環境應力篩選（ESS）誘發故障機理及應力參數的確定
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發布日期： 2020.11.19
環境應力篩選（ESS）是通過向產品施加加速環境應力，將存在于產品內部的潛在缺陷在短時間內變成故障，并加以發現和排除的過程。環境應力篩選不是一般接受/拒收意義上的試驗，而是一種工藝手段，是發現和剔除不良元器件、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，它不僅應用于產品的生產階段，而且還應用于產品的研制階段。產品經過環境應力篩選，其使用可靠性可以得到大幅度提高。
原則上，凡能將產品中潛在缺陷激發為故障的應力，均可用于篩選。實踐經驗表明，不同應力在激發產品內部缺陷效果上存在很大差異。篩選應力必須選擇那些激發產品內部缺陷十分有效的應力。從美國環境科學協會（IES）搜集的歷年資料中可以發現，溫度循環是有效的篩選應力方法，其次是隨機振動。在暴露的缺陷中約80%是對溫度循環響應的結果，約20%是對隨機振動響應的結果。實踐證明，溫度循環和隨機振動組成的ESS篩選方法是消除產品潛在缺陷經濟有效的手段。因此，環境應力篩選常選擇的應力就是溫度循環和隨機振動。
1、誘發故障機理
溫度循環和隨機振動誘發故障機理的不同，決定它們所激發的缺陷類型也不一樣。
產品在經受溫度循環時，內部交替膨脹和收縮，使其產生熱應力和應變。當產品內部存在瞬時的熱梯度，或產品內部鄰接材料的熱膨脹系數不匹配時，這些應力和應變將會加劇，并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范圍內對產品施加振動應力，產品在不同的頻率上同時受到應力，并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，產品的結構松動或磨損甚至破壞。可以這樣說，溫度循環在揭示元器件的缺陷方面起主要作用，而隨機振動在揭示工藝和組裝缺陷方面起主要作用。
采用隨機振動-溫度循環-隨機振動組合方式的篩選順序，有利于這2種應力間的協同作用，加速激發和暴露產品內部的潛在缺陷。
2、應力參數的確定
環境應力篩選使用的應力主要是激發故障，而不是模擬工作環境，對于篩選出的故障不僅沒有數量上的限制，而且在費用和時間允許的情況下，希望把盡可能多的缺陷變為故障并加以排除。環境應力篩選所用的應力雖然是加速應力，但不能超出產品設計的極限，不能讓受篩產品因為篩選而使其性能下降或壽命降低。一個經濟有效的環境應力篩選，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
在溫度循環諸參數中，對篩選效果有影響的是溫度變化范圍（或高.低溫極值）、溫度變化速率以及循環次數。
2.1.1 溫度變化范圍
溫度變化范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。選擇溫度極值的關鍵是給產品施加適當應力以析出缺陷而不損壞好的產品。溫度極值的選定必須考慮2個關鍵因素:組件的.貯存溫度;組件設計的工作溫度和工作溫度。
確定的溫度極值應當是受篩產品所經受的溫度不應超過構成產品各組件的各個部件﹑元器件和材料的設計值（貯存溫度和工作溫度）中的小值，溫度不應超過構成產品各組件的各個部件、元器件和材料的設計值（貯存溫度和工作溫度）中的值。在實踐中，使用的溫度范圍基本上在90~180℃之間，選取的小溫度變化范圍是:組件125℃（通常低溫-50℃，高溫75℃），單元110
℃（通常低溫-40℃，高溫70℃），系統100℃（通常低溫-40℃，高溫60℃）。在上述確定方法的基礎上，根據產品的設計能力，選取的溫度變化范圍盡可能大，以提高篩選效率。
2.1.2溫度變化速率
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。提高溫度變化速率可加強產品的熱脹冷縮程度并縮短這一過程的時間，加劇熱應力和應變，因此較高的溫度變化速率可以提供更有效的篩選。由于受產品本身的熱容量和熱慣性的影響，產生在產品上的溫度響應并不都與環境應力篩選試驗箱內的溫度變化速率同步，熱容量大的產品往往出現明顯的溫度變化滯后，尤其是受篩產品質量大，溫度變化速率太高，環境應力篩選試驗箱風速慢的條件下，這種溫度變化滯后更明顯，從而達不到預期的篩選效果。
溫度變化速率的選擇取決于受篩產品的特性，同時還應考慮篩選設備能力。根據美國多年的篩選經驗，印制板組件組裝級的篩選溫度變化速率常采用15~20℃/min，單元級的常采用10~20℃/min，設備和系統級的常采用10~15 ℃/min。
環境應力篩選試驗箱的風速是影響受篩產品溫度響應的重要因素。大的風速加快了環境應力篩選試驗箱內空氣溫度的對流速度，保證了受篩產品各組件與環境應力篩選試驗箱內空氣溫度有良好的熱變換，提高了篩選效率。為改善受篩產品的溫度響應，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系統，提高這些部位的溫度變化速率。美國休斯飛機公司近的經驗表明，對印制板組件組裝級篩選時，為使硬件溫度緊跟環境應力篩選試驗箱中空氣溫度變化，組件處的空氣速度必須至少為4.75
m/s例。對于風速小于5 m/s的環境應力篩選試驗箱，由于受篩產品各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。
為尋找佳的溫度變化速率，要求對受篩產品進行溫度調查，尤其對產品的關鍵部位，依據產生在產品上的溫度響應結果并結合篩選設備能力進行確定。
2.1.3循環次數
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變，當產品內部存在缺陷時，這種熱應力和應變容易在這些缺陷部位集中，激發它們終誘發成故障，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間，從而影響篩選費用。循環次數越多，篩選越徹底。溫度循環次數的選取與受篩產品的結構復雜程度.設計和工藝成熟度密切相關。結構簡單的產品，溫度循環次數可適當少些;產品結構越復雜，所需的溫度循環次數也就越多。用于篩選的產品，一方面希望產品內部潛在缺陷盡可能析出，另一方面又不至于過分消耗產品的有效壽命。對印制板組件來說，一般選擇為20~40個溫度循環，而對單元和系統來說，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中產品是否加電監測也是影響溫度循環篩選效果的重要因素。極值溫度保持時間包括以下兩段時間:第1段是受篩產品的組件溫度達到穩定所需要的時間;第⒉段是組件在溫度極值下浸泡所需要的時間。對于前者，通常有兩種穩定準則:一種是當產品內響應慢的元件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進行溫度調查，當溫度傳感器指示值在極值溫度的±2℃時，才認為達到溫度穩定例。為了縮短溫度穩定時間，可采用風速大的環境應力篩選試驗箱來篩選，在不影響產品結構強度和各級組件固定連接方式的情況下，盡可能去除機柜蓋子，加快產品部件周圍的空氣對流速度。對于后者，即浸泡時間，其目的有2個:保證釬料發生蠕變，這段時間一般為5
min;完成功能測試，時間常常大于5 min。因此，對于不需要監測的產品，浸泡時間為5 min，對于需要監測的產品，浸泡時間則延長至完成功能測試所需要的時間（ ≥5 min）。由于保持時間是決定效費比的主要因素，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的有效方法。單元或系統級產品在篩選過程中通常要求加電監測，但對印刷線路組件（PWA），由于它們在.工.作環境中不能作為獨立產品使用，同時通常也不具備功能檢測的條件，一般不加電監測。考慮到加電使產品產熱從而影響溫度變化速率，加電監測時機宜選在兩個極值溫度保持階段和升溫階段。在溫度循環篩選過程中，增加性能測試次數，可及時發現故障并加以修復，節省篩選時間，提高篩選效果。
2.2隨機振動應力參數的確定
隨機振動是在寬頻率范圍上對產品施加振動，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缺陷。振動篩選的核心是譜形和總量值。因此，確定譜形和總量值是確定振動篩選方案的關鍵。
2.2.1振動譜型和量值
一個充分篩選的振動頻譜應當是寬帶的，頻率范圍常為20~2000 Hz，必要時可依據產品情況，將頻率范圍縮小到100~1000 Hz，以保證受篩產品所有諧振頻率在整個振動時間內同時受到激勵。常規篩選振動量值一般為0.04
gHz，加速度均方根值（Grms）為6.06 g（如圖2所示）。由于產品中缺陷的析出取決于缺陷處的振動響應，而不是取決于振動輸入，因此為了能將產品中的缺陷很好地析出，而又不使敏感的和關鍵的元器件以及好的元器件損壞，必須先對產品尤其對振動響應不清楚的產品進行振動調查，摸清產品對振動輸入的響應特性，包括共振頻率、優勢頻率和各組件對振動輸入的響應情況，再根據產品的振動響應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缺陷又不損壞產品，從而達到理想的篩選效果。根據經驗，元件級、組件級篩選量值通常取0.04~0.045
gHz，而整機產品或含有不耐振部件的產品篩選量值一般低于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。但由于產品的結構特點及復雜程度.內部部件布局以及產品對不同軸向振動的響應程度不同，振動軸向可以是1個軸向也可以是2個或3個軸向。一般情況下只選取單一軸向振動即可有效地完成篩選，但這一軸向應是敏感的軸向，析出的缺陷應遠大于其它2個軸向，具體振動軸向需要通過對3個互相垂直軸向進行振動調查，確定產品關鍵部位的響應，找出敏感的軸向，必要時，可以增加振動軸向以使篩選更充分。
振動時間一般為每軸向5~10 min，累計不超過20 min8。實踐經驗表明，只要振動量值合適，10 min的振動足以析出大多數缺陷3。延長振動時間無益于篩選，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，產品與振動篩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
環境應力篩選是提高產品質量和可靠性的有手段。—個有效的篩選通常要求溫度變化范圍大.溫度變化速率快以及寬帶的隨機振動。對產品確定合適的篩選應力參數既可將其內部潛在缺陷充分析出，又不過分消耗產品的有效壽命或破壞產品，使效費比合理。由于產品的結構特點，復雜程度.功能及使用要求千差萬別.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、對所有產品都具在佳效果的篩選方法。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，還應當對受篩產品進行溫度調查及振動響應調查，進一步優化篩選應力參數。
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