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按有关标准进行ESS时常遇到的问题

作者：网络编辑：瑞凯仪器来源：网络发布日期： 2020.11.14

    自20世纪70年代，以美国为首的发达国家在尝到ESS的甜头之后，纷纷以文件或标准的形式要求装备研制生产中须开展此项工作。其中具影响力的文献当属MIL-STD-2164《电子设备环境应力筛选方法》和DoD-HDBK-344《(电子设备环境应力筛选》，前者明确了常规筛选的方法，后者为定量筛选提供了指导。紧密跟踪国外先进的科研生产技术，我国以2164标准为蓝本制定了GJB1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》，以344手册为蓝本制定了GJB/Z34-1993《电子产品定量环境应力筛选指南》。CJB/Z34内容先进、方法科学合理，但由于筛选条件的制定要依据元器件的缺陷率和所施加应力的筛选度等，而元器件缺陷率是一估计值，且随着大规模集成电路和新研模块在产品上的大量应用，缺陷率估计值的可信性越来越小，加上GJB/Z34只适用于纯电子产品，所以武器装备研制和生产中很少按GJB/Z34进行定量筛选。相反，GJB1032在装备研制与生产中得到了广泛应用，为剔除产品的早期故障提供了有效手段，在保证装备的质量与可靠性方面发挥了积极作用。随着实践的不断深人，人们发现GJB1032中的一些规定过于死板，严格按该标准进行筛选时往往达不到应有的目的。下面就结合工程实践中常遇到的一些问题谈一些体会。
    1.1 适用范围
    GJB1032第1节明确，本标准适用于地面固定设备、地面移动设备舰船用设备、飞机用设备及外挂、导弹用设备上的电子产品，且在其第五节明确了筛选条件:80~ 120h的温度循环和10 ~ 20min .0.04g/Hz的随机振动。这是不合适的，因为ESS的目的是剔除早期缺陷，同样的产品用在不同环境中表现出的故障特征是不一样的。举一个简单的例子来说，设某电子产品中存在固有缺陷a.b.c .d。当将其用在导弹上时因为使用环境严酷，其固有缺陷ab.e可能会以早期故障的形式暴露出来，因此应针对固有缺陷a、b、c设计合理的筛选方案X，将a、b、c以早期故障的形式暴露出来。当将其用在地面固定设备上时，因为使用环境温和则可能仅固有缺陷a会以早期故障的形式暴露出来，因此应针对固有缺陷a设计合理的筛选方案Y。显然方案Y明显不同于方案X。所以，筛选条件虽不模拟产品的实际使用环境，但在制定产品筛选方案时应考虑产品的使用环境。
    1.2 每个温度循环的时间.
    G，JB1032第1节明确:“筛选产品可以是印刷电路板组装件、电子组件或整机”。从理论上讲，对于简单的印刷电路板组装件，没有必要进行80~ 120h的温度循环。因为温度循环不同于温度老炼，其激发产品潜在缺陷的有效性主要在于温度变化导致产品热胀冷缩而产生的应力，而不是较长时间的恒定温度累积效应。从测试的一些数据看，对由印刷电路板组成的简单组装件，一般0.5h的温度保持时间已足够使产品达到热平衡。再考虑升降温时间，一般一个循环需要2h左右就可以，而不需要取GJB1032中的3h20min或4h。相反，对于热惯性较大的复杂电子设备，即使4h的循环时间也达不到应有的筛选效果。如某型导引头的温度稳定时间大于3h，再考虑升降温时间，一般一个循环约需要7h。因此应根据产品的温度稳定时间确定温度循环持续时间。
    1.3温度循环高低温保持时间的确定
    GJB1032附录B详细规定了温度循环中高低温保持时间的确定方法，具有很强的操作性，但±10℃的温度允差范围明显不合适。虽然筛选的温度循环效应主要在于通过温度变化导致不同材料的变形不一而使缺陷激发为故障，但对大多数电子元器件而言，-45~ - 55℃的低温极限是一关。如某器件在-45℃能正常工作，但在-50℃很可能不能工作。再者，许多电子元器件的失效率随着温度的升高呈几何级数增加。设某产品的筛选温度极限为-50~ 70℃，按GJB1032的规定，只要产品上2/3的典型部位的温度达到-40℃，就可通电测试产品(测试时间一般较短，测试时产品温度降不到- 50℃);然后升温，只要产品上2/3的典型部位的温度达到60℃ ，就可通电测试产品(测试时产品温度升不到70℃)。即产品上典型部位的温度大都在- 40~ 60℃之间变化。这样会导致2个问题:一是低温环境考核不足，通过了筛选的产品可能在- 50℃的使用环境下不能正常工作;另一个是高温阶段的失效率明显下降，即高温阶段本来应暴露的多个潜在缺陷只能暴露较少一部分，达不到筛选效果。这一点可从国外某产品的筛选方案得到印证:某电子设备温度循环中的高低温保持时间是以探针测得的温度为准，即筛选中将探针连接到受筛产品的典型部位，当探针指示温度在极限温度的±2℃时，才认为达到要求，所以应以±2℃的温度允差来确定温度循环中的高低温保持时间。
    1.4 温度变化速率
    GJB1032第5.1节明确:“温度循环的温度变化率为5℃/min”。这一规定显然不适用于所有层次的产品，因为温度循环的有效性取决于产品上响应的温度变化，而不是由温度循环试验箱内空气温度的变化率来决定。笔者曾对某复杂飞控设备B进行过温度测试，设定温度范围为-55~ 70℃，温度变化率为5℃/min，以设备上关键器件的温度达到规定值(上下限温度值的±2℃ )计算温度响应时间。测得结果为:全程平均的升、降温速率分别为1.56℃/min.- 1.40℃/min。假设将某简单电子组件A和飞控设备B放在温度循环试验箱内，按上述条件进行温度循环。由于产品A的热惯性较小，产品A能很快响应试验箱内的温度变化，设其全程平均的升降温速率均为4.5℃/min。按GJB/Z34提供的温度循环筛选度公式(见式1)，假设都进行5个温度循环，可计算出产品A和设备B的筛选度分别为:0.697和0.366(飞控B的温度变化率按升降温速率的平均值1.48℃/min 计算)。
    SS=1-exp{-0.0017(R+0.6 )0[In(e+ζ)]3xN }
    式中:R——温度循环中的温度变化范围，℃
    ζ——温度变化速率， ℃/min;
    N——循环次数;
    E——自然对数的底。
    可见同样的筛选条件，不同产品内的缺陷以故障形式析出的概率明显不同。要想使设备B达到与产品A同样的筛选度、同样的筛选温度范围和温变率，需要将温度循环数增加到13个，因此实际应用中应根据产品热惯性和试验设备的能力等确定温度变化率。对于热惯性大的产品，较大的箱内温度变化率要求不但对设备要求苛刻、浪费了资源，更主要的是筛选度的提高很有限。笔者曾对飞控设备B用10℃/min的温度变化率进行摸底测试，测得结果为:全程( -55 ~ 70℃)平均的升、降温速率分别为1.80℃/min .-1.64℃/min，按式(1)计算，其筛选度提高到0.400，仅提高了不到10个百分点。
    1.5 温度循环数
    G，JB1032第5.1节明确:“在缺陷剔除试验中，温度循环为10次或12次，相应时间为40h。在无故障检验中为10~20次或12~24次，时间为40~80h”。这一规定显然也不适用于所有产品。从不同环境对产品寿命的效应影响来看，虽然极限温度范围内的温度循环对产品寿命影响远比随机振动小.得多，但筛选尤其会影响产品的生产周期。实践中温度循环数的多少应视产品的复杂程度而定:组成简单的产品，温度循环数可适当减少;组成复杂的产品，温度循环数可适当增多。如某精确制导炸弹在科研试制阶段曾按GJB1032的规定严格进行20个温度循环，该阶段研制的20多发产品在筛选中的表现是:若产品在前4个温度循环中无故障，则产品在以后的16个温度循环中也无故障。基于这-.实践，在设计定型阶段调整了筛选方案:将试制阶段的20个温度循环数调整为5个，即保证产品经历5个完整的温度循环，且应无故障通过后1个温度循环。由于针对试制阶段的问题采取了有效的纠正措施，设计定型阶段研制的18发产品在筛选中仅有3发在温度循环中出现故障，分别是在第1.2.3循环中出现的，经分析都是偶发性故障。从通过了筛选的产品在设计定型环境鉴定试验、可靠性鉴定试验和外场靶试的表现来看，未发现因筛选不充分导致的早期故障，因此在产品设计定型后仍采用了此筛选方案。
    1.6 振动应力
    GJB1032第5.2节详细规定了筛选用随机振动的谱形、量值、振动时间、施振轴向、振动控制点、监测点等试验参数。笔者认为施振轴向、振动控制点、监测点的规定适用于工程实际，但对每种产品都施加同样谱型、同样量值、同样时间的振动明显不合适。虽然筛选的目的是剔除产品中可能发展为早期故障的潜在缺陷，但其前提是不能过多消耗产品的有效寿命。不同产品有不同的寿命要求，筛选用振动应考虑产品的寿命和使用环境而设置。如某制导弹的挂飞寿命较短(10h)，结合产品的外场实测结果，得出其耐久振动试验谱型见图1，耐振时间为Y向20min，将其与GJB1032给出的试验条件(见图2，振动敏感轴向至少振动10min) 比较可知:若按GJB1032的规定严格进行筛选，单随机振动- -项，几乎消耗掉了产品的耐振寿命。不但图2中的均方根值( 6.06g)比产品的耐久振动的均方根值(5.17g)大，且图2的功率谱密度曲线几乎包含了产品的耐久振动功率谱密度曲线。因此应根据产品的寿命特征值、未来使用环境和设计极限等来确定筛选中的振动应力。

耐久振动试验