）中间过程测试一般要求在箱内，但可灵活掌握。（4）恢复过程有严格要求，否则影响最终测试结果。（5）在温度/湿度组合循环试验中，如果湿热和低温循环分别在两个试验箱内进行，除要求从一个试验箱转移到另一个试验箱的转移时间尽量短外，还应注意转换期间样品不要受到热冲击。,湿热试验,92,四、环境试验内容,GB/T2423.10-1995试验FC和导则：振动（正弦）GB/T2423.11-1997试验Fd：宽频带随机振动一般要求GB/T2423.12-1997试验Fda：宽频带随机振动高再现性GB/T2423.13-1997试验Fdb：宽频带随机振动中再现性GB/T2423.14-1997试验Fdc：宽频带随机振动低再现性GB/T2423.48-1997试验Ff：振动时间历程法GB/T2423.49-1997试验Fe：振动正弦拍频法GJB150.16-86军用设备环境试验方法振动试验,振动试验标准,93,四、环境试验内容,目的、说明术语定义的四点固定点、检测点、基准点、控制点设备特性要求的五点横向运动、加速度波形失真、振幅容差、频率容差、扫频容差设备和试验的测试方法试验采用的严酷等级（重点）条件试验附件的重要性（有参考性的示例）1.军标与国标相比可裁剪性好2.军标的随机振动可使用梯形谱而国标基本采用平直谱3.军品的随机振动可采用窄带，民品基本采用的是宽带,抓要点看振动标准,94,四、环境试验内容,正弦振动运动量随时间按正弦（或余弦）函数变化的振动，亦称简谐振动。随机振动对未来任何一个给定时刻，其瞬时值不能预先确定的振动。（注：在某一个范围内，随机振动大小的概率可以用概率密度来确定。）幅值正弦量的最大值。在振动中幅值亦称振幅。,振动试验的术语,95,四、环境试验内容,扫频连续从低频（高频）到高频（低频）的变化过程，并且以不超过每分钟一个倍频程的速率变化。扫频循环是在规定的频率范围内往返扫描一次。倍频程（OCT）以前一频率为基数，扩大一倍频率所需要经历的时间过程，在振动领域中一般指频率变化的速率，当扫频规律为指数变化时倍频程为对数变化。,振动试验的术语,96,四、环境试验内容,交越频率振动特性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。即从以频率为函数的恒定位移幅值变到以频率为函数的恒定加速度幅值。在交越频率以下为位移，以上为加速度。交越频率的振动量值相同。再现性此处的再现性是指不同的人在不同的试验室或不同场合下进行试验时，得到结果的一致性，不是指试验与实际环境之间的再现性。,振动试验的术语,97,四、环境试验内容,加速度谱密度（功率谱密度）由于随机振动的波形如同噪声波形，因此随机过程最明显的特点是非周期性的，瞬时值是无法预测的，因此对随机信号的研究，采用的是统计的方法，通过四个信息（时域、幅值域、时差域、频率域）描述的总表述方法。加速度谱密度是对幅值域的表述，表示的是随机振动的有效幅值。均方根值描述一随机变量或一组数据在平均值周围的集中程度，此值在随机振动中表示有效幅值的大小，用单位g表示。,振动试验的术语,98,四、环境试验内容,试验分类和应用,99,四、环境试验内容,常用的振动方式和特点定频振动的特点是振动频率不变，振动幅值也不变，试验前需了解产品的危险频率。正弦扫频的特点是振动频率范围确定，但工作频率从下限频率上限频率下限频率，并以倍频程循环变化，振动幅值（加速度）不变。随机振动的特点是在试验过程中振动频率和振动幅值都不确定，呈现随机的状态。常用的振动波形定频扫频随机,几种常用振动波形,100,四、环境试验内容,两种特殊振动波形,101,四、环境试验内容,振动试验的技术参数频率定频频率、频率范围（扫频和随机）Hz、KHz幅值位移幅值（mm）、加速度幅值（m/s2、gn）、加速度谱密度（m/s2）2/Hz）、峰值振幅（Vp）持续时间扫频耐久的持续时间以扫频循环数给出定频耐久的持续时间以分钟或小时给出定频振动如何确定危险频率在整个频率范围内进行响应检查。响应检查的方法是按耐久试验相同的条件进行一个扫频循环，并根据以下现象确定危险频率a、样品出现故障或性能下降b、出现机械共振及其他响应现象，例如抖动。,严酷等级的表征参数,102,四、环境试验内容,提交振动试验的注意事项样品的外观是否有现成的固定夹具现有设备的能力，能否满足试验要求是否有清晰、明确的技术指标是否有明确的危险频率试验过程如何监测失效或性能下降提交试验的内容定频振动：频率（一点或多点）、位移（加速度）幅值、持续时间、轴向正弦振动：频率（上限、下限）、位移（加速度）幅值、循环次数、轴向随机振动：频率范围、加速度谱密度（总均方根加速度值）、持续时间、轴向注：以上三项均可以规定试验样品加电、加监测设备等,提交试验要求,103,四、环境试验内容,从振动方式看严酷等级振动试验从效果来说一是模拟运输过程和自然条件对产品的影响，二是通过试验确定机械薄弱环节或产品性能。因此，对一般产品而言严酷程度依次为随机振动、扫频振动、定频振动。随机振动中民品大量采用宽频，军品为窄频。从技术指标看严酷等级（一般情况）持续时间长循环次数多幅值大加速度谱密度大随机振动中总均方根加速度值大频率范围大,严酷程度如何看,104,四、环境试验内容,振动试验的选用原则：如果是以暴露产品缺陷，剔除早期失效，选随机、扫频如果是产品定型、验证或交收，选扫频、随机如果是产品的危险频率已知，选定频，疲劳或失效机理研究选扫频、定频如果是耐久性试验应优先选用扫频耐久振动试验通常安排在以下的可靠性试验环境应力筛选试验（随机、扫频）可靠性增长（随机、扫频、定频）交收、验收试验（随机、扫频）耐久性试验（扫频、定频）,振动试验的应用,105,四、环境试验内容,美国海军的随机振动应力最早电子产品的ESS是根据美国海军1979年NAVMAT-P9492生产筛选试验大纲确定的，其中对随机振动的试验条件如下：随机振动采用梯形谱2080Hz为3db/OCT80350Hz为功率谱密度0.020.04g2/Hz的平直谱3502000Hz为3db/OCT振动时间为单向10min，三向时每向5min。,随机振动试验例子,106,四、环境试验内容,国内某通讯设备生产单位的扫频振动的应力频率范围10-55Hz；恒定振幅0.35mm。扫频速率每分钟1个倍频程。试验方向X、Y、Z，每方向25分钟。如果抗振动性能较差的方向能通过振动试验，则其它方向可以免作。移动产品带电振动。随机振动应力应改为：频率20500Hz最高频率大于500Hz最大功率谱密度为0.02（对单机）0.05（对单板）试验方向为X、Y、Z，每方向30min。如果抗振动性能较差的方向能通过振动试验，则其它方向可以免作。移动产品带电振动。,随机振动试验例子,107,四、环境试验内容,机械振动试验用来确定机械的薄弱环节，产品结构的完好性和动态特性、常用于型式试验、寿命