电子产品可靠性试验

1、1 電子產品可靠性試驗 第一章 可靠性試驗概述 1 電子產品可靠性試驗的目的 可靠性試驗是對產品進行可靠性調查、分析和評價的一種手段。試驗結果為故障分析、研究採 取的糾正措施、判斷產品是否達到指標要求提供依據。具體目的有： (1) 發現產品的設計、元器件、零部件、原材料和工藝等方面的各種缺陷； (2) 為改善產品的完好性、提高任務成功性、減少維修人力費用和保障費用提供資訊； (3) 確認是否符合可靠性定量要求。 為實現上述目的，根據情況可進行實驗室試驗或現場試驗。 實驗室試驗是通過一定方式的類比試驗，試驗剖面要儘量符合使用的環境剖面，但不受場地的 制約，可在產品研製、開發、生產、使用的各個階段

2、進行。具有環境應力的典型性、資料測量的準 確性、記錄的完整性等特點。通過試驗可以不斷地加深對產品可靠性的認識，並可為改進產品可靠 性提供依據和驗證。 現場試驗是產品在使用現場的試驗，試驗剖面真實但不受控，因而不具有典型性。因此，必須 記錄分析現場的環境條件、測量、故障、維修等因素的影響，即便如此，要從現場試驗中獲得及時 的可靠性評價資訊仍然困難，除非用若干台設備置於現場使用直至用壞，忠實記錄故障資訊後才有 可能確切地評價其可靠性。當系統規模龐大、在實驗室難以進行試驗時，則樣機及小批產品的現場 可靠性試驗有重要意義。 2 可靠性試驗的分類 2.1 電子裝備壽命期的失效分佈 目前我們認為電子裝備壽

3、命期的典型失效分佈符合“浴盆曲線 ”，可以劃分為三段：早期失效 段、恒定（隨機或偶然）失效段、耗損失效段。可參閱圖1.2.1。 早期失效段，也稱早期故障階段。早期失效出現在產品壽命的較早時期，產品裝配完成即進入 早期失效期，其特點是故障率較高，且隨工作時間的增加迅速下降。早期故障主要是由於製造工藝 缺陷和設計缺陷暴露產生，例如原材料缺陷引起絕緣不良，焊接缺陷引起虛焊，裝配和調整不當引 起參數漂移，元器件缺陷引起性能失效等。早期失效可通過加強原材料和元器件的檢驗、工藝檢驗、 不同級別的環境應力篩選等嚴格的品質管制措施加以暴露和排除。 恒定失效段，也稱偶然失效段，其 故障由裝備內部元器件、零部件的

4、隨機 性失效引起，其特點是故障率低，比較 穩定，因此是裝備主要工作時段。 耗損失效段，其特點是故障率迅速 上升，導致維修費用劇增，因而報廢。 其故障原因主要是結構件、元器件的磨 損、疲勞、老化、損耗等引起。 2.2 試驗類型及其分佈曲線的變化 針對電子裝備壽命期失效分佈的三個階段，人們在設計製造和使用裝備時便有針對地採取措施， 以提高可靠性和降低壽命週期的費用。在設計製造階段，要儘量減少設計缺陷和製造缺陷，即便如 此仍然會存在早期失效和隨機失效。為此，承制方需要運用工程試驗的手段來暴露和消除早期失效， 降低隨機失效的固有水準。通過這些措施，可以改變產品的壽命分佈曲線的形狀，可參閱圖1.2.2。

5、 在耗損階段，用戶可通過維修和局部更新的手段延長裝備的使用壽命。 圖 1.2.2 示意了兩組產品壽命失效率分佈曲線，圖中表明產品B的可靠性水準比產品A的優良， 因為B的恒定失效率比A的低，B的早期失效段比A的短。如果曲線A和B是同一種產品的不同階段的失 效率分佈，則表明該產品經過了可靠性增長試驗，取得成效，因此曲線B的恒定失效率大為降低。曲 線B的早期失效段示意了B和B兩條，它們表明B比B的早期失效率為低，顯示其工藝和元器件、原材 料的缺陷比B的少，環境應力篩選所需的資源也可較少。 失效率 早期 耗損 失效 偶然失效段 失效 時間 圖1.2.1 電子裝備壽命期失效分佈的浴盆曲線示意 2 2.3

6、 裝備可靠性試驗分類 2.3.1 裝備可靠性試驗專案分類 由裝備可靠性試驗的目的出發， 我們把它分為可靠性工程試驗和可 靠性驗證試驗兩大類，每類試驗又 包括幾種試驗項目。 (1) 可靠性工程試驗，其目的 在於暴露產品故障以便人們消除它， 由承制方進行，試驗樣品從研製樣 機中取得。可靠性工程試驗包括環 境應力篩選和可靠性增長試驗。從 試驗性質來分析，現行的老煉也屬 於工程試驗專案；由環境應力篩選發展起來的可靠性保證試驗也可歸納於此。工程試驗的出發點是： 儘量徹底地暴露產品的問題、缺陷，並採取措施糾正，再驗證問題得到解決、缺陷得到消除與否。 經過工程試驗的產品，其可靠性自然會提高，滿足用戶要求的可

7、能性也必然增大。可見，可靠性工 程試驗是產品的可靠性基礎工作，是產品研製生產的工藝過程。 (2) 可靠性驗證試驗，從試驗原理來說，要應用統計抽樣理論，因此又稱統計試驗。其目的是 為了驗證產品是否符合規定的可靠性要求，由承制方根據有關標準和研製生產進度制訂方案和計畫， 經定購方認可；重點型號裝備的驗證試驗方案還需報上級領導機關批准，由有關各方組織聯合試驗 小組。驗證試驗包括產品研製的可靠性鑒定試驗和批量生產的可靠性驗收試驗。這類試驗必須能夠 反映裝備的可靠性定量水準，因此試驗條件要儘量接近使用的環境應力；試驗結果要作出接收或拒 收的判斷，因此對試驗時間和發生的故障應作詳細記錄，經過與失效判據的對

8、比分析後，試驗各方 統一認識後才能作出最後的結論。 2.3.2 裝備可靠性試驗專案的區別 產品研製生產過程除進行可靠性試驗之外,一般還要進行環境（鑒定）試驗，各種試驗的目的不 同，不能相互取代，它們的區別可參閱表1-2-1。 3 試驗安排 在安排試驗計畫時，應將可靠性試驗與性能試驗、環境應力和耐久性試驗盡可能地結合起來， 構成比較全面的可靠性綜合試驗計畫。這樣可避免重複試驗，保證不漏掉在單獨試驗中易疏忽的問 題和缺陷，可提高效率節省費用。 表1-2-1 環境應力篩選、環境鑒定試驗、可靠性統計試驗區別 項目環境應力篩選環境鑒定試驗可靠性統計試驗 應用目的 將產品潛在缺陷加速發展成故障並排除驗證產

9、品的環境適應性驗證產品的可靠性水準 典型應力隨機振動、 溫度迴圈、電應力 溫度、濕度、鹽霧、淋雨、黴菌、 振動、衝擊、低氣壓、加速度 溫度、濕度、振動、 電應力 應力水準 加強應力，既能暴露故障又不損壞產品環境條件的極端值動態類比真實環境條件 應力程式 按效果組合，一般：振動溫度振動按使用次序或能最大回應環境應力 的次序 模擬使用的次序 樣本 100% 抽樣抽樣 故障限制希望揭示故障樣品可修復不許出故障故障數有限制 接收判據無，故障不影響產品的接收有，故障影響對產品的接收有，故障數超出規定時拒收 (1) 產品的性能試驗應在樣機製造出來後即進行，試驗暴露的缺陷應成為改進措施的直接依據。 評定產品

10、性能和可靠性是否滿足用戶要求，必須在標準環境條件下使用規定容限值進行性能測量， 以獲得重現結果和所需的精度。 要分別測量記錄試驗前（標準條件）、試驗中（試驗條件）、試驗後（標準條件）的性能，以 便進行比較。 (2) 環境應力的種類要按照實際情況進行綜合。環境應力至少應包括熱、振動、潮濕等應力； 溫度迴圈中的濕度等級應足以產生明顯的冷凝和霜凍；振動應力應考慮振動類型、頻率範圍、應力 大小和使用方法及振動方位等因素。這一切應能類似於現場使用環境和任務剖面所產生的情況。 (3) 耐久性試驗一般包括環境試驗、過負荷試驗、類比或接近環境剖面的迴圈試驗。試驗中發 生的問題都要作出分析並採取糾正措施。然後對

11、改進後的產品再作試驗，以證明問題是否已經解決。 4 試驗評估 4.1 試驗條件的評估 試驗條件和步驟、方法都要盡可能類比產品的壽命剖面和任務剖面，使試驗具有真實性。試驗 失效率 產品A的壽命失效分佈 B B 產品B的壽命失效分佈 時間 圖1.2.2 裝備可靠性試驗結果對失效分佈曲線形狀影響 3 的目的是暴露在使用環境下才能發生的問題、故障和缺陷。如果試驗只能暴露一部分問題，這是在 浪費時間和資源。試驗類比的程度，取決於試驗目的。 (1) 試驗真實性不高的原因可能是忽視了某些應力。如接插件作靜態壽命試驗時忽略了振動應 力，致使現場使用時故障頻繁。 (2) 暴露缺陷的試驗，施加的應力高於使用應力也

12、是合適的。“過應力”試驗一般用於工程可 靠性試驗，如老煉試驗、篩選、研製階段的可靠性增長試驗等。這些屬於加速試驗特性，可儘早暴 露產品潛藏的薄弱環節，採取措施糾正之。 (3) 模擬壽命剖面的試驗，希望試驗得到的可靠性與使用中的可靠性相一致。然而模擬的條件 與使用的真實條件總是有差異的。在多數情況下，用恒定應力條件作壽命試驗，效果不好。因此要 設計綜合應力的迴圈週期的試驗剖面，使之比較接近使用條件。 4.2 裝備可靠性評估 測定產品可靠性定量指標，提供各種資訊，作出產品的可靠性評估，是管理工作所要求的。可 靠性指標的點估計值和置信區間估計，是產、購雙方對產品壽命期費用決策的重要資訊。可靠性指 標

13、的點估計值和置信區間估計的依據是試驗資料。試驗資料的具體處理方法在有關標準中規定。只 憑試驗結果就對裝備的可靠性水準進行評估,信息量可能不夠，往往要結合製造和使用的其他資訊進 行綜合評價，才能使用戶放心。 5 試驗管理 從研製生產到交付部隊使用，要進行多項與可靠性有關的試驗。為了確保達到用戶提出的要 求，遵守交付週期，節省資源，加強管理是十分必要的。試驗管理的目的是為了提高試驗成效、確 保產品可靠性大綱的效果，管理的任務主要是制訂和落實試驗計畫，因此要多安排綜合試驗，常用 的方法是組織、協調、督促。試驗管理工作要圍繞研製生產的產品確定試驗專案、明確在何時進行、 由何部門組織哪些人參加和實施、採

14、用何種試驗手段、試驗方案和計畫由誰制訂和批准，試驗情況 的記錄和處置，試驗結果的處理等。 綜合的可靠性試驗計畫一般包括以下內容： (1) 確定裝備的可靠性要求； (2) 規定可靠性試驗的應力條件； (3) 規定試驗進度計畫； (4) 詳細的可靠性試驗方案； (5) 試驗操作程式； (6) 受試產品的說明和性能監測要求； (7) 試驗設備和監測儀器； (8) 試驗記錄和試驗資料的處理方法； (9) 試驗報告的內容。 試驗管理除了計畫管理之外，還包括試驗費用的管理，為保證研製工作進度和避免追加費用， 試驗工作的重點應放在工程試驗上。綜合了較多試驗內容的計畫，還應包括每項試驗的方案、決策 風險、試驗

15、條件、試驗程式、在壽命週期的計畫等。 第二章 環境應力篩選 1 環境應力篩選的目的和原理 1.1 環境應力篩選的目的 環境應力篩選的目的在於發現和排除產品的早期失效，使其在出廠時便進入隨機失效階段，以 固有的可靠性水準交付用戶使用。 1.2 環境應力篩選的原理 環境應力篩選是通過向電子裝備施加合理的環境應力和電應力，將其內部的潛在缺陷加速變成 故障，以便人們發現並排除。 環境應力篩選是裝備研製生產的一種工藝手段，篩選效果取決於施加的環境應力、電應力水準 和檢測儀錶的能力。施加應力的大小決定了能否將潛在的缺陷在預定時間內加速變為故障；檢測能 力的大小決定了能否將已被應力加速變成故障的潛在缺陷找出

16、來，以便加以排除。因此，環境應力 篩選又可看作是產品品質控制檢查和測試過程的延伸。 2 缺陷分類 2.1 通用定義 產品喪失規定的功能稱失效。對可修復產品通常也稱為故障。對設備而言，任一品質特徵不符 4 合規定的技術標準即構成缺陷。 絕大多數電子裝備的失效都稱為故障，以故障原因對其進行分解可以參閱圖2.1.1。從圖中可知， 裝備故障分為偶然失效型故障和缺陷型故障兩大類。人們認為偶然故障表現為隨機失效，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、裝配工藝缺陷、設計缺 陷引起，元器件缺陷本身又由結構、工藝、材料等缺陷造成，設計缺陷則包含電路設計缺陷、結構 設計缺陷、

17、工藝設計缺陷等內容。 結構 工藝 材料 電路設計 結構設計 工藝設計 缺陷 缺陷 缺陷 缺陷 缺陷 缺陷 元器件缺陷 設計缺陷 原材料 裝配工藝 缺陷 缺陷 缺陷型故障缺陷型故障 偶然失效型故障偶然失效型故障 電子裝備故障電子裝備故障 圖2.1.1 電子裝備故障原因分解示意 2.2 電子設備可視缺陷分類 按照GJB 2082電子設備可視缺陷和機械缺陷分類，從影響與後果方面缺陷分為致命缺陷、 重缺陷、輕缺陷；從可視的角度來看，產生缺陷的主要工藝類型有：焊接、無焊連接、電線與電纜、 多餘物、防短路間隙、接點、印製電路板、零件製造安裝、元器件、纏繞、標記等，其中多數都可 能產生致命缺陷或重缺陷，輕缺

18、陷比較普遍。 致命缺陷是指對設備的使用、維修、運輸、保管等人員會造成危害或不安全的缺陷，或可能妨 礙某些重要裝備（如艦艇、坦克、大型火炮、飛機、導彈等）的戰術性能的缺陷。 重缺陷是指有可能造成故障或嚴重降低設備使用性能，但又不構成致命缺陷的缺陷。 輕缺陷是指不構成重缺陷，但會降低設備使用性能或不符合規定的技術標準，而對設備的使用 或操作影響不大的缺陷。 可視缺陷是指通過人的視覺器官可直接觀察到的，或採用簡單工具對設備品質特徵所能判定的 缺陷。 承制單位的品質檢驗人員對大多數可視缺陷都可以發現並交有關部門排除，唯有不可視缺陷需 要進行環境應力篩選或其他方法才能被發現，否則影響產品可靠性。 3 篩

19、選應力及其效應運算式 3.1 常規篩選與定量篩選 常規篩選是指不要求篩選結果與產品可靠性目標和成本閾值建立定量關係的篩選。篩選方法是 憑經驗確定的，篩選中不估計產品引入的缺陷數量，也不知道所用應力強度和檢測效率的定量值， 對篩選效果好壞和費用是否合理不作定量分析，僅以能篩選出早期失效為目標。篩選後的產品不一 定到達其故障率恒定的階段。 定量篩選是要求篩選的結果與產品的可靠性目標和成本閾值建立定量關係的篩選。定量篩選有 關的主要變數是引入缺陷密度、篩選檢出度、析出量或殘留缺陷密度。引入缺陷密度取決於製造過 程中從元器件和製造工藝兩個方面引進到產品中的潛在缺陷數量；篩選檢出度取決於篩選的應力把 引

20、入的潛在缺陷加速發展成為故障的能力和所用的檢測儀錶把這些故障檢出的能力；殘留缺陷密度 和缺陷析出量則取決於引入缺陷密度和篩選檢出度。定量環境應力篩選關係式如下： DR=DINF =DIN(1TS) (2-3-1) TS=SSDE (2-3-2) 式中：DR殘留缺陷密度，平均個/產品； DIN 裝備引入的缺陷密度，平均個/產品； F境應力篩選析出的缺陷量，平均個/產品； TS篩選檢出度； SS篩選度； DE檢測效率。 在進行定量篩選之前，首先要按照可靠性要求確定殘留缺陷密度的目標值DRG，然後通過適當地 5 選擇篩選應力種類及其量值的大小、檢測方法、篩選所在等級等參數設計篩選大綱。實施此大綱時，

21、 要進行監測和評估，確定DIN、SS、DR的觀察值，並與設計估計值比較，以便及時採取措施保證實現 定量篩選目標，並使之最經濟有效。定量環境應力篩選的控制過程請參閱圖2.3.2。 3.2 恒定高溫應力 3.2.1 參數的計算 3.2.1.1 篩選度計算 設恒定高溫篩選的應力參數是溫度Tu 、篩選時間t、環境溫度TE (一般取25)，其篩選度SS的 運算式為： SS1exp-0.0017(R0.6)0.6 t (2-3-3) 式中：RTuTE Tu25 溫度變化範圍，； t恒定高溫的持續時間，h。 按公式(2-3-1)計算的恒定高溫篩選度數據見表2-3-1。 3.2.2 篩選故障率計算 恒定高溫篩

22、選時缺陷的故障率運算式如下： D ln(1SS)/t (2-3-4) 式中：D 故障率，次小時； SS篩選度; 根據式(2-3-4)計算的恒定高溫故障率(D )見表2-3-1 表2-3-1 恒定高溫篩選度(SS)和故障率(D ) 時間 溫度增量 ( t ） H01020304050607080 100.0124 0.0677 0.0991 0.1240 0.1452 0.1639 0.1809 0.1964 0.2108 200.0247 0.1808 0.1885 0.2326 0.2693 0.3010 0.3290 0.3542 0.3772 300.0368 0.1896 0.2689

23、 0.3278 0.3754 0.4256 0.4504 0.4810 0.5084 400.0488 0.2445 0.3414 0.4112 0.4661 0.5114 0.5498 0.5830 0.6121 500.0606 0.2956 0.4067 0.4842 0.5436 0.5915 0.6312 0.6649 0.6938 600.0723 0.3433 0.4655 0.5481 0.6099 0.6584 0.6979 0.7807 0.7884 700.0839 0.3877 0.5185 0.6042 0.6665 0.7144 0.7525 0.7836 0.80

24、93 800.0953 0.4292 0.5663 0.6533 0.7149 0.7612 0.7973 0.8261 0.8495 900.1065 0.4678 0.6093 0.6963 0.7563 0.8004 0.8339 0.8602 0.8812 1000.1176 0.5038 0.6480 0.7339 0.7917 0.8331 0.8640 0.8877 0.9063 1100.1286 0.5374 0.6829 0.7669 0.8219 0.8605 0.8880 0.9097 0.9260 加工引入的 缺陷 DIN加 製造 篩選 產品 元器件 材料 缺陷 DI

25、N元 DIN SSDE DR DIN = TS = DR= DIN元DIN加 SSDE DINF F=DINTS 圖 2.3.2 定量環境應力篩選變數關係示意 6 1200.1394 0.5687 0.7144 0.7968 0.8478 0.8833 0.9087 0.9275 0.9416 1300.1501 0.5979 0.7427 0.8211 0.8699 0.9025 0.9252 0.9417 0.9539 1400.1607 0.6251 0.7687 0.8433 0.8888 0.9184 0.9388 0.9532 0.9639 1500.1711 0.6505 0.7

26、912 0.8628 0.9049 0.9318 0.9498 0.9624 0.9713 1600.1814 0.6742 0.8119 0.8798 0.9187 0.9430 0.9589 0.9697 0.9774 1700.1916 0.6962 0.8305 0.8947 0.9325 0.9523 0.9663 0.9757 0.9821 1800.2017 0.7168 0.8473 0.9077 0.9406 0.9602 0.9724 0.9805 0.9859 1900.2116 0.7360 0.8625 0.9192 0.9492 0.9667 0.9774 0.98

27、43 0.9889 2000.2214 0.7538 0.8761 0.9292 0.9566 0.9721 0.9815 0.9874 0.9912 D 0.0013 0.0070 0.0104 0.0132 0.0157 0.0179 0.0199 0.0219 0.0237 3.2.3 恒定高溫應力激發的故障模式或影響 恒定高溫能激發的故障模式(或對產品的影響)主要有： 使未加防護的金屬表面氧化，導致接觸不良或機械卡死，在螺釘連接操作時用力不當或保護塗 層上有小孔和裂紋都會出現這種未防護的表面。 加速金屬之間的擴散，如基體金屬與外包金屬，釺焊焊料與元件，以及隔離層薄弱的半導體與 噴鍍金屬

28、之間的擴散； 使液體乾涸，如電解電容和電池因高溫造成洩漏而乾涸； 使熱塑膠軟化，如該熱塑膠件處於太高的機械力作用下，則產生蠕變； 使某些保護性化合物與灌封蠟軟化或蠕變； 提高化學反應速度，加速與內部污染物的反應過程； 使部分絕緣損壞處絕緣擊穿。 3.3 溫度迴圈應力 3.3.1 溫度迴圈應力參數 溫度迴圈應力參數有：上限溫度、下限溫度、迴圈次數、溫度變化速率。 3.3.2 溫度迴圈應力篩選度計算 SS1exp0.0017(R0.6)0.6 Ln(ev)3 N (2-3-5) 式中：R=TuTL ，溫度變化範圍，； Tu 上限溫度，； TL 下限溫度，； V 溫度變化速率，min； N 迴圈次數

29、； e =2.71828，自然對數的底。 按式(2-3-5)計算的溫度迴圈應力篩選度見表2-3-2。 表2-3-2 溫度迴圈應力篩選度 次速率 溫 度 範 圍 數 /m20406080100120140160180 250.16830.23490.28860.33240.36970.40230.43120.4572 0.4809 2100.20970.40310.48120.54100.58910.62900.66290.6920 0.7173 2150.39110.52540.61240.67520.72320.76120.79200.8175 0.8388 2200.47070.61550

30、.70340.76360.80750.84070.86650.8871 0.9037 450.29980.41470.49390.55430.60270.64270.67650.7054 0.7305 4100.49690.64370.73080.78930.83120.86240.88630.9051 0.9201 4150.62920.77480.84980.89450.92340.94300.95670.9667 0.9740 4200.71980.85220.91200.94410.96290.97460.98220.9873 0.9907 650.41410.52220.64000.

31、70250.74960.78840.81600.8401 0.8601 6100.64310.78730.86030.90330.93060.94090.96170.9708 0.9774 6150.77420.89310.94180.96570.97890.98640.99100.9939 0.9958 6200.85170.94320.97390.98680.99290.99600.99760.9986 0.9991 850.50950.65740.74390.80140.84220.87230.89530.9132 0.9274 7 8100.74690.87310.92750.9556

32、0.97150.98110.98710.9910 0.9936 8150.86250.94930.97740.98890.99410.99670.99810.9989 0.9993 8200.92150.97810.99230.99690.99860.99970.99970.9998 0.9999 1050.58980.73790.81780.86740.90050.92730.94050.9929 0.9623 10100.82040.92420.96240.97960.98830.99300.99560.9912 0.9982 10150.91630.97590.99130.99640.9

33、9840.99920.99960.9998 0.9999 10200.95850.99160.99770.99930.99970.99990.99990.9999 0.9999 1250.65680.79940.87040.91150.93730.95440.96610.9744 0.9804 12100.87260.95480.98050.99060.98520.99740.99850.9991 0.9995 12150.94900.98860.99660.99880.99960.99980.99990.9999 0.9999 12200.97800.99680.99930.99980.99

34、990.99990.99990.9999 0.9999 3.3.3 溫度迴圈應力故障率計算 D = Ln (1-SS) / N (2-3-6) 式中：D 故障率，平均次迴圈； SS 篩選度； N 迴圈次數。 各參數組對應的故障率見表2-3-3。 3.3.4 溫度迴圈應力激發的故障模式或影響 使塗層、材料或線頭上各種微細裂紋擴大；使粘接不好的接頭鬆馳；使螺釘連接或鉚接不當的 接頭鬆馳；使機械張力不足的壓配接頭鬆馳；使品質差的焊點接觸電阻加大或開路；粒子污染；密 封失效。 表2-3-3 溫度迴圈故障率(D ) 速 率溫 度 循 環 範 圍 /min20406080100120140160180 5

35、0.0891 0.1339 0.1703 0.2020 0.2308 0.25730.28210.30550.3278 100.1717 0.2580 0.3281 0.3893 0.4447 0.49580.54360.58880.6317 150.2480 0.3726 0.4739 0.5623 0.6423 0.71610.78520.85040.9125 200.3181 0.4779 0.6077 0.7212 0.8237 0.91841.00701.09061.7702 3.4 掃頻正弦振動應力 3.4.1 掃頻正弦振動應力的篩選度計算 SS =1exp0.000727(G)0

36、.863 t (2-3-7) 式中：G高於交越頻率的加速度量值，g； t振動時間，min。 按式(2-3-7)計算的結果見表2-3-4。 3.4.2 掃頻正弦振動應力的故障率 D = Ln (1SS ) / t (2-3-8) 式中：D 故障率，次h； SS篩選度； t時間，h。 按式(2-3-8)計算的結果也見表2-3-4。 表2-3-4 掃頻振動篩選度和故障率 時 間 加 速 度 量 值 （g） Min0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0 5.0020 .0036 .0051 .0066 .0080 .0099 .0107 .0120 .01

37、32 .0145 .0157 .0169 .0181 .0193 10.0040 .0072 .0103 .0131 .0519 .0186 .0212 .0238 .0263 .0287 .0312 .0355 .0359 .0382 15.0060 .0108 .0154 .0196 .0289 .0278 .0316 .0354 .0391 .0428 .0464 .0499 .0534 .0568 20.0080 .0144 .0204 .0261 .0316 .0368 .0420 .0470 .0519 .0566 .0614 .0660 .0705 .0750 25.0099 .

38、0180 .0255 .0325 .0393 .0458 .0522 .0584 .0644 .0703 .0761 .0818 .0874 .0929 8 30.0119 .0216 .0305 .0389 .0470 .0547 .0623 .0696 .0768 .0838 .0906 .0937 .1039 .1101 35.0139 .0251 .0355 .0452 .0546 .0636 .0723 .0807 .0890 .0970 .1049 .1122 .1201 .1275 40.0159 .0287 .0404 .0515 .0621 .0723 .0822 .0917

39、 .1010 .1101 .1189 .1276 .1361 .1444 45.0178 .0322 .0454 .0578 .0696 .0810 .0919 .1026 .1129 .1230 .1328 .1424 .1517 .1609 50.0198 .0357 .0503 .0640 .0770 .0895 .1016 .1133 .1246 .1357 .1464 .1569 .1671 .1771 55.0217.0392 .0552 .0701 .0844 .0980 .1112 .1239 .1362 .1482 .1598 .1711 .1822 .1980 60.023

40、7.0427 .0600 .0763 .0917 .1065 .1207 .1344 .1476 .1605 .1730 .1852 .1970 .2089 D .0240.0436 .0619 .0793 .0962 .1126 .1286 .1443 .1597 .1749 .1899 .2048 .2194 .2339 3.4.3 掃頻正弦振動應力激發的故障模式或影響 使結構部件、引線或元器件接頭產生疲勞，特別是導線上有微裂紋或類似缺陷的情況下； 使電纜磨損，如在鬆馳的電纜結處存在尖緣似的缺陷時； 使製造不當的螺釘接頭鬆馳； 使安裝加工不當的IC離開插座； 使受到高壓力的匯流條與電路板的

41、釺焊接頭的薄弱點故障； 使未充分消除應力的可作相對運動的橋形連接的元器件引線造成損壞，例如電路板前板的發光 二極體或背板散熱板上的功率電晶體； 已受損或安裝不當的脆性絕緣材料出現裂紋。 3.5 隨機振動應力 3.5.1 隨機振動應力的參數 隨機振動應力的參數有： 頻率範圍、加速度功率譜密度(PSD)、振動時間、振動軸向數。 其振動譜可參閱圖2.3.3。 3.5.2 隨機振動應力篩選度 隨機振動應力篩選度的計算式如下： SS=1exp0.0046(Grms )1.71 t (2-3-9) 式中：Grms加速度均方根值，g； Grms =（A1 A2 A3 ）1/2 ； (2-3-10) A1 、

42、A2 、A3 隨機振動譜的面積，g2 (見圖2.3.3)； t動時間，min。 3.5.3 隨機振動應力故障率計算 隨機振動應力的故障率計算式 如下： D = Ln (1-SS) / t (2-3-11) 式中：D 故障率，平均次h； SS篩選度； t時間，h。 按照式(2-3-9)計算的篩選度和按照 式(2-3-11)計算的故障率數值見表 2-3-5。 表2-3-5 隨機振動篩選度和故障率 時間 加 速 度 均 方 根 值 (g) min0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0 5.007.023.045.012.104.140.178.218.2

43、60.303.346.389.431.478 10.014.045.088.140.198.260.324.389.452.514.572.627.677.723 15.021.067.129.202.282.363.444.522.595.661.720.772.816.854 20.028.088.168.260.356.452.543.626.700.764.817.861.896.923 25.035.109.206.314.424.529.625.708.778.835.880.915.941.959 30.041.129.241.363.484.595.691.772.836.88

44、5.922.948.966.979 35.048.149.275.409.538.651.746.882.878.920.949.968.981.989 加速度功率譜 密度 g2/Hz +3db/oct 3db/oct A1 A2 A3 頻率HZ 0 20 80 350 2000 圖2.3.3 隨機振動譜示意 9 40.055.168.308.452.586.700.791.860.910.944.966.981.989.994 45.061.187.339.492.629.742.829.891.933.961.978.988.994.997 50.068.205.369.529.668.7

45、78.859.915.951.973.986.993.996.998 55.074.224.397.563.702.809.884.938.964.981.991.996.998.999 60.081.241.424.595.734.836.905.948.973.987.994.997.9991.00 D.084.276.552.9031.321.802.352.953.614.325.095.906.777.69 3.5.4 隨機振動應力激發的故障模式或影響 隨機振動應力激發的故障模式或影響與正弦掃頻振動應力相同，但故障機理更複雜，發展故障 的速度要比掃頻正弦振動應力快得多，這是由於隨機振

46、動能同時激勵許多共振點的作用結果。 3.6 篩選效果對比 3.6.1 溫度應力對比 a) 對恒定高溫應力的分析 恒定高溫篩選的篩選度與溫度增量、篩選時間密切相關，但其量值很小，由表2-3-1查得當溫度 增量為最大(80)、老煉篩選時間最長(200h)時，篩選度為0.9912。恒定高溫的故障率只與溫度增 量有關，其值也很小，同樣從表2-3-1查得溫度增量最大(80 )時故障率為平均0.0237次h。即為 了暴露1個缺陷，用溫度增量為80的恒定高溫進行篩選平均需要42個小時。如果按有些產品以 45 (溫度增量為20)高溫進行老煉篩選的話，其故障率為 0.0104次/h，需要平均老煉100小時才能暴

47、露 1個缺陷。因此可見，為了達到消除早期失效的目的，用恒定高溫的老煉篩選時間要很長，不僅篩選 效率低下，而且有可能要影響產品的使用壽命。 故障率低和可能影響產品的使用壽命是恒定高溫篩選應力的致命缺點。 b) 對溫度迴圈應力的分析 溫度迴圈應力的篩選度與溫度範圍、迴圈次數有關，並且與溫度變化速率關係最密切，即溫度 升降速率越大，其篩選度也越大。由表2-3-2可查得溫度範圍為180、迴圈次數為4、溫度變化速率 為20/min時，篩選度為0.9907。歸一化後其故障率與溫度變化範圍和溫度變化速率成正相關。由 表2-3-3可查得,當溫度變化範圍為80、溫度變化速率為5/min時溫度迴圈應力的故障率平均

48、為 0.2020次/迴圈，一般每個迴圈時間在3.54.0小時之間，因此該應力的故障率相當於平均0.0505次 /h0.0577次/h之間。 因此，故障率高、篩選效率高、不會影響產品使用壽命是溫度迴圈應力的特點。 c) 溫度應力的比較 由上分析可知，溫度變化範圍為80、溫度變化速率為5/min的溫度迴圈應力的故障率是溫度 增量為80的恒定高溫應力的2倍多(0.0505與0.0237之比)。而且在工程上要實現前者比後者容易得 多。溫度增量為80的恒定高溫應力要讓產品經受105（8025）高溫的相當長時間的工作過程， 平均42小時才能暴露1個故障。而溫度迴圈應力，通常採用溫度交變試驗箱，此類設備對溫

49、度範圍為 80（由35變化到45）、溫變速率為5/min的性能參數是最低的要求，輕易便可實現，此 應力可使產品平均篩選20小時便可以暴露1個故障，比恒定高溫應力的篩選效率高很多。 為了進一步提高溫度迴圈應力的篩選效率，可以通過提高溫度變化率的應力參數來實現。由表 2-3-2可知，當溫度範圍仍為80、溫度變化速率由5/min提高到20/min時，其故障率由平均 0.2020次/迴圈提高到平均0.7212次/迴圈，後者是前者的3.5倍多，即平均5個小時便可以暴露1個缺 陷。 當然，溫度交變試驗箱要實現20/min的溫變速率，需要大幅度地增加升降溫系統的功率，甚 至要在機械致冷的基礎上加裝液態氮致冷

50、系統及其控制裝置。這需要增加投入。為了提高篩選效率、 減少篩選對產品壽命的影響，提高溫變速率是最好的方法，為此而增加投入也是適宜的。 3.6.2 振動應力對比 一般說來，振動應力是定量環境應力篩選方法才採用的應力，它可以暴露溫度迴圈暴露不了的 某些缺陷。據統計，對電子設備而言，溫度應力平均可以暴露79的缺陷，而振動應力平均可以暴 露21的缺陷。因此，振動是不可缺少的篩選應力。掃頻正弦振動臺和隨機振動臺都可以作為振動 環境應力篩選的設備，但由表2-3-4和表2-3-5的資料可以比較它們的故障率(即篩選效率)。 我們按照GJB 1032電子產品環境應力篩選標準要求的典型的隨機振動譜 (見圖2.3.

51、3)算得其 加速度均方根值為7.2g，取為7g；設持續時間為5min，查表2-3-5得篩選度為0.478、故障率為 10 7.692次/小時。同樣設掃頻正弦振動的加速度為7g、持續時間為5min，查表2-3-4可得篩選度為 0.0193、故障率為0.2339次/小時。兩種振動應力的故障率相差甚大，隨機振動是掃頻振動的33倍！ 幾種應力的篩選度和故障率的對比見表2-3-6。 表2-3-6 篩選應力效果對比 項 目 恒溫45 恒溫105交變80 5/min 交變80 20/min 掃頻 7g 5min 隨機 rms7g 5/min SS0.87610.9912 中等高 0.01930.478 D(

52、1/h)0.01040.02370.20200.72120.233970.692 H/次故障100425240.30.13(70.8min) 影響壽命較大較大基本不影響不影響不影響不影響 試驗設備造價低低較低較高低較高 當然，只有隨機振動控制設備和與之配套的電磁振動臺才能提供隨機振動應力，其設備價格要 比掃頻振動臺昂貴，但是為了提高篩選效率，最大限度地消除早期故障，這個投入還是合算的。 3.6.3 結論 a) 經典的老煉工藝與常規的恒溫篩選對暴露產品的缺陷有一定的作用，但其篩選度和故障率數 值很小，效率十分低，需要用相當長的時間才能達到消除早期失效(缺陷)的效果，因而可能會影響 產品的使用壽命

53、，有必要改用定量環境應力篩選方法。 b) 如果採用常溫考機的辦法作為產品出廠的依據，在幾百小時內暴露不了一個缺陷，也說明不 了產品的可靠性有什麼樣的水準，此法意義不大。 c) 定量環境應力篩選，需要採用溫度迴圈應力，其效率已比恒定高溫老煉篩選大為提高；就溫 度迴圈篩選而言，提高溫變速率又是進一步提高篩選效率、減少篩選對產品使用壽命影響的最佳方 法，我們要為此項篩選創造條件。 d) 定量環境應力篩選，需要採用振動應力，其中又可以採用掃頻正弦振動或隨機振動方式，但 從篩選效率對比可知，隨機振動方式是最佳的應力。為了提高篩選效率、減少振動應力篩選對產品 結構件壽命的影響，應創造條件採用隨機振動方式。

54、 4. 環境應力篩選方案設計 4.1 設計原則 環境應力篩選試驗方案的設計原則是：使篩選應力能激發出由於潛在設計缺陷、製造缺陷、元 器件缺陷引起的故障；所施加的應力不必類比產品規定的壽命剖面、任務剖面、環境剖面；在試驗 中，應模擬設計規定的各種工作模式。 根據條件和是否必要來確定常規篩選或是定量篩選；根據不同階段和產品的特徵制訂篩選方案。 4.1.1 研製階段的篩選 研製階段一般按照經驗得到的篩選方法進行常規篩選.，其主要作用是：一方面用於收集產品中 可能存在的缺陷類型、數量及篩選方法效果等資訊；另一方面，在可靠性增長和工程研製試驗前進 行了常規試驗，可節省試驗時間和資金；同時利於設計成熟快捷

55、的研製試驗方法。 研製階段的常規篩選要為生產階段的定量篩選收集資料，為定量篩選作準備,設計定量篩選的大 綱。 4.1.2 生產階段的篩選 生產階段的篩選主要是實施研製階段設計的定量篩選大綱；並通過記錄缺陷析出量和設計估計 值的比較，提出調整篩選和製造工藝的措施；參考結構和成熟度相似產品的定量篩選經驗資料，完 善或重新制訂定量篩選大綱。這些經驗資料主要有： 故障率高的元器件和元件型號；故障率高的產品供貨方；元器件接收檢驗、測試和篩選的資料； 以往篩選和測試的記錄；可靠性增長試驗記錄；其他試驗記錄。 4.2 設計依據 4.2.1 依據產品缺陷確定篩選應力 4.2.1.1 影響產品缺陷數量的因素 如

56、前所述，產品在設計和製造過程引入的缺陷主要是：設計缺陷、工藝缺陷、元器件缺陷。這 些缺陷可歸納為兩種類型，一是固有缺陷，它是存在於產品內部的缺陷，如材料缺陷、外購元器 11 （部）件缺陷和設計缺陷；二是誘發缺陷，它是人們在生產或修理過程中引入的缺陷，如虛焊、連 接不良等。這些缺陷的可視缺陷或用常規檢測手段便可發現缺陷，可在生產中被排除；除此之外的 缺陷便成為潛在缺陷，構成裝備的早期故障根源。裝備的早期故障一般要經過100小時以內的工作才 能暴露，從而被排除。 影響產品缺陷數量的主要因素有： 產品的複雜程度。產品越複雜，包含的元器件類型和數量越多、接頭類型和數量越多，則設計 和裝焊的難度越大，設

57、計製造中引入缺陷的可能性越大。同時也增加環境防護設計的難度。 元器件品質水準。元器件品質水準是裝備缺陷的主要來源，元器件品質水準包括品質等級和缺 陷率指標兩個方面，後者用PPM表示，一般生產廠要在說明書中表示。這是定量篩選方案設計的重要 依據。 組裝密度。組裝密度高，元器件排列擁擠，裝焊操作難度大，易碰傷元器件，工作中散熱條件 差，易引入工藝缺陷和使缺陷加速擴大。 設計和工藝成熟程度。設計和工藝的成熟程度的提高，可以大大地減少產品的設計缺陷和工藝 缺陷的種類及其數量。一般，在研製階段，在結構設計定型之前，設計缺陷占主導地位；在生產階 段，設計缺陷減少，元器件缺陷和工藝缺陷比例增加，並且隨著設計

58、的改進和工藝的不斷成熟，元 器件缺陷將占主導地位。 製造程序控制。製造程序控制主要是品質控制，包括採用先進的工藝品質控制標準和管理制度， 管理控制得越嚴格，引入缺陷的機會就越少。 4.2.1.2 環境應力對缺陷的影響 現場環境應力是影響缺陷發展成故障的主要因素。任何缺陷發展成為故障都需要受到一定強度 應力經過一定時間的作用，產品只有受到能產生等於或大於閾值的環境應力才能使某些缺陷變為故 障；在某些溫和的環境應力中，許多缺陷不會發展為故障。因此，只有選擇能暴露某些缺陷的應力 作為篩選的條件，才能達到篩選的目的。常用的應力所能發現的典型缺陷見表2-4-1。據統計，溫度 應力可篩選出80的缺陷，振動

59、應力可篩選出20左右的缺陷。 表2-4-1 常用應力能發現的典型缺陷 溫度迴圈應力振動應力溫度加振動應力 粒子污染焊接缺陷元器件參數漂移 電路板開路、短路壓緊導線磨損硬體松脫 晶體缺陷 元器件安裝不當混裝元器件缺陷 錯用元器件鄰近板摩擦緊固件問題 密封失效相鄰元器件短路元器件破損 導線松脫電路板蝕刻缺陷 導線束端頭缺陷元器件粘接不良 夾接不當機械性缺陷 大品質元器件緊固不當 4.2.2 根據缺陷分佈確定篩選等級 4.2.2.1 缺陷分佈 缺陷在裝備研製生產的不同階段的類別和分佈是變化的，因此在制定篩選大綱時要根據產品缺 陷的分佈確定篩選等級。在研製階段，設計缺陷的比例最大；在生產初期，設計缺陷

60、比例下降，工 藝缺陷比例增加，占最大比例；在生產成熟階段，設計和工藝趨於成熟，個人操作熟練，元器件缺 陷比例變得最大，此時設計缺陷一般只占5以下，工藝缺陷在30以下，而元器件缺陷可占 60以 上。表2-4-2是不同裝備在單元或模組組裝等級進行環境應力篩選暴露的缺陷比例，反映了缺陷的分 佈情況，可作參考。 表2-4-2 各種產品篩選的缺陷比例 12 硬體類型篩選組裝等級 溫度篩選故障%振動篩選故障% 飛機發電機單元 5545 電腦電源單元 8812 航空設備電腦單元 8713 艦載電腦單元 937 接收處理機單元 7129 慣性導航裝置單元 7723 接收系統單元 8713 機載電腦模組 871