摘 要 结合工厂的生产实践 , 论述了 ESS(环境应力筛选)的理论与方法及实施 ESS 后产生的经济效益和社会效益, 并探讨了当前 ESS 亟待解决的问题。关键词 ESS(环境应力筛选)理论实践可靠性
1. 引言
早期电子产品可靠性的根本问题是设计问题。随着可靠性理论的发展和线路设计的日趋成熟 ,尤其是 CAD 技术的应用,设计可靠性问题已得到了基本解决。也就是说, 从设计角度讲要获得一种高可靠性的电子产品已非难事。但即使设计成熟的电子产品 ,特别是大型电子产品,在投入批生产以后, 往往由于各种原因 ,如原材料、元器件和制造工艺所带来的缺陷,也很难使产品达到原设计的固有可靠性水平,有时甚至远低于它。
因此,在生产过程中,如何进行严格的质量控制或通过什么样的试验,以达到或接近设计的固有可靠性水平,就成为近年来大家极为关注的问题。我厂在多年的雷达批生产和管理中困扰最多的问题, 就是在各种对接和调试中出现的缺陷与故障 ,致使生产进度受阻,可靠性指标不能满足使用方要求。为此 , 我们在学习国内外经验的基础上 ,经过几年的探索与实践,认为环境应力筛选 (以下简称ESS) 对剔除潜在的缺陷较为有效。目前, 我厂军品的研制与批生产已全部实行 ESS , 并纳入产品技术条件和生产工艺中。
在研制阶段 ,成为寻找产品设计缺陷实现可靠性增长的法宝; 在生产阶段 ,成为降低生产成本、产品创优的重要手段。厂领导不仅认识到了 ESS 为工厂带来的效益已远远超过了为筛选付出的代价同时也认为这是工厂自我反馈的一种好方式, 因此不但支持这一工作 , 而且工作安排上广开绿灯。近几年来,实施过 ESS 后的几大军品, 可靠性验收试验进行得非常顺利,而且 1998 年某雷达08批产品 , 获得原电子工业部优质产品称号。所谓ESS 就是选择若干典型环境因素施加于产品的硬件上使各种潜在的缺陷加速为早期故障,然后加以排除,从而使产品的可靠性达到设计的固有可靠性水平, 同时不使产品受到疲劳损伤。我们选择的环境应力是参照美军标 MIL – STD – 2164 和 GJB1032 – 90 规定的高低温循环和随机振动两种应力。
2. ESS的理论与方法筛选
理论如何正确使用以及应力的施加方法 , 都直接关系到筛选的效率。所谓筛选的效率是指引入的缺陷经 ESS被发现概率, 也称为筛选度。不同的筛选方法在相同的等效准则下能发现的缺陷愈多,则其效率愈高。传统的应力筛选和环境试验的环境因素,只是强调输入环境的真实性, 即强调产品服役期间所经历的环境剖面。但对激发缺陷而言,有些环境因素特别有效, 而另外一些则作用不大。
ESS强调环境效应的效果,它可以与真实的环境不一样, 也就是说应力筛选环境与产品真实使用环境没有直接关系。但需强调的另一方面是不能使产品受到疲劳损伤。美国一些大公司的实践证明了“温度循环加随机振动应力筛选”是一种很有效的方法,我们的试验也证明了这一点。温度循环之所以能加速缺陷暴露, 就在于温度范围较宽, 有较高的变温速率, 持续时间短 ,而产生的热效应力较大(温差越大热效应力就愈大) 。在这样的应力作用下,对那些用不同材料做成的元器件, 因结合不良或材料本身的不均匀性以及制造工艺等所造成的缺陷便会迅速劣化或损坏失效, 但对那些韧性较好的材料所造成的缺陷, 往往需要较多次的循环方能引起劣化 ,如三极管键合点缺陷、集成电路芯片污染的缺陷。故循环次数是 ESS试验的重要参数之一 , 温度循环次数既不能太少也不能无限次的循环下去。
美军标 MIL- STD- 2164中规定的无缺陷预试 10个循环是比较合理的。考虑到疲劳损伤 ,温度极值也是一个关键参数,整机系统一般不超过产品规定的极值 , 分系统可以略高。随机振动应力是在温度循环前后各施加5min。由于随机振动的信号频率是从 20～2000Hz, 它可以在 120min的振动时间内, 对每一频率同时激励, 有充分的时间对那些有缺陷的组件激起共振而暴露, 而无缺陷者也不会疲劳损伤。而正弦扫频振动频率是从低到高依次激励 , 在规定的时间内分摊到每一个共振点,激励是很短暂的, 往往不足以激起共振而暴露缺陷。定频正弦振动频率单一, 很难找到激励缺陷的频率, 因此效应极差。所以, 随机振动既可暴露缺陷, 又不致于使产品疲劳损伤, 是筛选效率较高的一种振动应力。有人把温度循环和随机振动两种应力组合筛选称之为高效应力筛选并不夸张。美国推行高效应力筛选已有近 20年的历史 , 各大公司将此视为提高可靠性的法宝, 也是有依据的。 #p#分页标题#e#
人们对应力筛选最不放心的是担心产品受到疲劳损伤, 但到目前为止 , 还未见应用 ESS试验使产品疲劳损伤的报道。我厂对军工产品实施两级应力筛选。整机系统温度循环高温+ 55℃,低温 – 40℃,无缺陷预试 10次循环 , 无缺陷试验 8～10次 , 升降温速率不小于 5℃/ min。对于系统根据安装位置和工作温度的不同 , 高温从 65～80°C分别确定 ,低温 – 40℃只做无缺陷预试 10次循环。低温向高温过渡施加规定的电应力, 高温向低温过渡电应力停止。高低温持续时间各为 1. 5h,一次完整循环时间为 3. 75h, 在温度循环前后各施加 5min 的随机振动(试验曲线参见GJB1032- 90) 。
3. 应力筛选的应用在多年应用
ESS中 , 我们深深体会到 ESS能使产品渡越早期失效, 能进一步暴露产品设计和制造工艺中存在的不足之处。在1996年某整机进行 ESS中共激发与产品有关的缺陷14个 ,均是在 33h有效试验时间内出现的,平均2. 5h就出现一次缺陷,可见筛选效率之高。严格地说 , ESS 是一种特殊的工艺措施 ,不是一种考核试验,但它与考核试验密切相关,可以作为一种考核试验的补充。因此, ESS 试验可用于产品研制与生产的各个阶段。在产品的研制早期, 它可用于寻找产品设计缺陷 , 为失效机理提供工程信息; 为完善性能、发现薄弱环节提供定量数据;为产品完善设计和选用合适的元器件提供依据。通过改进措施实现产品的可靠性增长。在产品环境试验之前进行 ESS , 可以缩短试验周期,更有利于通过环境试验。在产品可靠性鉴定和验收试验前进行ESS , 不但可以消除潜在的工艺缺陷和元器件缺陷 ,而且还可以缩短试验时间,节省费用和提高试验的成功率, 使产品反映真实的固有可靠性水平。在产品投入批生产后进行 ESS , 可及时剔除早期失控, 避免有缺陷的组件带入整机。不但便于组织生产 , 而且使产品的竞争能力提高。ESS 在我国尚属推广阶段, 社会各界对此项工作的意义及所带来的效益在认识上还有不足之处 , 再加上温变速率较大的高低温试验和复杂的随机振动设备造价均偏昂贵, 也使这一法宝在各企业推广受到一定的阻碍。ESS 已列入 GJB450 – 88 标准之中 , 为今后推广应用提供了依据。随着 GJB1032 – 90、GJB/ Z34 – 94 标准的相继颁布,及人们对此项工作认识的提高,不久的将来 ESS 一定会普遍应用 , 也将给企业带来巨大的经济效益和社会效益。
4. 对 ESS 的几点看法
(1) ESS 作为排除工艺缺陷、提高电子产品可靠性的重要手段已被可靠性工程界及广大用户所接受, 但这种试验应以一系列制造过程的可靠性质量保证措施为基础, 才能为产品提供可靠的、系统的、扎实的依据。若仅在产品制造出来后进行 ESS , 这显然是不充分的。有的使用方把 ESS 中的“无缺陷试验区”看成是一种无失效的验收试验,生搬硬套 MIL – STD -2164 或 GJB1032 – 90“无失效区间”规定的温度循环次数, 这是不合理的, 也不利于 ESS 推广应用。
(2) 在 ESS 中始终坚持失效分析, 是 ESS成败的重要一环。在试验中引起失效的机理和失效模式是多种多样的,既有共同的,也有批次性的 ,不能简单的就事论事,否则失效会多次重复出现。如是设计与工艺引起的失效, 就应立即更改设计和工艺,给予彻底排除;如是器件问题应及时开盖进行镜检分析, 并写出失效分析报告 ,确定失效模式和失效机理,尤其有否带批次性问题, 以便向器件厂反馈或索赔。对受试产品本身也能发现有否过应力出现, 有否带来新的失效模式, 便于总结应力的量级和温度循环次数是否合适。这是一项非常繁琐和细致的工作 , 一定要坚持不懈, 否则将会失去 ESS 的意义。
(3) 我 国 ESS 的 标 准 还 比 较 少GJB1032 – 90 虽然已发布 , 但基本照搬了MIL – STD – 2164 , 没有任何新的内容。由于验证试验较少,应该增加的没有增加,应删除的没有删除, 执行起来有一定困难, 也是 ESS 不能及时推广应用的重要方面。例如无缺陷预试时间 TPDE 和无缺陷试验时间 TDF 均为40h它是在特定的条件下推导出来的,因此对某些设备不一定完全适用。它对电子产品的复杂性之间的差异没有区别对待, 在应用时一定要注意, 要认真分析,在试验中总结,尤其是“无失效区间的规定,要根据产品的平均故障间隔时间的设计值和置信度来确定“无失效区间 T”才是比较我合理的,还需在以后的试验中去总结验证。 #p#分页标题#e#
(4) ESS 实施指南及定量筛选标准 GJB/Z34 – 93 已相继颁布, 必将促进 ESS 工作的推行 , 但现阶段国产元器件所能承受的最大温度速率是多少, 电子产品经受有最佳循环次数又是多少 ,企业成本等方面试验还没发现有人做这些都阻碍了 ESS 在企业的开展和广泛应用迫切需要组织人力加以研究, 以解决实际工作中亟待解决的问题。
