常規試驗設備溫度循環應力篩選技術改進

楊喜存，李穎

(1.西安電子工程研究所，西安710100;2.西南技術工程研究所，重慶400039)

環境應力篩選(ESS)技術，在雷達的研制生產過程中得到了廣泛深入的應用，這對剔除產品早期故障起到了良好的作用。根據一個時期對雷達分系統組件、整機進行溫度循環應力篩選試驗結果的統計分析，發現在環境應力篩選過程中，試件暴露出的問題越來越少，一些潛在缺陷并未及時暴露出來，導致產品交付后維修成本大幅增加。加之溫度循環應力篩選試驗費時耗力、試驗周期長、試驗成本高、試驗效率低等因素，不能很好地滿足產品實際試驗需求，因此，急需對常規試驗設備環境應力篩選技術改進。

1 溫度循環應力篩選

1.1 目的

溫度循環應力篩選是指對單板級、各分系統及以上各層次產品施加合理溫度應力，將它們內部的潛在缺陷加速變成故障，并加以發現和排除的過程，達到剔除產品早期故障的目的［1］。

1.2 篩選參數

溫度循環篩選的基本篩選參數包括:上限溫度θu，下限溫度θl，溫度變化范圍R=θu-θl，溫度變化率v，上限保溫時間tu，下限保溫時間tl，溫度保持時間t=tu+tl，循環次數N等。

篩選度經驗計算模型為［2］:

1.3 溫度循環應力的特性

在溫度循環試驗中，隨著試驗箱溫度的變化和保持，溫度應力作用在產品上，使產品的材料受到考驗。其中溫度變化范圍、溫度變化率和循環次數是激發產品潛在缺陷的主要因素。

2 結果統計分析

2.1 理想情況

常用溫度循環試驗參數(依據企業環境應力篩選試驗大綱)及理想SS值見表1。

由表1可知，按這些溫度循環試驗參數得出的篩選度均在0.94以上，期望值很高。

表1 常用溫度循環試驗參數及理想SS值Table 1 Common parameters of temperature circle test and ideal SS values

2.2 實際情況

實際溫度循環應力篩選結果見表2。由表2可知，全年125次溫度循環應力篩選試驗暴露出的早期故障率僅為1.6%。據2012年對雷達分系統組件整機進行溫度循環應力篩選試驗的結果，發現產品在環境應力篩選過程中暴露出的故障數量、故障部位與使用應力施加強度的相關性不明顯，暴露的問題越來越少，一些潛在缺陷并未及時暴露出來，導致產品交付后維修成本大幅增加。

表2 2012年主要產品溫度循環應力篩選結果統計表Table 2 Result statistics of temperature circle test ESS in 2012

3 原因分析

3.1 理論分析

根據篩選度公式(1)，在溫度循環應力篩選中，SS值主要取決于溫度變化范圍R、溫度變化速率v及循環次數N。提高R或v的值能加速產品的熱脹冷縮程度，縮短時間，增強溫度應力，而N值的增加則能聚集這種能量的發揮。因此R，v，N這3種參數中任一參數量值的增大均能增強溫度循應力環篩選效果。通常，產品的溫度變化范圍R是一定的，往往選取產品工作溫度范圍或儲存溫度范圍，而且希望暴露出缺陷所需的循環次數越少越好，以便節省試驗時間，減少經費。這樣，從理論上講，要提高溫度循環應力篩選效果，必須提高溫度變化速率［3］。

3.2 實際情況

在實際試驗中，由于受產品本身材料熱慣性的限制［4］，以及產品在試驗箱內隨意擺放情況、產品的復雜程度等因素的影響，產品本身實際溫變速率常常低于試驗箱內空氣的溫度變化速率，這樣產品的篩選度就達不到理想的效果，造成產品在篩選中暴露出的故障很少。

3.2.1 測試實例

某雷達頻率綜合器的主要作用是產生雷達系統所需的各種微波和各種微波基準信號，是雷達的一種重要系統，制造與驗收規范要求對它們進行全數篩選。為了保證篩選的有效性，事先做了如下準備:將頻率綜合器面板打開，在內部第1塊和第2塊板子上各布了1個熱電偶，另在其幾何中心懸掛1個熱電偶，這些工作做好后，將面板裝上，用這3個熱電偶測量試件在試驗中實際的溫度值，求出試件實際溫變速率平均值。試驗條件以該試件環境應力篩選參數為準:θu=55℃，θl=-40℃，v=5℃/min (試驗箱內平均溫變率)，N=10。測量結果見表3。

3.2.2 計算結果

由公式(1)計算得出的理論篩選度、實際篩選度見表4。

某雷達頻率綜合器在溫度循環應力篩選中實際篩選度僅為0.54，遠沒有達到理論值，因此篩選效果不理想，造成篩選中產品析出故障率很低。

表3 實測試件溫度變化速率Table 3 Change rate of temperaturemeasured in the tests

表4 某雷達頻率綜合器篩選度Table 4 Screening strength of frequency processor of a radar

3.2.3 結果分析

由3.2.2計算結果發現，在SS與R，N，v的函數關系式(1)中，當R，N確定時，溫度變化率v對SS的影響很大。

如果取R=95℃，N=10，v取5～10℃/min，SS隨v變化函數曲線如圖1示。

圖1 SS隨溫變率變化曲線Fig.2 Variation of SSwith temperature velocity

很明顯，當溫度變化范圍R和循環次數N相同時，溫變率越高，篩選度越高。

如果要達到實際理想的篩選度，如0.92以上，由SS與R，N，v的關系式(1)得出N與SS，R，v的關系式:

取SS=0.92，R=95，則循環次數N隨溫變率v的變化曲線如圖2示。由圖2可知，當R，SS不變時，v越高，N越短。在實際工作中，為節省篩選時間，在設備能力允許的條件下，應提高隨溫變率v，減少循環次數N。

圖2 循環次數隨溫變率變化曲線Fig.2 Variation of cycle time with temperature velocity

4 結論

提高溫度變化速率，減少溫度循環次數，就能保證篩選度的要求是可能的。如對于結構簡單、體積較小的試件，利用10～15℃/min的溫變速率只進行3次循環等效于標準的10次循環［5］。

根據以上論述可知，提高溫變速率v是保證高篩選度的重要途徑，針對現有試驗設備，給出以下建議供參考。

1)試驗時，溫變率設置成不低于10℃/min，就可保證篩選度達0.90以上。

2)對試驗箱中產品的擺放提出要求:被試產品必須擺在支架上，產品與試驗箱底部、頂部及四周箱壁之間有足夠的間隔距離，保證氣流能在產品之間、試驗產品與箱壁之間自由循環，產品開蓋、開箱進行溫度循環，從而提高產品的實際溫變率。

3)對循環次數的要求，原則上在溫變率設置成10～15℃/min時，對于復雜程度不高、制造工藝較簡單的產品可減少50%左右的溫度循環次數，以節省時間和試驗成本，提高工作效率。

4)對于整機級、單元級、模塊級的試件，由于它們的篩選效果依此降低，因此，在條件許可時，整機盡可能也做篩選。

5)在無故障驗證階段，溫循時間適當減少;在剔除故障階段，按標準連續做完所有循環不出現故障時，可不再進行無故障驗證而結束篩選。

6)考慮到現有設備的能力和試件能承受的溫度變化能力，溫變速率取6～15℃/min較為合適，注意不要使試件受到過應力。

7)溫度循環應力篩選前，要做好準備，要對試驗箱空箱烘干處理，并保證試驗箱良好的密封性。試件開蓋開箱進行溫度循環，試驗箱要有足夠的除濕能力，保證試件在整個試驗過程中不能凝露結霜［6］。

［1］ GJB 1032—90，電子產品環境應力篩選方法［S］.GJB 1032—90，Environmental Stress Screening Method for Electrical Products［S］.

［2］ GJB/Z 34—1993，電子產品定量環境應力篩選指南［S］.GJB/Z 34—1993，Quantitative Environmental Stress Screening for Electrical Products［S］.

［3］ 祝耀昌.環境應力篩選技術及其應用和發展綜述［J］.航天器環境工程，2007(4):191—197.ZHU Yao-chang.Applications and Developments of Environmental Stress Screening(ESS)［J］.Space Probe Environmental Engineering，2007(4):191—197.

［4］ 梁志軍，白照高，郭濤.電子產品溫度循環篩選效果探析［J］.艦船電子，2005(3):117—119.LIANG Zhi-jun，BEI Zhao-gao，GUO Tao.Analyze of Validity about Thermal Cycle of Electronics Product［J］.Warship Electron，2005(3):117—119.

［5］ 張學淵.標準環境應力篩選方法的改進［J］.電子標準與質量，2000(5):31—32.ZHANG Xue-yuan.Developmentof Standard Validity about ESS［J］.Electron Standard and Quality，2000(5):31—32.

［6］ 楊喜存，單軍勇.某機載站控制分系統溫度循環試驗凝露積水問題［J］.裝備環境工程，2013(4):93—95.YANG Xi-cun，SHAN Jun-yong.Solution to Waterproof Problem of Moisture Deposition in Temperature Cycle Test［J］.Equipment Environmental Engineer，2013(4):93—95.