一种加速环境应力筛选方法的应用

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一种加速环境应力筛选方法的应用

施劲松金兴明
(中国航空无线电电子研究所上海200233)
[摘要]介绍了一种加速环境应力筛选方法的应用通过在应答机生产中的实际使用证明此方法对提高
产品的可靠性具有非常明显的作用
[关键字]电子元器件;可靠性试验;环境应力筛选;应答机
[中图分类号]TN304.07;TN306[文献标识码]B[文章编号]1006–141X(2001)01–0015–04

1概述
环境应力筛选是通过向电子产品施加温度循环和随机振动应力,以鉴别和剔除由于产品制造工艺和元器件引起的早期失效,它是一种工艺,适用于产品研制\生产的各个阶段.经实际使用证明它对于提高产品的可靠性具有非常明显的作用,环境应力筛选由温度循环和随机振动组成.

1.1温度循环筛选机理
温度上下循环时,设备交替膨胀和收缩,使设备中产生热应力和应变,如果产品内部有瞬时的热梯度,或产品内部衔接材料的热膨胀系数不匹配,则这些热应力和应变将会加剧,这种应力和应变在缺陷处最大,起着应力集中的作用,达到激发故障的目的.

1.2随机振动筛选机理
随机振动可以在比较宽的频率范围内对产品施加振动,使产品的许多共振点同时受到激励而共振,和正弦振动相比,大大提高了筛选的效率和效果,目前随着随机振动设备在国内的不断普及,随机振动正得到越来越广泛的应用.

2常规试验方案分析
按照GJB1032-90电子产品环境应力筛选方法的要求,对于研制阶段,生产初期的产品必须进行80~120小时的环境应力筛选,在生产阶段,对于全数试验按照简化方案至少进行40小时的筛选,这40小时必须是产品连续无故障工作时间,目前机载电子设备常用的筛选方案参数如表1所示,如产品批量比较大,品种比较多,交付进度比较紧时,由于此筛选方案需要的时间比较长,会影响到产品交付进度,如果单纯靠增加试验设备来保证交机进度,则需要花费大量资金购置试验设备,随之引发人员配备设备场地布置循环冷却水系统和电力增容等一系列棘手问题,因此必须从筛选的方法机理上进行研究分析寻找一个高效的筛选方法

3一种加速筛选方案的制定和运用
九十年代中期,我所通过竞标获得了定点研制生产应答机的资格,应答机是一种用于空中交通管制的机载设备,它可实现对飞行器有效的空中管制,确保飞行安全,我所研制生产的空管两次雷达应答机系统基本组成为,主机控制盒和天线三部分,它与地面两次雷达站配合工作,能在各种气候条件下及时准确地提供载机距离方位飞行高度等信息.实现对飞机的有效跟踪监视,管制从而确保飞行安全根据要求国内所有的现役新研机型都必须在2~3年内改装,上应答机系统,因此在产品设计定型进入批量生产后,平均每年必须向用户提供应答机500~600套,按照要求产品在交付前都必须进行环境应力筛选,以降低产品的早期失效率,应答机控制盒和主机在飞机上安装位置不同,筛选条件不一样,需分别进行筛选.如果每个月交付50套以5套为一组进行筛选

表1目前常用筛选循环参数
温度循环参数
高温设定值设备高温工作极限温度工作在设备舱的通常为+70左右
低温设定值最低一般为-55
一次循环高低温保持时间200分钟左右
温度平均变化速率5/min
循环次数20次

随机振动参数
频率范围Hz20~2000
振动时间10~20min
振动方向单向
振动量值均方根加速度6.06g

以每次筛选需40小时计,则需要10次40小时2=800个工作小时,天线不进行筛选考虑到在实际筛选过程中因故障造成的试验中断而需要增加的筛选时间筛选时间将大于800小时而我所可用于温度循环筛选的试验箱只有一台该设备除了进行应答机的筛选任务外还要承担所内其他
产品的环境应力筛选或进行其他试验因此用这种筛选方案根本无法保证交机进度必须对筛选方案进行分析争取找到一种既能缩短时间又能够保证产品可靠性的办法根据应答机产品的特点我们选用筛选度作为衡量筛选效果的参数这里涉及到两个筛选度即温度循环筛选度和随机振动筛选度温度循环筛选度计算模型如下式所示
筛选度ss=1-exp{-0.0017(R+0.6)0.6[ln(e+v)]3n}

式中R为温度变化范围v为温度变化速率n
为循环次数e为自然对数的底
利用不同温度变化范围温度变化速率循环次数的组合,计算出不同筛选度通过比较可以看出各应力对温度循环筛选度的影响具体
数据如表2所示
表2温度循环筛选度
温度范围
循环次数温度变化率C/min105140145170
2059.91363997E-019.96455120E-019.96854549E-019.98229491E-01
20159.99998196E-019.99999849E-019.99999891E-019.99999978E-01
10159.98656785E-019.99610961E-019.99670586E-019.99851947E-01
10209.99792576E-019.99957667E-019.99965801E-019.99987738E-01
10259.99963075E-019.99994546E-019.99995781E-019.99998772E-01
8159.94959003E-019.98129342E-019.98362453E-019.99136358E-01
8259.99715649E-019.99938433E-019.99949866E-019.99981325E-01
8309.99921328E-019.99986611E-019.99989444E-019.99996634E-01
5259.93923425E-019.97664703E-019.97946083E-019.98892009E-01
5309.97278001E-019.99100056E-019.99224321E-019.99620288E-01

随机振动筛选度计算模型如下式所示:
筛选度ss=1–exp(–0.0046(Grms)1.71t)
对筛选度起作用的主要是均方根加速度Grms和振动时间t不同的均方根加速度值和振动时间

组合的筛选度如表3所示
表3筛选度随机振动筛选

随机振动筛选度
加速度均方根值(Grms)振动时间(min)筛选度
6.06100.334327925
6.06150.456886612
6.06300.705027848
7150.516548697
7300.766274838
8100.434193944
8200.679863508
8300.818864834

由表2可见按照目前常用方案温度范围105
循环次数20次温度变化率5/min其温度循环筛选度为99.13%如果将其调整为温度
变化率30/min循环次数5次温度范围不变其筛选度则达到了99.72%可见在这几个应力中
温度变化率对筛选效果影响最大但是根据目前的方案温度变化速率为5/min由于受试产
品外表面通常都是密封的故设备内部的温度变化速率通常远远小于5度/min因此在筛选时只
有整机外表面是在进行5/min温度循环而对于设备内部各元器件其实是在进行高温试验和低
温试验筛选的一个重要应力的作用被大大减弱了占温度循环周期91.67%的保温时间在筛选度
公式中没有出现可能对温度循环筛选度没有直接作用对于受试产品而言只要其达到温度稳
定即可应答机系统相对于其他产品体积较小达到温度稳定时间较少因此可以考虑减少保温时间

由表3可见增加加速度均方根值和振动时
间可以极大地增加筛选度目前常规方案筛选度为33%如加速度均方根值为8g振动时间为30分钟筛选度可达到81%综上分析在确定了筛选目标后结合应答机组成特点和工作环境通过试验和计算在不改变筛选中产品的故障机理前提下我们拟定了新的环境应力筛选方案方案制定的原则是
提高筛选的温度变化速率扩大温度变化范围减少高低温保持时间适当减少循环次数提高随机振动量级和振动时间在温度循环的同时进行通电振动新的筛选方案一次仅需4个小时可以称为加速应力筛选hass同时所有的产品在经过筛选之后再进行48小时的通电老化
试验具体筛选条件见表4

表4
应答机主机控制盒
高温设定值()+106+86
低温设定值()-65-60
平均温度变化率3020
高低温保持时间5min5min
循环次数次1010
振动共施加30分钟的随机振动Grms为8g,振动期间通电监测性能
共施加10分钟的随机振动Grms为8g,振动期间通电监测性能

使用效果到目前为止已有近千套应答机系统投入使用装备了我国现有的几乎所有军用机种歼强轰运教直等飞机服役地域分布在祖国的大江南北产品最长使用时间已有两年外场使用反映良好没有因为产品可靠性问题而引发重大故障该设备于一九九九年在北京航空航天大学可靠性工程研究所可靠性与环境试验综合实验室进行了可靠性测定试验受试产品总试验时间为4000多台时试验过程中受试产品未发生故障应答机的MTBF真值的单侧置信下限值达到2010小时已经超过了设计目标值目前国内不少单位都面临着在较短时间内研制交付较多产品的情况如利用常规方案则时间和金钱花费巨大因此在不改变失效机理的前提下适当增加应力强度缩短试验时间的加速环境应力筛选是一种可以考虑的方案

参考文献
[1]中华人民共和国国家标准GJB1032-90.电子产品环境应力筛选方法.
[2]中华人民共和国国家标准GJB/Z34-93.电子产品定量环境应力筛选指南.