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按有關標準進行ESS時常遇到的問題

作者：網絡編輯：瑞凱儀器來源：網絡發布日期： 2020.11.14

    自20世紀70年代，以美國為首的發達國家在嘗到ESS的甜頭之后，紛紛以文件或標準的形式要求裝備研制生產中須開展此項工作。其中具影響力的文獻當屬MIL-STD-2164《電子設備環境應力篩選方法》和DoD-HDBK-344《(電子設備環境應力篩選》，前者明確了常規篩選的方法，后者為定量篩選提供了指導。緊密跟蹤國外先進的科研生產技術，我國以2164標準為藍本制定了GJB1032-1990《電子產品環境應力篩選方法》，以344手冊為藍本制定了GJB/Z34-1993《電子產品定量環境應力篩選指南》。CJB/Z34內容先進、方法科學合理，但由于篩選條件的制定要依據元器件的缺陷率和所施加應力的篩選度等，而元器件缺陷率是一估計值，且隨著大規模集成電路和新研模塊在產品上的大量應用，缺陷率估計值的可信性越來越小，加上GJB/Z34只適用于純電子產品，所以武器裝備研制和生產中很少按GJB/Z34進行定量篩選。相反，GJB1032在裝備研制與生產中得到了廣泛應用，為剔除產品的早期故障提供了有效手段，在保證裝備的質量與可靠性方面發揮了積極作用。隨著實踐的不斷深人，人們發現GJB1032中的一些規定過于死板，嚴格按該標準進行篩選時往往達不到應有的目的。下面就結合工程實踐中常遇到的一些問題談一些體會。
    1.1 適用范圍
    GJB1032第1節明確，本標準適用于地面固定設備、地面移動設備艦船用設備、飛機用設備及外掛、導彈用設備上的電子產品，且在其第五節明確了篩選條件:80~ 120h的溫度循環和10 ~ 20min .0.04g/Hz的隨機振動。這是不合適的，因為ESS的目的是剔除早期缺陷，同樣的產品用在不同環境中表現出的故障特征是不一樣的。舉一個簡單的例子來說，設某電子產品中存在固有缺陷a.b.c .d。當將其用在導彈上時因為使用環境嚴酷，其固有缺陷ab.e可能會以早期故障的形式暴露出來，因此應針對固有缺陷a、b、c設計合理的篩選方案X，將a、b、c以早期故障的形式暴露出來。當將其用在地面固定設備上時，因為使用環境溫和則可能僅固有缺陷a會以早期故障的形式暴露出來，因此應針對固有缺陷a設計合理的篩選方案Y。顯然方案Y明顯不同于方案X。所以，篩選條件雖不模擬產品的實際使用環境，但在制定產品篩選方案時應考慮產品的使用環境。
    1.2 每個溫度循環的時間.
    G，JB1032第1節明確:“篩選產品可以是印刷電路板組裝件、電子組件或整機”。從理論上講，對于簡單的印刷電路板組裝件，沒有必要進行80~ 120h的溫度循環。因為溫度循環不同于溫度老煉，其激發產品潛在缺陷的有效性主要在于溫度變化導致產品熱脹冷縮而產生的應力，而不是較長時間的恒定溫度累積效應。從測試的一些數據看，對由印刷電路板組成的簡單組裝件，一般0.5h的溫度保持時間已足夠使產品達到熱平衡。再考慮升降溫時間，一般一個循環需要2h左右就可以，而不需要取GJB1032中的3h20min或4h。相反，對于熱慣性較大的復雜電子設備，即使4h的循環時間也達不到應有的篩選效果。如某型導引頭的溫度穩定時間大于3h，再考慮升降溫時間，一般一個循環約需要7h。因此應根據產品的溫度穩定時間確定溫度循環持續時間。
    1.3溫度循環高低溫保持時間的確定
    GJB1032附錄B詳細規定了溫度循環中高低溫保持時間的確定方法，具有很強的操作性，但±10℃的溫度允差范圍明顯不合適。雖然篩選的溫度循環效應主要在于通過溫度變化導致不同材料的變形不一而使缺陷激發為故障，但對大多數電子元器件而言，-45~ - 55℃的低溫極限是一關。如某器件在-45℃能正常工作，但在-50℃很可能不能工作。再者，許多電子元器件的失效率隨著溫度的升高呈幾何級數增加。設某產品的篩選溫度極限為-50~ 70℃，按GJB1032的規定，只要產品上2/3的典型部位的溫度達到-40℃，就可通電測試產品(測試時間一般較短，測試時產品溫度降不到- 50℃);然后升溫，只要產品上2/3的典型部位的溫度達到60℃ ，就可通電測試產品(測試時產品溫度升不到70℃)。即產品上典型部位的溫度大都在- 40~ 60℃之間變化。這樣會導致2個問題:一是低溫環境考核不足，通過了篩選的產品可能在- 50℃的使用環境下不能正常工作;另一個是高溫階段的失效率明顯下降，即高溫階段本來應暴露的多個潛在缺陷只能暴露較少一部分，達不到篩選效果。這一點可從國外某產品的篩選方案得到印證:某電子設備溫度循環中的高低溫保持時間是以探針測得的溫度為準，即篩選中將探針連接到受篩產品的典型部位，當探針指示溫度在極限溫度的±2℃時，才認為達到要求，所以應以±2℃的溫度允差來確定溫度循環中的高低溫保持時間。
    1.4 溫度變化速率
    GJB1032第5.1節明確:“溫度循環的溫度變化率為5℃/min”。這一規定顯然不適用于所有層次的產品，因為溫度循環的有效性取決于產品上響應的溫度變化，而不是由溫度循環試驗箱內空氣溫度的變化率來決定。筆者曾對某復雜飛控設備B進行過溫度測試，設定溫度范圍為-55~ 70℃，溫度變化率為5℃/min，以設備上關鍵器件的溫度達到規定值(上下限溫度值的±2℃ )計算溫度響應時間。測得結果為:全程平均的升、降溫速率分別為1.56℃/min.- 1.40℃/min。假設將某簡單電子組件A和飛控設備B放在溫度循環試驗箱內，按上述條件進行溫度循環。由于產品A的熱慣性較小，產品A能很快響應試驗箱內的溫度變化，設其全程平均的升降溫速率均為4.5℃/min。按GJB/Z34提供的溫度循環篩選度公式(見式1)，假設都進行5個溫度循環，可計算出產品A和設備B的篩選度分別為:0.697和0.366(飛控B的溫度變化率按升降溫速率的平均值1.48℃/min 計算)。
    SS=1-exp{-0.0017(R+0.6 )0[In(e+ζ)]3xN }
    式中:R——溫度循環中的溫度變化范圍，℃
    ζ——溫度變化速率， ℃/min;
    N——循環次數;
    E——自然對數的底。
    可見同樣的篩選條件，不同產品內的缺陷以故障形式析出的概率明顯不同。要想使設備B達到與產品A同樣的篩選度、同樣的篩選溫度范圍和溫變率，需要將溫度循環數增加到13個，因此實際應用中應根據產品熱慣性和試驗設備的能力等確定溫度變化率。對于熱慣性大的產品，較大的箱內溫度變化率要求不但對設備要求苛刻、浪費了資源，更主要的是篩選度的提高很有限。筆者曾對飛控設備B用10℃/min的溫度變化率進行摸底測試，測得結果為:全程( -55 ~ 70℃)平均的升、降溫速率分別為1.80℃/min .-1.64℃/min，按式(1)計算，其篩選度提高到0.400，僅提高了不到10個百分點。
    1.5 溫度循環數
    G，JB1032第5.1節明確:“在缺陷剔除試驗中，溫度循環為10次或12次，相應時間為40h。在無故障檢驗中為10~20次或12~24次，時間為40~80h”。這一規定顯然也不適用于所有產品。從不同環境對產品壽命的效應影響來看，雖然極限溫度范圍內的溫度循環對產品壽命影響遠比隨機振動小.得多，但篩選尤其會影響產品的生產周期。實踐中溫度循環數的多少應視產品的復雜程度而定:組成簡單的產品，溫度循環數可適當減少;組成復雜的產品，溫度循環數可適當增多。如某精確制導炸彈在科研試制階段曾按GJB1032的規定嚴格進行20個溫度循環，該階段研制的20多發產品在篩選中的表現是:若產品在前4個溫度循環中無故障，則產品在以后的16個溫度循環中也無故障。基于這-.實踐，在設計定型階段調整了篩選方案:將試制階段的20個溫度循環數調整為5個，即保證產品經歷5個完整的溫度循環，且應無故障通過后1個溫度循環。由于針對試制階段的問題采取了有效的糾正措施，設計定型階段研制的18發產品在篩選中僅有3發在溫度循環中出現故障，分別是在第1.2.3循環中出現的，經分析都是偶發性故障。從通過了篩選的產品在設計定型環境鑒定試驗、可靠性鑒定試驗和外場靶試的表現來看，未發現因篩選不充分導致的早期故障，因此在產品設計定型后仍采用了此篩選方案。
    1.6 振動應力
    GJB1032第5.2節詳細規定了篩選用隨機振動的譜形、量值、振動時間、施振軸向、振動控制點、監測點等試驗參數。筆者認為施振軸向、振動控制點、監測點的規定適用于工程實際，但對每種產品都施加同樣譜型、同樣量值、同樣時間的振動明顯不合適。雖然篩選的目的是剔除產品中可能發展為早期故障的潛在缺陷，但其前提是不能過多消耗產品的有效壽命。不同產品有不同的壽命要求，篩選用振動應考慮產品的壽命和使用環境而設置。如某制導彈的掛飛壽命較短(10h)，結合產品的外場實測結果，得出其耐久振動試驗譜型見圖1，耐振時間為Y向20min，將其與GJB1032給出的試驗條件(見圖2，振動敏感軸向至少振動10min) 比較可知:若按GJB1032的規定嚴格進行篩選，單隨機振動- -項，幾乎消耗掉了產品的耐振壽命。不但圖2中的均方根值( 6.06g)比產品的耐久振動的均方根值(5.17g)大，且圖2的功率譜密度曲線幾乎包含了產品的耐久振動功率譜密度曲線。因此應根據產品的壽命特征值、未來使用環境和設計極限等來確定篩選中的振動應力。

耐久振動試驗