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按有關標準進行ESS時常遇（yù）到的問題

作者：網絡編輯：草莓视频网站儀器來源（yuán）：網絡發布日期： 2020.11.14

    自（zì）20世紀70年代，以美國為首的發（fā）達國家在（zài）嚐到ESS的甜頭之後，紛紛（fēn）以文件（jiàn）或標準的形式要求裝備研製生（shēng）產中須開展此項工（gōng）作。其中具影（yǐng）響力的文獻當屬MIL-STD-2164《電子設備環境應力篩選方法》和DoD-HDBK-344《(電子設備環境應力（lì）篩選（xuǎn）》，前者明確了常規篩選的方法，後者為定量（liàng）篩選提供（gòng）了指導。緊密跟（gēn）蹤國（guó）外先進的（de）科研生產技術，我國以2164標準為藍本製定了GJB1032-1990《電子產品環境應力篩（shāi）選方法（fǎ）》，以344手冊為藍本製定了GJB/Z34-1993《電子產（chǎn）品定量環境應力篩選指南》。CJB/Z34內容先進、方法科學合理，但由於篩選條件（jiàn）的製定要依據元器件的缺陷率和所（suǒ）施加（jiā）應力的篩選度等，而元器（qì）件（jiàn）缺陷率是一估計值，且隨著大規模集成電路和新研模塊在產品上的大量應用，缺陷率估計值的可信（xìn）性越來越小，加上GJB/Z34隻適用於（yú）純電子產品（pǐn），所以武器裝備研製和生產中很少按GJB/Z34進行定量篩選。相反，GJB1032在裝備研製與生產中得到了（le）廣泛應用，為剔除產品的早期故障提供了有效手段，在保證裝備的質量與可靠性方麵發揮了積極作用。隨（suí）著實踐的（de）不斷深人，人們發現GJB1032中（zhōng）的一（yī）些規定（dìng）過於死板，嚴格按該標準進行（háng）篩選（xuǎn）時往往達（dá）不（bú）到應有的目的。下麵就結合工程實踐（jiàn）中常遇到的一些問題談一（yī）些體會。
    1.1 適用範圍
    GJB1032第1節明確，本（běn）標準適用於地麵（miàn）固定設備、地麵（miàn）移動設備艦船用設備、飛機用設備（bèi）及外掛、導（dǎo）彈用設備上的電子產品，且在其第五節明確了（le）篩選條件:80~ 120h的溫度循環和10 ~ 20min .0.04g/Hz的隨機振動。這是不合適的，因為ESS的目的是剔除早期缺陷，同樣的產品用在不同（tóng）環境中表現出（chū）的故障（zhàng）特征是（shì）不一樣的。舉一個簡單的例子來說，設某電子產品中存在固有缺（quē）陷a.b.c .d。當將（jiāng）其用在（zài）導彈上時因為使用環境嚴（yán）酷，其固有缺陷ab.e可能會以早（zǎo）期故障的形式暴露出來，因此應針對固有缺（quē）陷a、b、c設計合理的篩選方案X，將a、b、c以早期故障的形式暴露出來。當將（jiāng）其用在地麵（miàn）固定設備上時（shí），因為使用環境（jìng）溫和則（zé）可能僅固有（yǒu）缺（quē）陷a會以早期（qī）故障的形式暴露出來，因此應針對固有缺陷（xiàn）a設計合理的篩（shāi）選方案Y。顯（xiǎn）然方案Y明顯不同（tóng）於方案（àn）X。所以（yǐ），篩選條（tiáo）件雖不模擬（nǐ）產品的實際使用環境，但在製（zhì）定產品（pǐn）篩選方案時應考慮產品的使用（yòng）環境。
    1.2 每個溫度循（xún）環的時間.
    G，JB1032第1節明確:“篩選產品可（kě）以是（shì）印刷電路板組裝件、電（diàn）子組件或整機”。從理論上講，對於簡單的（de）印刷電路板（bǎn）組裝件，沒有必要進行80~ 120h的溫度循環。因為溫（wēn）度循環不同於溫度老煉，其激（jī）發產品潛（qián）在缺陷的有效性主要在於（yú）溫度變化導致（zhì）產品熱脹冷縮而產生的應力（lì），而不是較長時間的恒定溫度累（lèi）積效應。從測試的一些數據看（kàn），對由印刷電路板組成的簡單組裝件，一般（bān）0.5h的溫度保持（chí）時間已（yǐ）足（zú）夠（gòu）使產品達到（dào）熱平衡。再考慮升降溫時間（jiān），一般一個循環（huán）需要2h左右就可以，而不（bú）需要取GJB1032中的3h20min或4h。相反，對於熱慣性較大的複雜（zá）電子設備，即使4h的循環時間（jiān）也達不（bú）到（dào）應有的篩選效果。如某型導引頭的（de）溫度穩定時間大於3h，再考慮升降溫時間（jiān），一般一個循環約需要7h。因此應根據產品的溫度穩定時間確定溫度循環持續時間。
    1.3溫度循環（huán）高（gāo）低溫保持時（shí）間的確定
    GJB1032附錄B詳（xiáng）細規定了溫度循環中高（gāo）低溫保持時間的確定方法，具有很強（qiáng）的操作性，但±10℃的溫度允差範圍明顯不合（hé）適。雖然篩選的溫度循環效應主要在於通過溫度變化導致不同材料的變形不一而使缺（quē）陷激發為故障，但（dàn）對大多數電子元器件而（ér）言，-45~ - 55℃的低溫極限是一關。如（rú）某器件在-45℃能正常工作，但在（zài）-50℃很可（kě）能不能工作。再者，許多（duō）電子元器件的失效率隨著溫度的升高呈幾（jǐ）何級數增加。設某產品的篩選溫度（dù）極限為（wéi）-50~ 70℃，按GJB1032的規定，隻要產（chǎn）品上2/3的典型部位的溫度達到-40℃，就可（kě）通電測試產品（pǐn）(測試時間一般較短，測試（shì）時產品溫度降不到（dào）- 50℃);然後升溫，隻要產品上2/3的典（diǎn）型部（bù）位的溫度達到60℃ ，就可通電（diàn）測（cè）試產品(測試（shì）時產品溫度升不到70℃)。即產品上典型部（bù）位的溫度大都在- 40~ 60℃之間變化。這樣會導（dǎo）致（zhì）2個問（wèn）題:一是低溫環境考核不足，通過了篩選的（de）產（chǎn）品可能在- 50℃的使用環境下不能（néng）正常工作;另一個是高溫階段的失效率明顯下降，即高溫階段本來應暴露的多個潛在缺陷隻能暴露（lù）較少（shǎo）一部分，達不到篩選效果。這一點可（kě）從國外某產品（pǐn）的（de）篩選方案得到印證:某電子設備溫度循環中的高低溫保持時間是以探針測得的溫度為準，即篩選中將探針（zhēn）連接到受篩產品（pǐn）的典型部位（wèi），當探針指示溫度在極限（xiàn）溫度的±2℃時，才認（rèn）為達到要求，所以（yǐ）應以±2℃的溫度允差來確定溫度循環中的高低溫（wēn）保（bǎo）持時間。
    1.4 溫度變化速率
    GJB1032第5.1節明（míng）確（què）:“溫度循環的溫度變（biàn）化率（lǜ）為5℃/min”。這一規（guī）定顯然不適用於所有（yǒu）層次（cì）的產品，因為（wéi）溫度循環的（de）有效性取決於產品上響應的溫度變化（huà），而不是由溫度（dù）循環試驗箱內（nèi）空氣（qì）溫度的變化率來（lái）決定。筆者曾對某複雜飛控設備B進行過溫度（dù）測試，設定溫度範圍為-55~ 70℃，溫度變化（huà）率為5℃/min，以設備上關鍵器件的溫度達（dá）到規定值(上下限溫度值的±2℃ )計算溫度響應時間。測得結果為:全程平均的升、降溫速率分別為1.56℃/min.- 1.40℃/min。假設將某簡（jiǎn）單電子（zǐ）組件A和飛控（kòng）設備B放在溫度循環試驗箱內（nèi），按上述條件進行溫度循環。由於產品A的熱慣性較小（xiǎo），產品A能（néng）很快響應試驗箱內（nèi）的溫度變化，設其全程平均的升降溫速率均為（wéi）4.5℃/min。按（àn）GJB/Z34提供的溫度循環篩選度（dù）公式（shì）(見式1)，假設都進行5個溫度循環，可計算出產品A和設備B的篩選度分別為:0.697和0.366(飛控（kòng）B的溫度變化（huà）率按升降溫速率的平均值1.48℃/min 計算)。
    SS=1-exp{-0.0017(R+0.6 )0[In(e+ζ)]3xN }
    式中:R——溫度循環（huán）中的（de）溫（wēn）度變化範圍，℃
    ζ——溫度變化速率， ℃/min;
    N——循環次數;
    E——自然對數的（de）底。
    可見同樣的篩選（xuǎn）條件，不同產品內的（de）缺陷以故障形式析出的概率明顯不同。要想使（shǐ）設備（bèi）B達到與產品A同樣的篩選度、同樣的篩選溫度範圍和溫變（biàn）率，需要將溫度循環數增加到13個，因此實際應用中應根據產品熱慣性（xìng）和（hé）試（shì）驗設備的能力等確定溫度變化率。對於（yú）熱慣性（xìng）大的產品，較大的（de）箱內溫度（dù）變化（huà）率要（yào）求（qiú）不但（dàn）對設備要求苛刻、浪費了（le）資源，更主要的是篩選度的提高很有限。筆（bǐ）者曾對飛控設備（bèi）B用10℃/min的溫度變化率進行摸底測（cè）試，測得結果為:全程( -55 ~ 70℃)平均的升、降溫（wēn）速率分別為（wéi）1.80℃/min .-1.64℃/min，按式(1)計算，其篩選度提高到（dào）0.400，僅提高了（le）不到10個百分點。
    1.5 溫（wēn）度（dù）循（xún）環數
    G，JB1032第5.1節明確:“在缺陷剔除試驗中，溫度循環為10次或12次，相應（yīng）時間為40h。在無故障檢驗中為10~20次或12~24次，時間為40~80h”。這一規定顯然也不適用於所有產品。從不同環境對產品壽命的效應影響來看（kàn），雖然極限溫度範圍內的（de）溫度循環對產品壽（shòu）命影響遠比隨機振動小.得多，但篩選尤其會影響（xiǎng）產品的生產（chǎn）周期。實踐中溫度循環數的多少（shǎo）應視產（chǎn）品的複雜程度而定:組成簡單的產品，溫度循環數可適當（dāng）減少;組成複雜的產品，溫度（dù）循環數（shù）可適當增多（duō）。如某精確製導炸彈在科研（yán）試製階段（duàn）曾按GJB1032的規定嚴格進行（háng）20個（gè）溫度循環，該階段研製的20多發產品在（zài）篩選中的表現是:若（ruò）產品在前4個溫度循環（huán）中無故障（zhàng），則產品在以後的16個（gè）溫度循環中也無故（gù）障。基於這-.實踐，在設計定型階段調整了（le）篩選方案:將試製階段的20個溫度循環（huán）數調整為5個，即（jí）保（bǎo）證產品經曆5個完整的溫度循環，且應無故障通過後（hòu）1個溫度循環。由於針對試製階段的問（wèn）題采取了（le）有效的糾（jiū）正措施，設計定型階段研製（zhì）的18發產品在篩選中僅有3發在溫度循環中出現故障，分別（bié）是在第（dì）1.2.3循環中出現（xiàn）的，經分析都是偶發性故障。從通過了篩選的產品（pǐn）在設（shè）計定型環境鑒（jiàn）定試驗、可靠性鑒定試驗和（hé）外場靶試的表現來（lái）看，未發現因篩選不充分導致的早期故障，因此在產品設（shè）計定型（xíng）後仍采用了（le）此篩選方案。
    1.6 振動應力
    GJB1032第5.2節詳（xiáng）細規定了篩選用隨機振動的譜形、量值、振動時間、施（shī）振軸向、振動控製點（diǎn）、監測點等試驗參數。筆者（zhě）認（rèn）為施振軸向、振動控製點、監測點的規定適用（yòng）於工程實際，但對每種產品（pǐn）都施加同樣譜型、同樣量值、同樣時間的振動明顯不合適。雖然篩選的（de）目的是剔除產品中（zhōng）可能（néng）發展為早期（qī）故障的潛在缺陷，但其前提是（shì）不能過多消耗產品的有效壽命。不同產品有不同的壽命要求，篩選用振動應考慮產品的（de）壽命和（hé）使用環境而設置。如某製導彈的掛飛壽命較短(10h)，結合產品的外（wài）場實（shí）測結果，得出其耐久振（zhèn）動試驗譜型見圖1，耐（nài）振時間為Y向20min，將其與GJB1032給出的試驗條件(見圖2，振動敏感軸向至少振（zhèn）動（dòng）10min) 比較可知:若按GJB1032的規（guī）定嚴格進行（háng）篩選，單隨機振（zhèn）動- -項，幾乎消耗掉了產品的耐振壽命。不但圖2中的均方根（gēn）值( 6.06g)比產品（pǐn）的（de）耐久振動（dòng）的均（jun1）方根值(5.17g)大，且圖2的功率譜密度曲線幾乎包含了產品的耐久振動功率（lǜ）譜密度曲線（xiàn）。因此應根據產品的壽命特征值、未來（lái）使用環境和設計極限等來確定篩選中的振動應力。

耐久振動試驗