環(huán)境應(yīng)力篩選使用的應(yīng)力主要用于激發(fā)故障，而不是模擬使用環(huán)境，所以不必復(fù)現(xiàn)使用中遇到的環(huán)境。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于電子組件來說，溫度循環(huán)和隨機(jī)振動兩種應(yīng)力在激發(fā)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷方面特別有效。

    一、溫度循環(huán)

    1、基本參數(shù)
    表征溫度循環(huán)篩選應(yīng)力的基本參數(shù)包括上限溫度、下限溫度、溫度變化速率、上限溫度保溫時間、下限溫度保溫時間和循環(huán)次數(shù)。
    2、特性分析
    溫度循環(huán)諸參數(shù)中，對篩選效果影響的是溫度變化范圍、溫度變化速率以及循環(huán)次數(shù)。提高溫度變化范圍和變化速率能加強(qiáng)產(chǎn)品的熱脹冷縮程度和縮短這一過程的時間增強(qiáng)熱應(yīng)力，而循環(huán)次數(shù)的增加則能累計這種激發(fā)效應(yīng)。因此加大上述三參數(shù)中任一參數(shù)的量值均有利于縮短整個溫度循環(huán)篩選效果?？s短在上、下限溫度值上的停留時間有利于縮短整個溫度循環(huán)的時間，提高篩選的效率。產(chǎn)品溫度達(dá)到穩(wěn)定的時間可以以產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件為準(zhǔn)。必要時要特別監(jiān)測該部件的溫度，以保證篩選有效和防止其損壞。
    溫度循環(huán)中試驗(yàn)箱內(nèi)氣流速度是關(guān)鍵因素，因?yàn)樗苯佑绊懙疆a(chǎn)品的溫度變化速率。產(chǎn)品溫度變化速率一般遠(yuǎn)低于試驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度變化速率，提高箱內(nèi)氣流速度能使產(chǎn)品溫度變化速率加大，使其溫度更快接近于試驗(yàn)箱內(nèi)空氣的溫度。
    3、誘發(fā)故障機(jī)理
    當(dāng)溫度在室溫上下循環(huán)時，設(shè)備交替膨脹和收縮，使設(shè)備中產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變。如果某產(chǎn)品內(nèi)部有瞬時的熱梯度，或產(chǎn)品內(nèi)部鄰接材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，則這些熱應(yīng)力和應(yīng)變將會加劇。這種應(yīng)力和 應(yīng)變在缺陷處，起著應(yīng)力集中的作用。這種循環(huán)加載使缺陷長大，終大到出現(xiàn)故障。
    溫度循環(huán)激發(fā)出的主要故障模式如下：
    1）使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴(kuò)大；
    2）使粘結(jié)不好的接頭松弛；
    3）使螺釘連接或鉚接不當(dāng)?shù)慕宇^松弛；
    4）使機(jī)械張力不足的壓配接頭松弛；
    5）使質(zhì)量差的焊接接觸電阻加大或造成開路；
    6）多余物污染；

    二、隨機(jī)振動

    1、基本參數(shù)
    表征隨機(jī)振動篩選應(yīng)力的基本參數(shù)是頻率范圍、功率譜密度、振動時間、振動軸向（數(shù)）。典型的振動譜如圖1所示。

    常用頻譜的加速度均方根值來表示隨機(jī)振動的強(qiáng)度。

圖1

    2、特性分析
    隨機(jī)振動是在很寬的頻率范圍上對產(chǎn)品施加振動，產(chǎn)品在不同的頻率上同時受到應(yīng)力，使產(chǎn)品的許多共振點(diǎn)受到激勵。這就意味著具有不同共振頻率的元部件同時在共振，隨機(jī)振動這一同時激勵特性，其篩選效果大大增強(qiáng)，篩選所需持續(xù)時間大大縮短，其持續(xù)時間可減少到正弦掃頻的1/3~1/5。
    為了使產(chǎn)品中要重點(diǎn)加以篩選的元部件受到強(qiáng)應(yīng)力篩選，以使敏感的關(guān)鍵元件或響應(yīng)過大的部位不產(chǎn)生損壞，可調(diào)整輸入振動量值，即在重點(diǎn)加以篩選的元部件共振頻率附近使用高量值；在關(guān)鍵的元件或大響應(yīng)部位使用低量值。
    即使產(chǎn)品實(shí)際使用中不經(jīng)受任何振動，隨機(jī)振動一般也適用的。這是因?yàn)樵诃h(huán)境應(yīng)力篩選中評價應(yīng)力的適用性的基本原則是把缺陷變成故障的能力，而不管實(shí)際壽命期中這些缺陷如何變成故障。
    3、激發(fā)出的故障模式
    隨機(jī)振動篩選激發(fā)的主要故障模式或影響如下：
    1）結(jié)構(gòu)部件、引線或元件接頭產(chǎn)生疲勞，特別是導(dǎo)線上有微裂紋或類似缺陷的情況下；
    2）電纜磨損；
    3）螺釘接頭松弛；
    4）安裝加工不當(dāng)?shù)募呻娐冯x開插座；
    5）匯流條及連到電路板上的焊接接頭受到高應(yīng)力，引起焊接薄弱點(diǎn)故障；
    6）與可作相對運(yùn)動的部件橋形連接的元器件引線因沒有消除應(yīng)力而造成損壞；
    7）已受損或安裝不當(dāng)?shù)拇嘈越^緣材料出現(xiàn)裂紋。

    三、隨機(jī)振動參數(shù)的計算方法

    隨機(jī)振動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中給出的參考譜值通常是按對數(shù)坐標(biāo)給出的。相鄰的兩點(diǎn)有時給出譜值和頻率值，有時給出一點(diǎn)的譜值、斜率及頻率值。
    1、相關(guān)概念
    1）方根均值
    在f1和f2區(qū)間內(nèi)單值函數(shù)的方均根值，是在該區(qū)間內(nèi)的函數(shù)值的平方的平均值的平方根值。通常用rms表示。
    2）總均方根加速度（Grms)
    均方根加速度指通過頻譜曲線下面的面積開根號值。
    3）功率譜密度PSD
    功率譜密度指隨機(jī)信號的各個頻率分量所包含的功率在頻域上是怎樣分布的，通常用PSD表示，單位g^2/Hz。它在頻域上分布的曲線圖稱譜圖。橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為功率率密度。
    4）倍頻程
    倍頻程oct是octave的縮寫，用log2(f2/f1)求得。
    5）分貝
    分貝decibel,用10log(PSDj/PSDi)求得。

    2、斜率的計算方法

圖2

    如圖2所示，點(diǎn)i的坐標(biāo)為fi,Psdi,點(diǎn)j的坐標(biāo)fj,Psdj,由于所需要計算的斜率是按對數(shù)坐標(biāo)給出的，其單位為dB/oct,此時斜率m表示為：
        m=10lg(Psdj/Psdi)/log2(fj/fi);
    如若已知i的譜值和斜率m，則由上式容易得出j的譜值為：
    Psdj=Psdi(fj/fi)^(m/10lg2)
    3、加速度均方值計算方法
    如圖2所示，要計算加速度均方值就要計算點(diǎn)i、點(diǎn)j、和fi、fj所圍成的圖形的面積。

    其中上升斜率對應(yīng)的公式為：

    下降斜率對應(yīng)的公式為：

    當(dāng)下降斜率為3時，由于分母為零，改換積分公式可以導(dǎo)出：

    平直譜的計算Psd值乘以頻率之差可得。
    4、總的加速度均方值
    總的加速度均方值等于各段曲線的加速度均方值之和。
    Grms^2=g1^2+g2^2+g3^2+....

    四、篩選應(yīng)力的選擇

    1、應(yīng)力類型的選擇和安排
    1）應(yīng)力的選擇

    篩選用的環(huán)境應(yīng)力，一般優(yōu)先采用溫度循環(huán)和隨機(jī)振動。如果經(jīng)濟(jì)條件或設(shè)備條件不許可，可采用效率較低的其他應(yīng)力，如振動改用正弦掃頻振動，溫度循環(huán)改成溫度沖擊等。

圖3

    2）篩選對象

    不同組裝等級（元器件級、組件級、單元級、設(shè)備或系統(tǒng)級）的環(huán)境應(yīng)力篩選。

圖4

    3）應(yīng)力安排

    環(huán)境應(yīng)力篩選不僅取決于采用的各應(yīng)力特有的作用機(jī)理，還取決于其互相加速作用。使用溫度循環(huán)和隨機(jī)振動篩選時，篩選應(yīng)力佳組合應(yīng)是振動-溫度循環(huán)-振動。振動好在循環(huán)前進(jìn)行。

圖5

    GJB1032中規(guī)定的溫度和振動篩選應(yīng)力安排情況如圖6所示。

圖6

    4）應(yīng)力確定原則
    環(huán)境應(yīng)力篩選所用的應(yīng)力一般是加速應(yīng)力，但不能超出設(shè)計的極限應(yīng)力，以不使設(shè)備性能下降或壽命降低。
    2、溫度循環(huán)應(yīng)力的確定方法

    溫度循環(huán)參數(shù)量：溫度范圍、保持時間、溫度變化速率、循環(huán)次數(shù)。

    1）溫度上限、下限值確定準(zhǔn)則
    溫度循環(huán)中的溫度上限、下限值決定了篩選強(qiáng)度。溫度范圍（高低溫之差）表明了產(chǎn)品在每一個循環(huán)中經(jīng)受的熱應(yīng)力/應(yīng)變強(qiáng)度。
    選擇溫度上限、下限值的關(guān)鍵是給硬件適當(dāng)應(yīng)力以析出而又不損壞好的產(chǎn)品。應(yīng)考慮使用儲存溫度極值和元器件的工作溫度?？捎靡韵聨追N方法來確定溫度上、下限：
    a.如果產(chǎn)品打算通電篩選，在其上、下限溫度使要工作并檢測性能，則應(yīng)力篩選的上限溫度不能高于產(chǎn)品的設(shè)計工作溫度，其下限溫度不低于產(chǎn)品的設(shè)計工作溫度；
    b.如果產(chǎn)品不打算進(jìn)行通電篩選和在其上下限溫度時進(jìn)行檢測，則應(yīng)力篩選的上限溫度不應(yīng)高于產(chǎn)品的儲存高溫，其下限溫度不應(yīng)低于產(chǎn)品的貯存低溫；
    c.如果產(chǎn)品只打算僅在上（或下 ）限溫度通電并檢測性能，則其上限溫度不應(yīng)高于產(chǎn)品的設(shè)計工作溫度，下限溫度不應(yīng)低于產(chǎn)品儲存低溫，或其上限溫度不應(yīng)高于產(chǎn)品的儲存高溫，下限溫度不應(yīng)低于產(chǎn)品的設(shè)計工作溫度。
    d.如僅在產(chǎn)品的系統(tǒng)進(jìn)行篩選，在確定篩選的上限、下限溫度時，要對系統(tǒng)中的各部件和元器件的設(shè)計工作溫度和設(shè)計工作溫度及儲存高溫和低溫進(jìn)行對比分別找出此系統(tǒng)的各部件和元器件的設(shè)計工作溫度和儲存高溫中的值，得到一個設(shè)計工作溫度和一個儲存高溫，再分別找出此系統(tǒng)的各部件和元器件中設(shè)計工作溫度和儲存低溫的值，得到一個設(shè)計工作溫度和一個儲存低溫。
    這4個溫度值中，兩個工作溫度構(gòu)成一組，設(shè)計、工作溫度，兩個儲存溫度構(gòu)成一組儲存高、低溫。把這二組溫度作為確定該系統(tǒng)篩選上限、下限溫度的依據(jù)。
    2）溫度變化速率確定準(zhǔn)則
    由于以下原因，在ESS中加熱、冷卻是不均勻的：
    a.受篩產(chǎn)品表面不均勻的熱傳遞；
    b.受篩產(chǎn)品表面與內(nèi)部之間的熱滯后；
    c.受篩產(chǎn)品各部件的熱慣性不一樣。
    因此，在整個受篩產(chǎn)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(yīng)力/應(yīng)變隨著溫度變化速率的增加而增加。如果溫度變化速率太高，有可能損壞受篩產(chǎn)品； 如果箱中空氣流速慢且受篩產(chǎn)品質(zhì)量大，由于熱慣性大，增加試驗(yàn)空氣溫度變化速率反而會導(dǎo)致過分溫和的篩選，因?yàn)槭芎Y產(chǎn)品溫度變化跟不上箱中空氣溫度的變化。
    溫度變化速率不小于5℃/min。溫度變化速率小于5℃/min，篩選效果將降低。
    3）上、下限溫度的持續(xù)時間確定準(zhǔn)則
    種準(zhǔn)則是：當(dāng)受篩產(chǎn)品中響應(yīng)慢的部分的溫度與終溫度之差在規(guī)定值之內(nèi)時，就認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定。這一準(zhǔn)則核心是使元器件溫度達(dá)到某一規(guī)定值。不推薦把受篩產(chǎn)品中具有熱慣性的元部件作為溫度穩(wěn)定的部位，也不推薦僅使組件中的某一部分元部件作為確定的部位。
    第二種準(zhǔn)則是：當(dāng)受篩產(chǎn)品中響應(yīng)慢的部分溫度變化速率達(dá)到某一規(guī)定小值時，就認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定。（不常用）
    4)無故障循環(huán)次數(shù)確定準(zhǔn)則
    無故障循環(huán)應(yīng)作為通電溫度循環(huán)篩選的一個組成部分，其目的主要為：
    a.作為篩選圓滿程度的度量；
    b.作為故障修理是否有效的度量；
    GJB1032規(guī)定至少10個循環(huán)不出故障，才通過其規(guī)定的篩選度的篩選。
    5)設(shè)備狀態(tài)確定準(zhǔn)則
    溫度循環(huán)篩選中，可以在兩個極值中的任一個或在這兩個溫度極值下及在室溫下進(jìn)行充分的檢測。
    從可能性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，一般在高組裝級進(jìn)行通電和檢測，在低組裝級不進(jìn)行通電和檢測。
    在溫度循環(huán)中，降溫階段不應(yīng)通電，因?yàn)橥娛巩a(chǎn)品發(fā)熱，會影響產(chǎn)品溫度變化速率。
    3、隨機(jī)振動應(yīng)力確定方法
    振動篩選時產(chǎn)品中缺陷的析出主要取決于缺陷處振動響應(yīng)量值，振動篩選的有效性是由受篩產(chǎn)品對振動的響應(yīng)決定的，而不是由振動輸入決定的。
    1）振動譜和量值
    考慮振動譜和量值時，重要的是要規(guī)定其激勵特性。一個充分篩選的振動譜的信號是寬帶的，以保證所有時間在連續(xù)頻率上都施加振動且達(dá)到適當(dāng)?shù)淖V量值。
    GJB1032中推薦單軸振動10min，多軸振動每軸5min。
    2）振動軸向
    原則上，隨機(jī)振動一般應(yīng)在3個軸向進(jìn)行，具體進(jìn)行幾個軸向振動，按以下方法確定：
    a.單軸向篩選
    如果經(jīng)充分統(tǒng)計抽樣獲得的數(shù)據(jù)庫篩選數(shù)據(jù)始終能證明在其他軸向發(fā)現(xiàn)的缺陷極少，則限于單一振動軸向的有效振動篩選是可以接受的。決定單軸激勵時，要在3個互相垂直的軸向進(jìn)行振動調(diào)查，確定產(chǎn)品關(guān)鍵部位的響應(yīng)，以找出有效的軸向。
    b.兩軸向依次篩選
    當(dāng)篩選增加到在兩個軸向依次進(jìn)行，將明顯提高發(fā)現(xiàn)缺陷的能力。然而，任意指定在某兩個軸向進(jìn)行篩選，可能會限制尋找缺陷的能力。因此，應(yīng)當(dāng)通過振動調(diào)查或支持兩軸篩選工作的數(shù)據(jù)庫來確定這兩個軸向。
    c.三軸向依次篩選
    從一般意義來說，三軸向篩選在尋找缺陷方面為有效，篩選的有效性取決于單元或系統(tǒng)對振動激勵的響應(yīng)。在每一個軸向隨意施加一個固定的輸入會導(dǎo)致過應(yīng)力或欠應(yīng)力條件。因此，理想的篩選是在每一個軸向施加振動，找出每一軸向佳振動的輸入量值。這就能保證在每個軸向的危險頻率處有足夠的能量去尋找出大多數(shù)預(yù)期的缺陷。
    d.雙軸向或三軸向同時篩選
    在兩個或3個軸向同時激勵產(chǎn)品的振動篩選可以滿足激勵主要響應(yīng)軸的要求，同時還增加了旋轉(zhuǎn)激勵，可大大減少篩選時間和裝卸費(fèi)用。
    3）振動持續(xù)時間
    隨機(jī)振動時間一般是每個方向10min，5min用于激發(fā)缺陷成為故障，以便進(jìn)行修理和剔除早期故障，大部分產(chǎn)品中的潛在缺陷用5min的隨機(jī)振動都能激發(fā)出來。另外用5min進(jìn)行無故障驗(yàn)證。

    五、基線篩選方案與實(shí)施過程

    1、基線篩選方案

    2、常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選設(shè)計程序

圖9 常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選設(shè)計程序