快速溫變試驗箱環境應力篩選應力確定方法手冊

快速溫變濕熱試驗箱  技術規格：

環境應力篩選( environmental stress screening（ESS）)為發現和排除產品中不良零件、元器件、工藝缺陷和防止出現早期失效，在環境應力下所做的一系列試驗。它是可靠性試驗中的一種類型，也是產品制造過程中的一道工序。產品的組裝等級可分為設備級、組件級和元器件級，ESS可以在產品不同的組裝等級上實施。應對三個組裝等級的產品100%實施ESS。

應根據對產品篩選的效果選擇相應的環境應力。對電子產品，ESS的應力主要選擇溫度（高、低溫）循環和振動試驗，這兩種應力的組合篩選效果較好，能暴露產品各組裝等級大部分故障。

研究表明，高低溫循環的篩選效果取決于四個方面：高、低溫的設定值，高、低溫保持的時間，溫度變化速率和循環的次數。增大溫度變化速率，效果較好。設備中元器件數量多，則循環次數應增加。隨機振動篩選效果好于掃頻正弦振動，在不造成對產品損壞的情況下，振動應力強一些，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，我國有相應的軍用標準予以規定。 設備級或組件級的ESS的實施要求和過程，ESS過程包括缺陷剔除試驗和*試驗兩個組成部分。
 
環境應力的確定方法
環境應力篩選所用的應力值的確定是以經濟、有效地發現產品早期故障為目的的，它無需模擬產品真實的環境應力。環境應力篩選應力值一般是比產品實際使用中的環境應力高，但不能超出設計的極限應力，不能使設備性能下降或壽命降低。

溫度循環特性及其應力的確定
1、溫度循環特性
溫度循環（沖擊）是廣泛應用的熱篩選環境，溫度循環篩選方案可用以下參數/因素表征：
• 循環特征：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。• 循環次數• 設備狀態• 通電或不通電
• （檢）測性能或不監（檢）測性能等。
    2、溫度上、下限極值選定準則
溫度循環中的溫度極值決定了篩選強度。選擇溫度極值的關鍵是給硬件施加適當應力以析出故障而又不損壞好的產品。應考慮產品貯存溫度（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、下限極值的準則有：
      • 如果產品進行通電篩選，在其上、下限溫度要工作并檢測性能，則應力篩選上限溫度不應高于產品的設計Highest工作溫度，其下限溫度不應低于產品的設計低工作溫度，如圖1所示。

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

 • 在上述各條選用范圍內，篩選溫度變化幅度應盡可能大，以提高篩選效率。
      • 如僅對產品的某一組件進行篩選，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設計工作溫度和低設計工作溫度及貯存高溫和貯存低溫進行分析對比，分別找出此組件的各部件和元器件的Highest設計工作溫度和貯存高溫中的低值，得到一個設計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計工作溫度和貯存低溫中的Highest值，得到一個設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計Highest、低工作溫度，兩個貯存溫度構成一組貯存高、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。

3、溫度變化速率確定準則
溫度變化速率的物理效應十分復雜。由于受篩產品表面不均勻的熱傳遞，受篩產品表面與內部之間的熱滯后以及受篩產品各部分的熱慣性不同，受篩產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力/應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度增加。但溫度變化速率太高，有可能損壞受篩產品，且篩選效果不會隨著溫度變化速率的增加而無限增加。
試驗箱內空氣溫度變化速率不應小于5℃/min，否則，會降低篩選效果。由于受篩產品本身的熱慣性，其實際溫度變化速率遠低于5℃/min，具體取決于受篩產品本身的熱慣性、產品在箱內的安裝、風速和試驗箱的能力等。此外，溫度循環下限溫度高于0℃的篩選效果不大。
當沒有可達到5℃/min變化速度的溫度試驗箱時，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，但也可能會給產品引入本來不會出現的故障。
4、上、下限溫度的持續時間（溫度極值下的停留時間）確定準則
（1）受篩產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）溫度達到穩定所需要時間和在溫度極值下浸泡所需要的時間。
溫度達到穩定的時間的確定準則是：當受篩產品中響應慢的部分的溫度與終溫度之差在規定值之內時，就認為實現了穩定。這一準則的核心是使元器件（零部件）溫度達到某一規定值。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，終溫度取決于設備的種類和環境應力篩選裝置。要足夠小，以使所有元器件（零部件）均受到適當的應力。GJB 1032中規定為10分鐘。。
不推薦把受篩產品中具有Highest熱慣性（慢熱響應或大熱滯后）的元部（器）件作為確定溫度穩定的部位，因為這樣會要求用過多的時間來使那些不重要的大質量元部（器）件作為確定溫度穩定的部位，而使一些重要的元部（器）件經受不到適當的熱應力來析出其內部缺陷。
（2）浸泡時間
浸泡的目的，一是保證釬料發生蠕變，二是完成功能測試，找出一般環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量，因此浸泡時間不能小于5分鐘，如要進行功能測試，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、溫度循環次數（或篩選時間）選擇準則
電子產品使用經驗表明，早期故障一般在生產后工作到50～100小時期間出現。這個時間可作為確定篩選溫度循環次數的參考根據。
GJB 1032規定，不管篩選產品的復雜程度和施加應力的大小，任何產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品篩選后能夠消除其早期故障。對于單元和系統來說，這一時間相當于20～30個循環，但對于組件來說，由于溫度穩定所需時間短，這一時間相當于20～40個循環。
6、設備狀態（通斷電和性能檢測）確定準則
篩選中是否通電和進行性能檢測一般考慮以下因素：
(1) 從提高篩選效果考慮，篩選過程中應盡量通電并進行性能檢測。通電篩選在析出缺陷方面要比不通電篩選更有效，通電會在產品中產生溫度梯度，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%左右的故障是在環境應力下才能發現的間歇故障，必須在篩選環境應力作用下通過通電檢測才能找出來。
(2）從可能性和經濟性考慮，一般在高組裝級（單元或系統級）進行通電和檢測，低組裝級（印刷電路組件）不進行通電和檢測，這是因為低組裝級往往不具備檢測性能的條件，專門設計和制造一個檢測系統費用太大。
(3）在溫度循環中，降溫階段不應通電，因為通電使產品發熱，會影響產品溫度變化速率，在溫度循環篩選中，應盡量增加性能檢測次數，以便及時發現故障和進行修復，節省篩選時間。
(4）通電振動篩選合適的組裝等級是單元（黑盒子）級。
(5）通電、監測的篩選比不通電篩選所需的費用高。
7、*循環次數確定準則
*循環應作為通電溫度循環篩選的一個組成部分，若在規定的*時間或循環次數內產品沒有出現故障，表明產品達到了預期的篩選要求。GJB 1032規定至少10個循環（約40小時）不出故障，才認為產品通過篩選。當產品復雜程度較低、經費或進度有限制時，可適當減少*循環次數，但不得少于3個循環。
隨機振動篩選特性及其應力確定
1、隨機振動篩選特性
振動篩選的有效性是由受篩產品對振動的響應決定的，而不是由振動輸入決定。同一振動輸入，不同結構的產品中產生的響應是不同的。受篩產品對振動的響應量值不能超過產品振動設計極限，不能顯著影響產品的使用壽命，篩選期間允許產品的功能退化，但不能出現性能中斷，且停振后性能應滿足要求。
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。實踐證明，將這些條件作用于黑盒子這一組裝等級的電子產品一般都能獲得滿意的結果，可作為這類產品的基線振動方案，但圖4的譜對于結構復雜的產品，特別是包含有光電和某些機電裝置的產品不一定合適，應當設法根據產品特性確定振動應力條件。

3、振動軸向
隨機振動篩選一般應在三個軸向上施加，但如果能夠充分證明產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、振動持續時間
振動篩選持續時間主要是靠工程經驗確定的，典型的振動篩選時間是10分鐘，尋找缺陷至少需要5分鐘，就足以析出大多數缺陷。
5、通、斷電和性能檢測
振動過程中應通電并進行性能檢測。