快速溫變試驗(yàn)箱環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)力確定方法手冊

快速溫變濕熱試驗(yàn)箱  技術(shù)規(guī)格：

環(huán)境應(yīng)力篩選( environmental stress screening（ESS）)為發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品中不良零件、元器件、工藝缺陷和防止出現(xiàn)早期失效，在環(huán)境應(yīng)力下所做的一系列試驗(yàn)。它是可靠性試驗(yàn)中的一種類型，也是產(chǎn)品制造過程中的一道工序。產(chǎn)品的組裝等級可分為設(shè)備級、組件級和元器件級，ESS可以在產(chǎn)品不同的組裝等級上實(shí)施。應(yīng)對三個組裝等級的產(chǎn)品100%實(shí)施ESS。

應(yīng)根據(jù)對產(chǎn)品篩選的效果選擇相應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力。對電子產(chǎn)品，ESS的應(yīng)力主要選擇溫度（高、低溫）循環(huán)和振動試驗(yàn)，這兩種應(yīng)力的組合篩選效果較好，能暴露產(chǎn)品各組裝等級大部分故障。

研究表明，高低溫循環(huán)的篩選效果取決于四個方面：高、低溫的設(shè)定值，高、低溫保持的時間，溫度變化速率和循環(huán)的次數(shù)。增大溫度變化速率，效果較好。設(shè)備中元器件數(shù)量多，則循環(huán)次數(shù)應(yīng)增加。隨機(jī)振動篩選效果好于掃頻正弦振動，在不造成對產(chǎn)品損壞的情況下，振動應(yīng)力強(qiáng)一些，則效果好。

元器件的ESS是元器件篩選的主要組成部分，對不同類別元器件的篩選要求和方法，我國有相應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)定。 設(shè)備級或組件級的ESS的實(shí)施要求和過程，ESS過程包括缺陷剔除試驗(yàn)和*試驗(yàn)兩個組成部分。
 
環(huán)境應(yīng)力的確定方法
環(huán)境應(yīng)力篩選所用的應(yīng)力值的確定是以經(jīng)濟(jì)、有效地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品早期故障為目的的，它無需模擬產(chǎn)品真實(shí)的環(huán)境應(yīng)力。環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)力值一般是比產(chǎn)品實(shí)際使用中的環(huán)境應(yīng)力高，但不能超出設(shè)計的極限應(yīng)力，不能使設(shè)備性能下降或壽命降低。

溫度循環(huán)特性及其應(yīng)力的確定
1、溫度循環(huán)特性
溫度循環(huán)（沖擊）是廣泛應(yīng)用的熱篩選環(huán)境，溫度循環(huán)篩選方案可用以下參數(shù)/因素表征：
• 循環(huán)特征：包括低溫（極值）、高溫（極值）、溫度變化速率、在溫度極值上的停留時間。• 循環(huán)次數(shù)• 設(shè)備狀態(tài)• 通電或不通電
• （檢）測性能或不監(jiān)（檢）測性能等。
    2、溫度上、下限極值選定準(zhǔn)則
溫度循環(huán)中的溫度極值決定了篩選強(qiáng)度。選擇溫度極值的關(guān)鍵是給硬件施加適當(dāng)應(yīng)力以析出故障而又不損壞好的產(chǎn)品。應(yīng)考慮產(chǎn)品貯存溫度（高和低）極值（如在印制電路組件中器材的貯存溫度極值）和電子元器件的Highest工作溫度。確定其溫度上、下限極值的準(zhǔn)則有：
      • 如果產(chǎn)品進(jìn)行通電篩選，在其上、下限溫度要工作并檢測性能，則應(yīng)力篩選上限溫度不應(yīng)高于產(chǎn)品的設(shè)計Highest工作溫度，其下限溫度不應(yīng)低于產(chǎn)品的設(shè)計低工作溫度，如圖1所示。

     • 如果產(chǎn)品不進(jìn)行通電篩選和在其上、下限溫度進(jìn)行性能檢測，則應(yīng)力篩選的上限溫度不應(yīng)高于產(chǎn)品的貯存高溫，其下限溫度不應(yīng)低于產(chǎn)品的貯存低溫，如圖2所示。
      • 如果產(chǎn)品僅在上（或下）限溫度通電并檢測性能，則其上限溫度不應(yīng)高于產(chǎn)品設(shè)計Highest溫度，下限溫度不應(yīng)低于產(chǎn)品貯存低溫，或其上限溫度不應(yīng)高于產(chǎn)品的貯存高溫，下限溫度不應(yīng)低于產(chǎn)品的設(shè)計低工作溫度，如圖3所示

 • 在上述各條選用范圍內(nèi)，篩選溫度變化幅度應(yīng)盡可能大，以提高篩選效率。
      • 如僅對產(chǎn)品的某一組件進(jìn)行篩選，在確定篩選的上下限溫度時，要對組件中的各部件和元器件的Highest設(shè)計工作溫度和低設(shè)計工作溫度及貯存高溫和貯存低溫進(jìn)行分析對比，分別找出此組件的各部件和元器件的Highest設(shè)計工作溫度和貯存高溫中的低值，得到一個設(shè)計Highest溫度和一個貯存高溫，再分別找出此組件的各部件和元器件中低設(shè)計工作溫度和貯存低溫中的Highest值，得到一個設(shè)計低工作溫度和一個貯存低溫。這4個溫度值中，兩個工作溫度組成一組設(shè)計Highest、低工作溫度，兩個貯存溫度構(gòu)成一組貯存高、低溫。把這兩組溫度作為確定該組件篩選上、下限溫度的依據(jù)。

3、溫度變化速率確定準(zhǔn)則
溫度變化速率的物理效應(yīng)十分復(fù)雜。由于受篩產(chǎn)品表面不均勻的熱傳遞，受篩產(chǎn)品表面與內(nèi)部之間的熱滯后以及受篩產(chǎn)品各部分的熱慣性不同，受篩產(chǎn)品中就可能存在瞬時溫度梯度。這種溫度梯度及其引起的熱應(yīng)力/應(yīng)變隨著溫度變化速率的增加而增加。溫度的變化速率的增加能使篩選強(qiáng)度增加。但溫度變化速率太高，有可能損壞受篩產(chǎn)品，且篩選效果不會隨著溫度變化速率的增加而無限增加。
試驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度變化速率不應(yīng)小于5℃/min，否則，會降低篩選效果。由于受篩產(chǎn)品本身的熱慣性，其實(shí)際溫度變化速率遠(yuǎn)低于5℃/min，具體取決于受篩產(chǎn)品本身的熱慣性、產(chǎn)品在箱內(nèi)的安裝、風(fēng)速和試驗(yàn)箱的能力等。此外，溫度循環(huán)下限溫度高于0℃的篩選效果不大。
當(dāng)沒有可達(dá)到5℃/min變化速度的溫度試驗(yàn)箱時，可采用溫度沖擊篩選（包括兩箱法）。溫度沖擊篩選對于組件級十分有效，但也可能會給產(chǎn)品引入本來不會出現(xiàn)的故障。
4、上、下限溫度的持續(xù)時間（溫度極值下的停留時間）確定準(zhǔn)則
（1）受篩產(chǎn)品在溫度箱空氣溫度中停留的時間
該時間包括元器件（零部件）溫度達(dá)到穩(wěn)定所需要時間和在溫度極值下浸泡所需要的時間。
溫度達(dá)到穩(wěn)定的時間的確定準(zhǔn)則是：當(dāng)受篩產(chǎn)品中響應(yīng)慢的部分的溫度與終溫度之差在規(guī)定值之內(nèi)時，就認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定。這一準(zhǔn)則的核心是使元器件（零部件）溫度達(dá)到某一規(guī)定值。在不通電篩選的情況下，此終溫度是溫度箱空氣極值溫度；在通電篩選情況下，終溫度取決于設(shè)備的種類和環(huán)境應(yīng)力篩選裝置。要足夠小，以使所有元器件（零部件）均受到適當(dāng)?shù)膽?yīng)力。GJB 1032中規(guī)定為10分鐘。。
不推薦把受篩產(chǎn)品中具有Highest熱慣性（慢熱響應(yīng)或大熱滯后）的元部（器）件作為確定溫度穩(wěn)定的部位，因?yàn)檫@樣會要求用過多的時間來使那些不重要的大質(zhì)量元部（器）件作為確定溫度穩(wěn)定的部位，而使一些重要的元部（器）件經(jīng)受不到適當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力來析出其內(nèi)部缺陷。
（2）浸泡時間
浸泡的目的，一是保證釬料發(fā)生蠕變，二是完成功能測試，找出一般環(huán)境溫度下不會顯示出的故障。釬料松弛所需時間一般為5分鐘，功能測試的時間取決測試的參數(shù)量，因此浸泡時間不能小于5分鐘，如要進(jìn)行功能測試，浸泡時間可延長至測試完成。具體時間可通過溫度測定方法確定。
5、溫度循環(huán)次數(shù)（或篩選時間）選擇準(zhǔn)則
電子產(chǎn)品使用經(jīng)驗(yàn)表明，早期故障一般在生產(chǎn)后工作到50～100小時期間出現(xiàn)。這個時間可作為確定篩選溫度循環(huán)次數(shù)的參考根據(jù)。
GJB 1032規(guī)定，不管篩選產(chǎn)品的復(fù)雜程度和施加應(yīng)力的大小，任何產(chǎn)品都用同一個篩選時間，總時間為80～120小時。這一時間能基本保證所有組裝級產(chǎn)品篩選后能夠消除其早期故障。對于單元和系統(tǒng)來說，這一時間相當(dāng)于20～30個循環(huán)，但對于組件來說，由于溫度穩(wěn)定所需時間短，這一時間相當(dāng)于20～40個循環(huán)。
6、設(shè)備狀態(tài)（通斷電和性能檢測）確定準(zhǔn)則
篩選中是否通電和進(jìn)行性能檢測一般考慮以下因素：
(1) 從提高篩選效果考慮，篩選過程中應(yīng)盡量通電并進(jìn)行性能檢測。通電篩選在析出缺陷方面要比不通電篩選更有效，通電會在產(chǎn)品中產(chǎn)生溫度梯度，可以析出那些不通電篩選時會漏過的缺陷。在篩選出的故障中，有50%左右的故障是在環(huán)境應(yīng)力下才能發(fā)現(xiàn)的間歇故障，必須在篩選環(huán)境應(yīng)力作用下通過通電檢測才能找出來。
(2）從可能性和經(jīng)濟(jì)性考慮，一般在高組裝級（單元或系統(tǒng)級）進(jìn)行通電和檢測，低組裝級（印刷電路組件）不進(jìn)行通電和檢測，這是因?yàn)榈徒M裝級往往不具備檢測性能的條件，專門設(shè)計和制造一個檢測系統(tǒng)費(fèi)用太大。
(3）在溫度循環(huán)中，降溫階段不應(yīng)通電，因?yàn)橥娛巩a(chǎn)品發(fā)熱，會影響產(chǎn)品溫度變化速率，在溫度循環(huán)篩選中，應(yīng)盡量增加性能檢測次數(shù)，以便及時發(fā)現(xiàn)故障和進(jìn)行修復(fù)，節(jié)省篩選時間。
(4）通電振動篩選合適的組裝等級是單元（黑盒子）級。
(5）通電、監(jiān)測的篩選比不通電篩選所需的費(fèi)用高。
7、*循環(huán)次數(shù)確定準(zhǔn)則
*循環(huán)應(yīng)作為通電溫度循環(huán)篩選的一個組成部分，若在規(guī)定的*時間或循環(huán)次數(shù)內(nèi)產(chǎn)品沒有出現(xiàn)故障，表明產(chǎn)品達(dá)到了預(yù)期的篩選要求。GJB 1032規(guī)定至少10個循環(huán)（約40小時）不出故障，才認(rèn)為產(chǎn)品通過篩選。當(dāng)產(chǎn)品復(fù)雜程度較低、經(jīng)費(fèi)或進(jìn)度有限制時，可適當(dāng)減少*循環(huán)次數(shù)，但不得少于3個循環(huán)。
隨機(jī)振動篩選特性及其應(yīng)力確定
1、隨機(jī)振動篩選特性
振動篩選的有效性是由受篩產(chǎn)品對振動的響應(yīng)決定的，而不是由振動輸入決定。同一振動輸入，不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品中產(chǎn)生的響應(yīng)是不同的。受篩產(chǎn)品對振動的響應(yīng)量值不能超過產(chǎn)品振動設(shè)計極限，不能顯著影響產(chǎn)品的使用壽命，篩選期間允許產(chǎn)品的功能退化，但不能出現(xiàn)性能中斷，且停振后性能應(yīng)滿足要求。
2、振動譜和量值
GJB 1032和GJB/Z 34中，建議以圖4所示的振動譜作為篩選振動的輸入，同時推薦單軸振動10分鐘，多軸振動每軸5分鐘。實(shí)踐證明，將這些條件作用于黑盒子這一組裝等級的電子產(chǎn)品一般都能獲得滿意的結(jié)果，可作為這類產(chǎn)品的基線振動方案，但圖4的譜對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，特別是包含有光電和某些機(jī)電裝置的產(chǎn)品不一定合適，應(yīng)當(dāng)設(shè)法根據(jù)產(chǎn)品特性確定振動應(yīng)力條件。

3、振動軸向
隨機(jī)振動篩選一般應(yīng)在三個軸向上施加，但如果能夠充分證明產(chǎn)品的早期故障僅對某一軸向或某兩個軸向的振動敏感，則可選該振動軸向進(jìn)行單軸向篩選或兩個軸向依次篩選，以減少篩選工作量和安裝時間。
4、振動持續(xù)時間
振動篩選持續(xù)時間主要是靠工程經(jīng)驗(yàn)確定的，典型的振動篩選時間是10分鐘，尋找缺陷至少需要5分鐘，就足以析出大多數(shù)缺陷。
5、通、斷電和性能檢測
振動過程中應(yīng)通電并進(jìn)行性能檢測。