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按有關(guān)標準進行ESS時常遇到的問題

作者：網(wǎng)絡(luò) 編輯：瑞凱儀器來源：網(wǎng)絡(luò) 發(fā)布日期： 2020.11.14

    自20世紀70年代，以美國為首的發(fā)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(chǎn)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(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選方法》和DoD-HDBK-344《(電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選》，前者明確了常規(guī)篩選的方法，后者為定量篩選提供了指導(dǎo)。緊密跟蹤國外先進的科研生產(chǎn)技術(shù)，我國以2164標準為藍本制定了GJB1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》，以344手冊為藍本制定了GJB/Z34-1993《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》。CJB/Z34內(nèi)容先進、方法科學(xué)合理，但由于篩選條件的制定要依據(jù)元器件的缺陷率和所施加應(yīng)力的篩選度等，而元器件缺陷率是一估計值，且隨著大規(guī)模集成電路和新研模塊在產(chǎn)品上的大量應(yīng)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(chǎn)品，所以武器裝備研制和生產(chǎn)中很少按GJB/Z34進行定量篩選。相反，GJB1032在裝備研制與生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，為剔除產(chǎn)品的早期故障提供了有效手段，在保證裝備的質(zhì)量與可靠性方面發(fā)揮了積極作用。隨著實踐的不斷深人，人們發(fā)現(xiàn)GJB1032中的一些規(guī)定過于死板，嚴格按該標準進行篩選時往往達不到應(yīng)有的目的。下面就結(jié)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(jié)明確，本標準適用于地面固定設(shè)備、地面移動設(shè)備艦船用設(shè)備、飛機用設(shè)備及外掛、導(dǎo)彈用設(shè)備上的電子產(chǎn)品，且在其第五節(jié)明確了篩選條件:80~ 120h的溫度循環(huán)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(chǎn)品用在不同環(huán)境中表現(xiàn)出的故障特征是不一樣的。舉一個簡單的例子來說，設(shè)某電子產(chǎn)品中存在固有缺陷a.b.c .d。當將其用在導(dǎo)彈上時因為使用環(huán)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(yīng)針對固有缺陷a、b、c設(shè)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(shè)備上時，因為使用環(huán)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(yīng)針對固有缺陷a設(shè)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(chǎn)品的實際使用環(huán)境，但在制定產(chǎn)品篩選方案時應(yīng)考慮產(chǎn)品的使用環(huán)境。
    1.2 每個溫度循環(huán)的時間.
    G，JB1032第1節(jié)明確:“篩選產(chǎn)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(huán)。因為溫度循環(huán)不同于溫度老煉，其激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷的有效性主要在于溫度變化導(dǎo)致產(chǎn)品熱脹冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，而不是較長時間的恒定溫度累積效應(yīng)。從測試的一些數(shù)據(jù)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(chǎn)品達到熱平衡。再考慮升降溫時間，一般一個循環(huán)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(fù)雜電子設(shè)備，即使4h的循環(huán)時間也達不到應(yīng)有的篩選效果。如某型導(dǎo)引頭的溫度穩(wěn)定時間大于3h，再考慮升降溫時間，一般一個循環(huán)約需要7h。因此應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的溫度穩(wěn)定時間確定溫度循環(huán)持續(xù)時間。
    1.3溫度循環(huán)高低溫保持時間的確定
    GJB1032附錄B詳細規(guī)定了溫度循環(huán)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(huán)效應(yīng)主要在于通過溫度變化導(dǎo)致不同材料的變形不一而使缺陷激發(fā)為故障，但對大多數(shù)電子元器件而言，-45~ - 55℃的低溫極限是一關(guān)。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(shù)增加。設(shè)某產(chǎn)品的篩選溫度極限為-50~ 70℃，按GJB1032的規(guī)定，只要產(chǎn)品上2/3的典型部位的溫度達到-40℃，就可通電測試產(chǎn)品(測試時間一般較短，測試時產(chǎn)品溫度降不到- 50℃);然后升溫，只要產(chǎn)品上2/3的典型部位的溫度達到60℃ ，就可通電測試產(chǎn)品(測試時產(chǎn)品溫度升不到70℃)。即產(chǎn)品上典型部位的溫度大都在- 40~ 60℃之間變化。這樣會導(dǎo)致2個問題:一是低溫環(huán)境考核不足，通過了篩選的產(chǎn)品可能在- 50℃的使用環(huán)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(yīng)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(chǎn)品的篩選方案得到印證:某電子設(shè)備溫度循環(huán)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(chǎn)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(yīng)以±2℃的溫度允差來確定溫度循環(huán)中的高低溫保持時間。
    1.4 溫度變化速率
    GJB1032第5.1節(jié)明確:“溫度循環(huán)的溫度變化率為5℃/min”。這一規(guī)定顯然不適用于所有層次的產(chǎn)品，因為溫度循環(huán)的有效性取決于產(chǎn)品上響應(yīng)的溫度變化，而不是由溫度循環(huán)試驗箱內(nèi)空氣溫度的變化率來決定。筆者曾對某復(fù)雜飛控設(shè)備B進行過溫度測試，設(shè)定溫度范圍為-55~ 70℃，溫度變化率為5℃/min，以設(shè)備上關(guān)鍵器件的溫度達到規(guī)定值(上下限溫度值的±2℃ )計算溫度響應(yīng)時間。測得結(jié)果為:全程平均的升、降溫速率分別為1.56℃/min.- 1.40℃/min。假設(shè)將某簡單電子組件A和飛控設(shè)備B放在溫度循環(huán)試驗箱內(nèi)，按上述條件進行溫度循環(huán)。由于產(chǎn)品A的熱慣性較小，產(chǎn)品A能很快響應(yīng)試驗箱內(nèi)的溫度變化，設(shè)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(huán)篩選度公式(見式1)，假設(shè)都進行5個溫度循環(huán)，可計算出產(chǎn)品A和設(shè)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(huán)中的溫度變化范圍，℃
    ζ——溫度變化速率， ℃/min;
    N——循環(huán)次數(shù);
    E——自然對數(shù)的底。
    可見同樣的篩選條件，不同產(chǎn)品內(nèi)的缺陷以故障形式析出的概率明顯不同。要想使設(shè)備B達到與產(chǎn)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(huán)數(shù)增加到13個，因此實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品熱慣性和試驗設(shè)備的能力等確定溫度變化率。對于熱慣性大的產(chǎn)品，較大的箱內(nèi)溫度變化率要求不但對設(shè)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(shè)備B用10℃/min的溫度變化率進行摸底測試，測得結(jié)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(huán)數(shù)
    G，JB1032第5.1節(jié)明確:“在缺陷剔除試驗中，溫度循環(huán)為10次或12次，相應(yīng)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(guī)定顯然也不適用于所有產(chǎn)品。從不同環(huán)境對產(chǎn)品壽命的效應(yīng)影響來看，雖然極限溫度范圍內(nèi)的溫度循環(huán)對產(chǎn)品壽命影響遠比隨機振動小.得多，但篩選尤其會影響產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。實踐中溫度循環(huán)數(shù)的多少應(yīng)視產(chǎn)品的復(fù)雜程度而定:組成簡單的產(chǎn)品，溫度循環(huán)數(shù)可適當減少;組成復(fù)雜的產(chǎn)品，溫度循環(huán)數(shù)可適當增多。如某精確制導(dǎo)炸彈在科研試制階段曾按GJB1032的規(guī)定嚴格進行20個溫度循環(huán)，該階段研制的20多發(fā)產(chǎn)品在篩選中的表現(xiàn)是:若產(chǎn)品在前4個溫度循環(huán)中無故障，則產(chǎn)品在以后的16個溫度循環(huán)中也無故障。基于這-.實踐，在設(shè)計定型階段調(diào)整了篩選方案:將試制階段的20個溫度循環(huán)數(shù)調(diào)整為5個，即保證產(chǎn)品經(jīng)歷5個完整的溫度循環(huán)，且應(yīng)無故障通過后1個溫度循環(huán)。由于針對試制階段的問題采取了有效的糾正措施，設(shè)計定型階段研制的18發(fā)產(chǎn)品在篩選中僅有3發(fā)在溫度循環(huán)中出現(xiàn)故障，分別是在第1.2.3循環(huán)中出現(xiàn)的，經(jīng)分析都是偶發(fā)性故障。從通過了篩選的產(chǎn)品在設(shè)計定型環(huán)境鑒定試驗、可靠性鑒定試驗和外場靶試的表現(xiàn)來看，未發(fā)現(xiàn)因篩選不充分導(dǎo)致的早期故障，因此在產(chǎn)品設(shè)計定型后仍采用了此篩選方案。
    1.6 振動應(yīng)力
    GJB1032第5.2節(jié)詳細規(guī)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(jiān)測點等試驗參數(shù)。筆者認為施振軸向、振動控制點、監(jiān)測點的規(guī)定適用于工程實際，但對每種產(chǎn)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(chǎn)品中可能發(fā)展為早期故障的潛在缺陷，但其前提是不能過多消耗產(chǎn)品的有效壽命。不同產(chǎn)品有不同的壽命要求，篩選用振動應(yīng)考慮產(chǎn)品的壽命和使用環(huán)境而設(shè)置。如某制導(dǎo)彈的掛飛壽命較短(10h)，結(jié)合產(chǎn)品的外場實測結(jié)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(guī)定嚴格進行篩選，單隨機振動- -項，幾乎消耗掉了產(chǎn)品的耐振壽命。不但圖2中的均方根值( 6.06g)比產(chǎn)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(chǎn)品的耐久振動功率譜密度曲線。因此應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的壽命特征值、未來使用環(huán)境和設(shè)計極限等來確定篩選中的振動應(yīng)力。

耐久振動試驗