快速温变试验箱环境应力筛选应力确定方法手册

快速温变湿热试验箱  技术规格：

环境应力筛选( environmental stress screening（ESS）)为发现和排除产品中不佳零件、元器件、工艺缺陷和防止出现早期失效，在环境应力下所做的一系列试验。它是可靠性试验中的一种类型，也是产品制造过程中的一道工序。产品的组装等级可分为设备级、组件级和元器件级，ESS可以在产品不同的组装等级上实施。应对三个组装等级的产品100%实施ESS。

应根据对产品筛选的效果选择相应的环境应力。对电子产品，ESS的应力主要选择温度（高、低温）循环和振动试验，这两种应力的组合筛选效果较好，能暴露产品各组装等级大部分故障。

研究表明，高低温循环的筛选效果取决于四个方面：高、低温的设定值，高、低温保持的时间，温度变化速率和循环的次数。增大温度变化速率，效果较好。设备中元器件数量多，则循环次数应增加。随机振动筛选效果好于扫频正弦振动，在不造成对产品损坏的情况下，振动应力强一些，则效果好。

元器件的ESS是元器件筛选的主要组成部分，对不同类别元器件的筛选要求和方法，我国有相应的**标准予以规定。 设备级或组件级的ESS的实施要求和过程，ESS过程包括缺陷剔除试验和无故障试验两个组成部分。
 
环境应力的确定方法
环境应力筛选所用的应力值的确定是以经济、有效地发现产品早期故障为目的的，它无需模拟产品真实的环境应力。环境应力筛选应力值一般是比产品实际使用中的环境应力高，但不能超出设计的极限应力，不能使设备性能下降或寿命降低。

温度循环特性及其应力的确定
1、温度循环特性
温度循环（冲击）是*广泛应用的热筛选环境，温度循环筛选方案可用以下参数/因素表征：
• 循环特征：包括低温（极值）、高温（极值）、温度变化速率、在温度极值上的停留时间。• 循环次数• 设备状态• 通电或不通电
• （检）测性能或不监（检）测性能等。
    2、温度上、下限极值选定准则
温度循环中的温度极值决定了筛选强度。选择温度极值的关键是给硬件施加适当应力以析出故障而又不损坏好的产品。应考虑产品贮存温度（高和低）极值（如在印制电路组件中器材的贮存温度极值）和电子元器件的Highest工作温度。确定其温度上、下限极值的准则有：
      • 如果产品进行通电筛选，在其上、下限温度要工作并检测性能，则应力筛选上限温度不应高于产品的设计Highest工作温度，其下限温度不应低于产品的设计*低工作温度，如图1所示。

     • 如果产品不进行通电筛选和在其上、下限温度进行性能检测，则应力筛选的上限温度不应高于产品的贮存高温，其下限温度不应低于产品的贮存低温，如图2所示。
      • 如果产品仅在上（或下）限温度通电并检测性能，则其上限温度不应高于产品设计Highest温度，下限温度不应低于产品贮存低温，或其上限温度不应高于产品的贮存高温，下限温度不应低于产品的设计*低工作温度，如图3所示

 • 在上述各条选用范围内，筛选温度变化幅度应尽可能大，以提高筛选效率。
      • 如仅对产品的某一组件进行筛选，在确定筛选的上下限温度时，要对组件中的各部件和元器件的Highest设计工作温度和*低设计工作温度及贮存高温和贮存低温进行分析对比，分别找出此组件的各部件和元器件的Highest设计工作温度和贮存高温中的*低值，得到一个设计Highest温度和一个贮存高温，再分别找出此组件的各部件和元器件中*低设计工作温度和贮存低温中的Highest值，得到一个设计*低工作温度和一个贮存低温。这4个温度值中，两个工作温度组成一组设计Highest、*低工作温度，两个贮存温度构成一组贮存高、低温。把这两组温度作为确定该组件筛选上、下限温度的依据。

3、温度变化速率确定准则
温度变化速率的物理效应十分复杂。由于受筛产品表面不均匀的热传递，受筛产品表面与内部之间的热滞后以及受筛产品各部分的热惯性不同，受筛产品中就可能存在瞬时温度梯度。这种温度梯度及其引起的热应力/应变随着温度变化速率的增加而增加。温度的变化速率的增加能使筛选强度增加。但温度变化速率太高，有可能损坏受筛产品，且筛选效果不会随着温度变化速率的增加而无限增加。
试验箱内空气温度变化速率不应小于5℃/min，否则，会降低筛选效果。由于受筛产品本身的热惯性，其实际温度变化速率远低于5℃/min，具体取决于受筛产品本身的热惯性、产品在箱内的安装、风速和试验箱的能力等。此外，温度循环下限温度高于0℃的筛选效果不大。
当没有可达到5℃/min变化速度的温度试验箱时，可采用温度冲击筛选（包括两箱法）。温度冲击筛选对于组件级十分有效，但也可能会给产品引入本来不会出现的故障。
4、上、下限温度的持续时间（温度极值下的停留时间）确定准则
（1）受筛产品在温度箱空气温度中停留的时间
该时间包括元器件（零部件）温度达到稳定所需要时间和在温度极值下浸泡所需要的时间。
温度达到稳定的时间的确定准则是：当受筛产品中响应*慢的部分的温度与*终温度之差在规定值之内时，就认为实现了稳定。这一准则的核心是使元器件（零部件）温度达到某一规定值。在不通电筛选的情况下，此*终温度是温度箱空气极值温度；在通电筛选情况下，*终温度取决于设备的种类和环境应力筛选装置。要足够小，以使所有元器件（零部件）均受到适当的应力。GJB 1032中规定为10分钟。。
不推荐把受筛产品中具有Highest热惯性（*慢热响应或*大热滞后）的元部（器）件作为确定温度稳定的部位，因为这样会要求用过多的时间来使那些不重要的大质量元部（器）件作为确定温度稳定的部位，而使一些重要的元部（器）件经受不到适当的热应力来析出其内部缺陷。
（2）浸泡时间
浸泡的目的，一是保证钎料发生蠕变，二是完成功能测试，找出一般环境温度下不会显示出的故障。钎料松弛所需时间一般为5分钟，功能测试的时间取决测试的参数量，因此浸泡时间不能小于5分钟，如要进行功能测试，浸泡时间可延长至测试完成。具体时间可通过温度测定方法确定。
5、温度循环次数（或筛选时间）选择准则
电子产品使用经验表明，早期故障一般在生产后工作到50～100小时期间出现。这个时间可作为确定筛选温度循环次数的参考根据。
GJB 1032规定，不管筛选产品的复杂程度和施加应力的大小，任何产品都用同一个筛选时间，总时间为80～120小时。这一时间能基本保证所有组装级产品筛选后能够消除其早期故障。对于单元和系统来说，这一时间相当于20～30个循环，但对于组件来说，由于温度稳定所需时间短，这一时间相当于20～40个循环。
6、设备状态（通断电和性能检测）确定准则
筛选中是否通电和进行性能检测一般考虑以下因素：
(1) 从提高筛选效果考虑，筛选过程中应尽量通电并进行性能检测。通电筛选在析出缺陷方面要比不通电筛选更有效，通电会在产品中产生温度梯度，可以析出那些不通电筛选时会漏过的缺陷。在筛选出的故障中，有50%左右的故障是在环境应力下才能发现的间歇故障，必须在筛选环境应力作用下通过通电检测才能找出来。
(2）从可能性和经济性考虑，一般在高组装级（单元或系统级）进行通电和检测，低组装级（印刷电路组件）不进行通电和检测，这是因为低组装级往往不具备检测性能的条件，专门设计和制造一个检测系统费用太大。
(3）在温度循环中，降温阶段不应通电，因为通电使产品发热，会影响产品温度变化速率，在温度循环筛选中，应尽量增加性能检测次数，以便及时发现故障和进行修复，节省筛选时间。
(4）通电振动筛选*合适的组装等级是单元（黑盒子）级。
(5）通电、监测的筛选比不通电筛选所需的费用高。
7、无故障循环次数确定准则
无故障循环应作为通电温度循环筛选的一个组成部分，若在规定的无故障时间或循环次数内产品没有出现故障，表明产品达到了预期的筛选要求。GJB 1032规定至少10个循环（约40小时）不出故障，才认为产品通过筛选。当产品复杂程度较低、经费或进度有限制时，可适当减少无故障循环次数，但不得少于3个循环。
随机振动筛选特性及其应力确定
1、随机振动筛选特性
振动筛选的有效性是由受筛产品对振动的响应决定的，而不是由振动输入决定。同一振动输入，不同结构的产品中产生的响应是不同的。受筛产品对振动的响应量值不能超过产品振动设计极限，不能显著影响产品的使用寿命，筛选期间允许产品的功能退化，但不能出现性能中断，且停振后性能应满足要求。
2、振动谱和量值
GJB 1032和GJB/Z 34中，建议以图4所示的振动谱作为筛选振动的输入，同时推荐单轴振动10分钟，多轴振动每轴5分钟。实践证明，将这些条件作用于黑盒子这一组装等级的电子产品一般都能获得满意的结果，可作为这类产品的基线振动方案，但图4的谱对于结构复杂的产品，特别是包含有光电和某些机电装置的产品不一定合适，应当设法根据产品特性确定振动应力条件。

3、振动轴向
随机振动筛选一般应在三个轴向上施加，但如果能够充分证明产品的早期故障仅对某一轴向或某两个轴向的振动敏感，则可选该振动轴向进行单轴向筛选或两个轴向依次筛选，以减少筛选工作量和安装时间。
4、振动持续时间
振动筛选持续时间主要是靠工程经验确定的，典型的振动筛选时间是10分钟，寻找缺陷至少需要5分钟，就足以析出大多数缺陷。
5、通、断电和性能检测
振动过程中应通电并进行性能检测。

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