环境应力筛选中的故障模式与排故方法分析

贾彦荣 乔兵克 赵祥师 耿静芬

摘要：新时期工业制造发展下，电子产品层出不穷，为保证电子产品质量安全采用环境应力筛选能够起到一定的验证效果。文章通过对环境应力筛选进行分析，并探讨环境应力筛选下存在的故障问题，结合工作实际分析故障排除方法。

关键词：环境应力;应力筛选;故障模式;筛选故障

引言

GJB1032—1990中针对电子产品的环境应力筛选给出了普适的标准，在颁布之初取得了较好的效果。但是，由于其是20世纪90年代制定的标准，因而还是存在着诸多的局限。无差的、不容裁剪的应力条件，已不能满足快速发展的多型现代化装备的筛选需求，环境应力筛选还有待创新。

1环境应力筛选相关概述

环境应力筛选是剔除电子产品早期故障的重要方法，通过对电子产品施加一定的环境应力，可以将产品中的缺陷（主要是工艺缺陷）激发成早期故障并予以剔除。由于环境应力筛选是针对所有产品进行的，要求100%开展环境应力筛选，而目前采用的环境应力筛选方法还属于常规的筛选，筛选所需的时间长，筛选效果难以精确评价，无论是对于大型复杂系统还是大批量生产的产品，环境应力筛选都占据了大量的时间，严重影响了科研生产的开展和产品的及时交付。因此，生产厂家需要更高效的筛选方法，希望利用更短的时间完成筛选工作，达到相同或更好的效果。以机械产品为例，机械产品由于所处的平台与其他产品不同，其故障发生的原因和规律受其环境的影响也有所不同。随着机械产品的需求迅速增加，每年的生产任务成倍增加，原有常规筛选效率和周期远不能满足需要。本文主要研究机械电子产品高加速应力筛选方法，在常规环境应力筛选的基础上，针对不同类别的产品，在不改变故障模式和失效机理的条件下，采用更加有效激发早期故障的应力种类、量级和施加方法，实现缩短时间的高效环境应力筛选。

2环境应力筛选中的故障模式分析

机械电子产品由于所处的环境不同，与其它电子产品相比，既有电子产品共同的特点，又有其特殊性。电子产品的故障发生与其工作环境关系极大，而机械电子产品所承受的环境包含3个方面：自然环境、平台环境、诱发环境。自然环境因素主要包括温度、湿度、盐雾、霉菌、太阳辐射、海浪及其他自然环境因素;平台环境因素主要包括振动、冲击、颠震、摇摆与倾斜;诱发环境因素主要包括装配过程是否适当、“三防”处理是否满足要求。通过以上分析，影响机械电子产品故障发生的因素是多方面的，但是，这些影响因素所产生的效应在产品的寿命周期中所处阶段却有区别。根据对近年来用户反映的产品故障情况统计分析，可得出以下结论：温度、振动是导致机械电子产品发生故障的重要因素，也是导致其发生早期故障的重要因素，但在温度、振动应力撤除后，不会存在残余应力，对产品的后续使用也不会产生影响;盐雾、霉菌和潮湿等环境因素在应力撤除后，影响不会消失，将继续产生影响，如腐蚀的化学过程并未停止，只是可能反应速度变慢一些。施加环境应力，使产品内部的缺陷变成早期故障表现出来，且在应力撤除后，产品不应有应力残余。通过以上分析，盐雾、霉菌、潮湿这几种应力不宜作为环境应力筛选选择的应力，同时通过收集到的机械电子产品早期故障统计结果，可以看出其影响因素仍然以温度与振动为主[1]。

3环境应力筛选排故方法措施

3.1复验筛选专业化

对验收合格的电子元器件，还需要按照统一规定和标准，进行严格复验。同时，对电子元器件有关项目进行补充筛查，以确保电子元器件符合电子产品使用的要求。此外，还要对电子元器件的合格证书进行查验，如果没有取得合格证，则不能进行装机试用。

3.2环境应力筛选试验项目选择

GJB450A-2004《装备可靠性工作通用要求》关于环境应力筛选指出：装备生产过程环境应力筛选，首先要考虑的是尽快激发出产品制造过程引入的潜在缺陷，但不能损坏产品中原来完好的部分。因此，采用加速应力，应力的大小不能超过产品的耐环境设计极限，施加应力的持续时间不能在产品中累积起不允许的疲劳损伤。一般采用快速温度循环和随机振动两个最有效的应力组合进行。也可采用对受筛选产品特别敏感的其它应力。结合GJB1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》的要求，针对机械电子产品一般施加温度应力、振动应力和电应力三个项目，采用综合试验箱来完成生产过程的环境应力筛选[2]。

3.3温度应力筛选

由于高加速应力筛选的应力比常规筛选时更大（综合应力），因而对激发早期故障的效果更好;由于提高了温度变化的速率及高低温极限值，因此缩短了温度保持时间，提高了筛选的效率。以某型电子设备为例分析，常规筛选1个温度循环筛选周期的时间与高加速应力筛选所需要的时间对比下。高加速温度应力筛选时间比常规温度应力筛选最短温度筛选时间缩短了74%;而且，高加速应力施加的是温度与振动的综合应力，振动应力筛选不占用筛选时间，而常规应力筛选温度循环与振动筛选分别进行，考虑到振动筛选本身需要一定的时间外，再加上设备做完温度筛选搬到振动台重新连接电缆、设备加电恢复工作需要一定的时间，因此总的高加速环境应力筛选的时间比常规筛选时间可以缩短80%以上，筛选的效率非常明显。

3.4振动应力筛选

易某产品应力筛选为例，在室内环境试验过程中，为了模拟产品的实际使用环境，基于产品实际使用过程中的安装方式，设计了特定的试验夹具。依据产品实际工作环境进行安装。依据振动试验控制点的选取原则，控制点应选在夹具或者振动台面上最接近产品刚度最大的部位，对于大型整机可采用多点平均控制。在闭环控制系统中，控制点的选择与控制精度有着密切的关系。根据某机载设备的特点，可以采取多点控制方法，控制点均匀地分布在试验夹具上。依据振动试验监测点的布置原则，监测点应选在试验产品的关键部位处，使其均方根加速度不得超过设计允许的最大值[3]。若超过则应进行谱分析，查出优势频率所在，允许降低该处谱值，以保证不使试验产品关键部位受到过应力作用。根据该机载组件的安装特点，本试验中采取多点控制方法。基于试件及夹具的安装方式，综合地考虑试验夹具的对称性及试验过程中试件所受的振动应力值较大部位等因素。通过初期摸底试验发现，在该试验条件下，相对称的两个试件位置监测点的加速度响应值差别较大，试验中检测结果显示响应值较大处测试出现故障。依据如上的试验条件及实施规范开展该产品的综合环境应力试验，累計完成若干批次该机载整机设备的试验工作，试验后对试验结果及外场使用结果进行统计分析，将该统计结果与单环境应力试验内场故障比率及单环境应力外场使用故障比率相对比。

结语

总而言之，机械电子产品故障发生的诱发环境因素及其影响，研究了激发早期故障的应力种类;确定了高加速环境应力筛选应采用的应力和量级、施加方法，从而选取最合适的环境应力筛选方案，严格按照电子产品环境应力筛选规范要求，做好全过程的质量控制。

参考文献

[1]于兆吉，郑会明，黄小凯，等.航天器电子设备温-湿-振综合环境应力试验的设计与过程控制方法[J].航天器环境工程，2015，32（4）：415-418.

[2]徐友康，刘德军，胡鑫.军用电子产品加速度试验监测问题探讨[J].电子产品可靠性与环境试验，2017，35（3）：30-35.

[3]邓传锦，唐莎.电子元器件恒定加速度试验及夹具使用的研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2015，33（5）：51-55.