環境應力篩選（ESS）誘發故障機理及應力參數的確（què）定
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發布（bù）日期： 2020.11.19
環境應力篩選（ESS）是通過向產品施加加速環境應力，將存（cún）在於產品內部的潛在缺陷（xiàn）在短時間內變成（chéng）故障，並加以發現和排除的過程。環境應力篩選不是一般接受/拒收意義上的（de）試驗，而（ér）是一種工藝手段，是發現和剔除不（bú）良元器件、工藝缺陷、設計缺陷及其它原因造成的早期故障的有效工藝手段（duàn），它不（bú）僅應用於產品的生產階段，而且還應用於產品的研製階（jiē）段。產品經過環境應力篩（shāi）選，其使用可靠性可以（yǐ）得（dé）到大幅度提高。
原則上，凡能將產品中潛在缺陷激發（fā）為（wéi）故障的應力，均可用於篩（shāi）選。實（shí）踐經驗表（biǎo）明，不同應力（lì）在激發產（chǎn）品內部缺陷效（xiào）果上存在很（hěn）大差異。篩選應力必須選擇那（nà）些激發（fā）產品（pǐn）內部缺陷十分有（yǒu）效的應力。從美國環境（jìng）科學協會（IES）搜集的曆年資料中可（kě）以發現，溫度循（xún）環（huán）是有效的篩選應力方法，其（qí）次是隨機振動。在暴露的缺（quē）陷中約80%是對溫度循環響應的結果，約20%是對（duì）隨（suí）機振動響（xiǎng）應的結果。實踐證明，溫度循環（huán）和隨機振動組成的ESS篩選方法是消除產品潛（qián）在缺陷經濟有（yǒu）效的手段。因（yīn）此，環（huán）境應力篩（shāi）選常選擇的應力就是溫度（dù）循環和隨機振動。
1、誘發故障機理
溫（wēn）度（dù）循環和隨（suí）機振動誘發故障機理的不同，決定它們所激發（fā）的缺陷類型也不一樣。
產品在經受溫度循（xún）環時，內部交（jiāo）替膨脹和收縮，使其產生熱應力和應變。當產品內（nèi）部存在瞬時的熱梯（tī）度，或產品內部鄰接材料的熱膨脹係數不匹配時，這些（xiē）應力和應變將（jiāng）會加劇，並在潛在缺陷處出現應力集中，多次循環將會累積這種效應，終使缺陷變成故障。隨機振動是在很寬的頻率範圍（wéi）內對產品施加振動（dòng）應力，產（chǎn）品在不同（tóng）的頻率上同時受到應力，並在許多諧振點上同時受到激勵，從而使安裝不當的元件受扭曲﹑碰撞，產品的結構鬆動或磨損甚至（zhì）破壞。可以這樣說，溫度循環在揭示元器件的缺陷方麵起主要作（zuò）用，而隨機振動在揭（jiē）示工藝和組裝缺陷方麵起主要作用。
采（cǎi）用隨機振動-溫（wēn）度循環-隨機振動組（zǔ）合方式的篩選順序，有利於這2種（zhǒng）應力間的協同作用，加速激發（fā）和暴露產品內部（bù）的潛在缺陷。
2、應力參數的確（què）定
環境應力（lì）篩選使用的應力主要是激發故障，而不是（shì）模擬工作環（huán）境，對於篩選出的故障（zhàng）不僅沒有數量上的限製，而且在費用和時間允（yǔn）許的情況下，希望把盡可能多的缺陷變為故（gù）障並加以排除。環境應力篩選所用的應力雖然是加（jiā）速應力，但不能超出產品設計的極限，不能讓受篩產（chǎn）品因為篩選而使其性能下降或壽命降低。一個經濟有效的（de）環境應（yīng）力篩選，確定合理的應力參數非常關鍵。
2.1溫度循環應力參數的確定
在溫度循環（huán）諸參數中，對篩選效果有影響的是（shì）溫度變化範圍（或高.低溫極值（zhí））、溫度變化（huà）速（sù）率以（yǐ）及循環次數。
2.1.1 溫度變化範圍
溫度變化範圍表明了產品在每一個循環中經受的熱應力/應變，它由高、低溫極值決定（dìng）。選擇溫度極值的關（guān）鍵是給產品施加適當應（yīng）力以（yǐ）析出缺陷而（ér）不損壞好的產品。溫度極值的選定（dìng）必須考慮2個關鍵因素:組件的.貯存溫度;組（zǔ）件設計的工作溫度和工作（zuò）溫度。
確定的（de）溫度極值應當（dāng）是受篩產（chǎn）品所經受的溫度不應超過（guò）構成產品各組件的各個部件﹑元器件和材料的設計值（貯存溫度（dù）和（hé）工作溫（wēn）度）中的小值，溫度不應超過構成產品各組件的各個部（bù）件、元器件和材料的設計（jì）值（貯存溫度和工（gōng）作溫度）中（zhōng）的值。在實（shí）踐中，使用的溫度範圍基本上（shàng）在90~180℃之間，選取的小溫度變（biàn）化範圍是:組件125℃（通常低溫-50℃，高溫75℃），單元110
℃（通常低溫-40℃，高溫70℃），係統100℃（通常低溫-40℃，高（gāo）溫（wēn）60℃）。在上述確定方法的基（jī）礎上，根據產（chǎn）品的設計能力，選取的溫度變化範圍盡可能大，以提高篩選效率。
2.1.2溫度變化（huà）速率
溫度變化速率通常指的是環境應力篩選試驗箱內空氣溫度變化的平均速率。提高溫度變化速（sù）率可加強產品的熱脹冷縮程度並縮短（duǎn）這一過（guò）程的時間，加（jiā）劇熱應力和（hé）應變，因此（cǐ）較高的溫度變化速（sù）率可以提供更（gèng）有效的篩選。由於受產品本身的熱容（róng）量和熱慣（guàn）性的影響，產生在產（chǎn）品上（shàng）的溫（wēn）度響應並不都與環境應力篩選試驗箱內的溫度變化（huà）速率同步，熱容量大的產品往往（wǎng）出現明顯的溫度變化滯後，尤其是受（shòu）篩產品（pǐn）質量大，溫度變化速（sù）率（lǜ）太高，環境應力篩（shāi）選試驗箱風速慢的條件下，這種溫度變化滯後更明顯，從而（ér）達（dá）不（bú）到預期的篩（shāi）選效果。
溫度變化速率的選擇取決於受篩產品的特性，同時還應考慮篩選設備能力。根據美國多年的篩選經驗，印製板組件組裝級的篩選溫度（dù）變化速率常采用15~20℃/min，單元級（jí）的常采用10~20℃/min，設備和係（xì）統級的常采用10~15 ℃/min。
環（huán）境應力篩選試驗箱的風速是影響受（shòu）篩產（chǎn）品溫度響應的重要因素。大的風速加快了（le）環境應力篩選（xuǎn）試驗箱內空氣（qì）溫度的對流速度，保證了受篩產品各組件與環境應力篩選試驗（yàn）箱內（nèi）空氣溫度有良好的熱變（biàn）換，提高了篩（shāi）選效率。為改（gǎi）善受篩產品的（de）溫度響應，可以在組件密度高或熱容量大的部位安裝風扇之類的空氣循環係統，提高這些部位的溫（wēn）度變化速率。美國休斯（sī）飛機公司近的經驗表明，對印製板組件（jiàn）組裝級篩選時，為使硬件溫度緊跟環（huán）境應力篩（shāi）選試驗箱中空氣溫度變化（huà），組件處的空氣速度必須至（zhì）少為4.75
m/s例。對於風速小於5 m/s的環境應力篩選試驗箱，由於受篩產（chǎn）品各（gè）組件與環境應力篩選試驗箱內空氣的熱交換較緩慢，篩選時不宜采用超過15℃/min的溫度變化速率同，過高的溫度變化速率反而會使產品的溫度響應變差，降低了篩選效果。
為尋找佳的溫（wēn）度變（biàn）化（huà）速（sù）率（lǜ），要求對受篩（shāi）產品（pǐn）進行溫度調查，尤（yóu）其對產品的關鍵部位，依據產生（shēng）在產品（pǐn）上的溫度響應結果並結合篩選（xuǎn）設備能力進行確定。
2.1.3循環（huán）次數
產品在經受溫度循環時，溫度的變化使產品內部產生熱應力和應（yīng）變，當產品內部存（cún）在（zài）缺陷時，這種熱應力和應變（biàn）容易在這（zhè）些缺陷部位集中，激發它們終（zhōng）誘發成故障，而溫度循環次數的增加則能累積這種激發效應。循環次數影響篩選的有效性和持續時（shí）間，從而影響篩（shāi）選費用。循環次數越多，篩選越徹底。溫度循環次數的選取與受篩（shāi）產品的結構複雜程度.設計和工藝成熟度密（mì）切相關。結構簡單的產品，溫度循環次數可適當少些;產品結構越複（fù）雜，所需（xū）的溫度循（xún）環次數（shù）也就越多。用（yòng）於（yú）篩選的產品，一方麵希望產品內部潛在缺（quē）陷盡可能析出，另一方麵又（yòu）不至於過分消耗產品的有效（xiào）壽命。對印製板組（zǔ）件來說，一般選擇為20~40個溫度循（xún）環，而對單元和係統來說，常選擇為12~20個溫度循環。
極值溫度的保持時間以及在循環過程（chéng）中（zhōng）產品是（shì）否加電（diàn）監測也是影響溫度循環（huán）篩選效果的重（chóng）要因素。極值溫度保持時間包括（kuò）以下兩段時（shí）間:第1段是受篩產品（pǐn）的組件溫度達到穩定所需要的時間;第⒉段（duàn）是組件在溫度極（jí）值下浸泡所需要的時（shí）間。對於前者，通常有兩種穩定準（zhǔn）則:一種是當產品內響（xiǎng）應慢的元件（jiàn）的溫度與極值溫度之差在極值溫度的15%以內時，就認為達到了溫度穩定（如圖1AT所示）;另一種是在受篩產品的典型部位安裝溫度傳感器（qì）進行溫度調查，當溫度傳感器指示值在極（jí）值溫（wēn）度的±2℃時，才認為（wéi）達到溫度（dù）穩定例。為了縮短溫度穩（wěn）定時間，可采用（yòng）風速（sù）大的環境（jìng）應力篩選試驗箱來篩選，在不影響產（chǎn）品結構強（qiáng）度和各級組件固定連接（jiē）方式的情況下，盡可能去除（chú）機櫃蓋子，加快產品部件周圍的空氣對流速度。對於後者，即浸泡時間，其目的有2個:保證釺料發生蠕變，這段時間一般為5
min;完成功能測試，時（shí）間（jiān）常常大於5 min。因此，對（duì）於不需要監測的產品，浸泡時間為5 min，對於需要監測的產品，浸泡時間則延長至完成功能測（cè）試所需要的時間（ ≥5 min）。由於保持時間是決定效（xiào）費比的主要因素，為達到一個合理的效費比，對受篩產品進行溫度調查是十分必要的。
加電監測是尋找間歇故障（zhàng）的有效（xiào）方法。單元或係統級產品在篩選過程中通常要求加電監測，但對印刷（shuā）線路組件（PWA），由於它們在.工.作環境中不能作為獨立產品使用，同時通常也不（bú）具備功能檢測的條件，一般不加（jiā）電監測。考慮到加電使產品產熱從（cóng）而影（yǐng）響溫度變（biàn）化速率，加電監測時機宜選在兩個極值溫度保持階段和升溫階段。在溫度循環（huán）篩選過程中，增（zēng）加（jiā）性能測試次數，可及時發現故障並加以修複，節（jiē）省篩選時（shí）間，提高篩（shāi）選效果。
2.2隨機振動應（yīng）力參數的確定
隨機振動是在寬頻率範圍上對（duì）產品（pǐn）施加振動，產品上所有諧振頻率在整個振動時間內同時受到激勵，因而能快速析出潛在的（de）缺陷。振動（dòng）篩選的核心是譜形和總量（liàng）值。因此，確定譜形和總量值是確定振動篩選方案的關（guān）鍵（jiàn）。
2.2.1振動譜型和量值
一個充分篩選的振動頻（pín）譜應當是寬帶的，頻率範（fàn）圍常為20~2000 Hz，必要時可依（yī）據（jù）產品情況，將頻率範圍縮小（xiǎo）到100~1000 Hz，以保證（zhèng）受篩產品（pǐn）所有諧振頻率在整個振（zhèn）動時（shí）間內同時受到激勵。常規篩選振動量值一般為0.04
gHz，加速度均（jun1）方根值（Grms）為6.06 g（如圖2所示）。由於產品中缺陷的析出取決於缺陷處的振動響應，而不是取決於振動輸入，因（yīn）此為了能（néng）將（jiāng）產品中的缺陷很好地析出，而又不使敏（mǐn）感的和（hé）關鍵的元器件以及好的元器件損壞，必須（xū）先對產品尤其對振動響應不清楚的產品進行振動調查，摸清（qīng）產品對振動輸入（rù）的（de）響應特性，包括共振頻（pín）率、優（yōu）勢頻率和各組件對（duì）振動輸入（rù）的響應情況（kuàng），再根據產品的振動響應（yīng）特性來確定振動量值，以保證振動輸入的量值大小既能激發（fā）缺陷又不損壞產品，從而達到理想的篩選效果。根據（jù）經（jīng）驗，元件級、組件級篩選（xuǎn）量值通常取0.04~0.045
gHz，而（ér）整機產品或含有不耐振部件的產品篩選量值（zhí）一般低於0.04 g/Hz（通常取0.02~0.04 g/Hz），但具體量值需經過振動調查來（lái）確定。
2.2.2振動軸向和振動時間
隨機振動原則上應在3個軸向進行。但由於產品的結構特（tè）點及複雜程度.內部部件布局（jú）以及產品對不同軸向（xiàng）振動的響應程度不同，振（zhèn）動軸向可以是1個軸（zhóu）向也可以是2個或3個軸向。一般情況下隻（zhī）選取（qǔ）單一軸向振動即可有效地完成（chéng）篩選，但（dàn）這一軸向應是（shì）敏感的軸向，析出的缺陷應遠大於其它2個軸（zhóu）向，具體振（zhèn）動軸向需要（yào）通過對3個互相垂直軸向進行振動調查，確定產品關鍵部（bù）位的響應，找出敏感的軸（zhóu）向，必要時，可以增加振動軸向以使篩選更充分。
振動時間一般（bān）為每軸向5~10 min，累計不超過20 min8。實踐（jiàn）經驗表明，隻要（yào）振動量值合適，10 min的振動（dòng）足以析出（chū）大多數（shù）缺陷3。延長振動時間無益於篩（shāi）選，反而引起疲勞積累損傷，過多地消耗產品的有效壽命。
在進行振動調查和振動篩選時（shí），產品與振（zhèn）動（dòng）篩（shāi）選設備間要求剛性連接，以保證振動輸入盡可能不失真地傳遞給產品。
3、結語
環境應力篩選是（shì）提高產品質量（liàng）和可（kě）靠性（xìng）的有手段。—個有效的篩選通常（cháng）要求溫度變化範圍大.溫度變（biàn）化速率快以及寬帶的隨機振動。對產品確定合適的篩選（xuǎn）應力參數既（jì）可將其內部潛（qián）在缺陷充分析出，又不過分消耗產（chǎn）品的有效壽命或破壞產（chǎn）品，使（shǐ）效費比合理。由於產品的結構特點，複雜程度.功能及使用要求（qiú）千差萬別.產生在產品上的應力（振動.溫度）響應大小不一，因此，不可能存在一個通用的、對所有（yǒu）產品都具在佳效果的（de）篩選方法。為達到佳篩選效果，在確定溫度循環和隨機振動篩選應力參數時，還應當（dāng）對受篩產（chǎn）品進行溫（wēn）度調查及振動響應（yīng）調查，進一步優化篩選應力參（cān）數。
