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嘉峪檢測網 2021-04-25 10:28
一、電子設備缺陷來源
電子設備如果使用了有固有缺陷的元器件且歷經大量的復雜操作工藝,會引人各種明顯缺陷和潛在缺陷,明顯缺陷通過常規檢驗手段均能排除,潛在缺陷則保留在組件之中。
可能引入的缺陷:
電子設備的設計和制造過程中,主要引入三類缺陷:設計缺陷、工藝缺陷和元器件缺陷。
按其來源可分為兩類:
一類是固有(質量)缺陷,由組件中元器件引人的,與元器件供應商工藝過程的成熟程度及其檢驗和試驗方法的效率有關,也與組件制造廠本身對購入元器件的質量要求和驗收水平有關,此類缺陷還包含設計缺陷。
另一類是生產(可靠性)缺陷,由工藝設計不良,生產過程造成或組件中受過應力,搬運損傷(如靜電放電損傷)或檢驗工作等影響而引人的那些缺陷如虛焊、元器件定位不當,表面污染,元器件緊固不當和材料彎曲變形等,其中生產缺陷與環境應力和時間有關且用常規質量檢驗措施不能發現和排除,是潛在缺陷,只能通過受控的ESS(Environmental stress screening)方法和老煉將其剔除。
二、電子設備環境應力篩選
1、定義
環境應力篩選是向產品施加適當的環境應力,主要是熱循環應力及隨機振動應力和電應力激勵,暴露其存在的制造工藝和元器件等缺陷,并加以剔除的一道工序。它是一種經濟有效地保障硬件無制造缺陷和元器件缺陷的工藝,而不是一般意義上的試驗。當然對某些設計不夠成熟的產品或可靠性增長試驗不充分的情況,它也可作為早期發現設計隱患提高產品可靠性的手段。目前環境應力篩選中最為有效的是熱循環和隨機振動試驗,國內外已發表的環境應力篩選調查統計結果表明,在常用的環境應力中,溫度循環、隨機振動和高溫老煉是最有效的3 種篩選應力。
GJB 451-90《可靠性維修性術語》將環境應力篩選定義為:
為發現和排除不良零件、元器件、工藝缺陷和防止出現早期失效,在環境應力下開展的一系列試驗。環境應力篩選的目的在于已知產品在實際使用中將會遇到的主要環境,以及其應力強度,選擇其最能激發在研制中的缺陷的環境和應力,強調以剔除元器件、部件的早期失效及暴露設計和制造工藝的不足而采取的有效措施。
環境應力篩選(工作項目401)是國家軍用標準GJB 450A-2004《裝備可靠性工作通用要求》中規定的可靠性工作項目,其目的是為研制和生產的產品建立并實施環境應力篩選(ESS)程序,以便發現和排除由不良元器件、制造工藝和其他原因引入的缺陷所造成的早期故障。
2、適用對象以及各階段重點工作
環境應力篩選主要適用于電子產品,包括電子組件單機和系統原則上亦可用于電氣光電機電或電化學產品。根據GJB 1032的規定,它可用于海陸空等六類軍事裝備也適用于機載艦載等戰術導彈以及有批量的戰略導彈,對于運載火箭衛星等無批量的產品按MIL-STD -1540C 環境應力篩選亦適用,只是具體篩選應力類型和量級有差異如需增加熱真空循環等而且篩選對象除電子產品外還有閥門等多項非電子產品。
環境應力篩選主要用于產品的批生產階段,批生產產品出廠前一般應100 %地進行環境應力篩選,至少應在元器件級以上的最低組裝級或根據工程實際規定的最佳組裝級的產品上,逐個進行環境應力篩選以消除早期故障。
在產品研制階段,通過ESS預先剔除產品中因工藝缺陷及元器件缺陷引起的故障,據統計60%故障可能是由工藝缺陷引起的,30%故障可能是由元器件缺陷引起的,有助于提高可靠性增長試驗的效益,保證硬件性能和可靠性,滿足要求并為生產階段的篩選做好準備。
在生產階段ESS 從最低組裝級開始,可以較低成本發現隱患并進行改進,消除根源減少高組裝級的返修量及高昂費用,使整個生產過程更為有效管理者可用ESS 為質量控制工具及時發現和解決生產中的質量問題。
由于 ESS 使故障得以在生產步驟中產生減少潛在缺陷,被帶到外場的可能性降低了昂貴的外場維修費用,從而提高了外場可靠性減少型號研制總費用。
交付硬件及備件均經過 ESS 使最初交付硬件滿足可靠性和質量要求,同時使外場故障極少發生或極少采取維修措施,增加了用戶對產品的置信度和滿意度。
3、基本特性
3.1工藝性
ESS是通過向電子產品施加合理的環境應力和電應力,將其內部的潛在缺陷加速變成故障,并通過檢驗發現和排除的過程。因此,ESS是一種工藝手段。
ESS效果主要取決于施加的環境應力、電應力的大小和檢測能力。施加應力的大小取決于能否將潛在的缺陷變成故障;檢測能力的大小則取決于將被應力加速變成故障的潛在缺陷找出來并準確的加以排除。因此。ESS是質量控制檢查和測試過程的延伸,是一個發現故障、分析原因、采取糾正措施和改進的閉環系統。
3.2加速性
ESS通過施加加速的環境應力和電應力,在較短的時間內析出最多可篩選的缺陷。其目的是找出電子產品的薄弱部分,但不損壞好的部分或不引入新的缺陷。如果任意選定應力施加于電子產品進行ESS,將會引起電子產品損壞。因此,應根據電子產品耐振動和耐環境設計能力來確定篩選應力。
3.3非通用性
由于不同用途、不同結構的電子產品對振動和溫度等環境應力作用的響應不同,就不存在各種電子產品都通用的ESS方法。因此,應根據受試產品的響應特性來確定電子產品的ESS使用環境條件和應力參數。
4、分類
環境應力篩選可分為3種類型:
常規環境應力篩選、定量環境應力篩選和高加速環境應力篩選。
常規環境應力篩選:是指不要求篩選結果與產品可靠性目標和成本閾值建立定量關系的篩選。篩選所使用的方法是憑經驗確定的,對篩選效果的好壞和費用是否合理不作定量分析,僅以能篩選出早期故障為目標。常規環境應力篩選現行標準是GJB1032-90《電子產品環境應力篩選方法》,它的特點是易以掌握和應用,它是目前應用最廣泛、時間最長的篩選類型。
定量環境應力篩選:是指要求篩選的效果和成本與產品的可靠性指標和現場的故障修理費用之間建立定量關系的篩選。定量篩選是通過定量地選擇所用應力的強度和檢測儀表的檢測率,正好把計算得到的制造過程所引入的產品的缺陷全部剔除,從而使產品的早期故障率達到規定的定量目標值,現行標準是GJB/Z 34-93《電子產品定量環境應力篩選指南》。由于定量篩選的應用需要提供正確的元器件和工藝的缺陷率、應力強度和檢測設備檢出能力的數據,而且篩選方案設計和方案調整過程非常繁雜,標準中提供的國內外這方面的數據不夠完整且準確度差,所以應用到目前為止不是特別廣泛。
高加速應力篩選(HASS)是在高加速極限試驗(HALT)的基礎上發展起來的一種新篩選類型,這種方法的特點是使用的應力大,需要的時間短。HASS 應力強度比常規ESS 大得多,只適用于研制階段過程應用HALT 獲得工作極限和破壞極限的產品。HASS 技術目前在國際上雖然已開始越來越廣地應用,但在國內基本還處于應用探索階段。
整體而言,當前的標準已經顯現陳舊,方法也待于進一步的進行改進和優化,特別是在提升試驗效率和試驗效果層面。
5、可發現的缺陷
環境應力篩選的效果取決于環境應力、電應力水平,可將設備的潛在缺陷加速變成故障,導致失效,以便盡早排除。
其中熱循環試驗的作用主要是找出元器件結構與生產工藝有關的缺陷;隨機振動試驗更多的暴露設計相關缺陷。
電子設備故障分類絕大多數電子設備的失效都稱為故障,根據故障原因進行分析,可分為缺陷型故障和偶然失效型故障。
根據GJB2082A《電子設備工藝缺陷和機械缺陷分類》標準,從可視角度產生缺陷的主要工藝類型分為:焊接、無焊連接、電線與電纜、多余物、防短路間隙、接點、印制電路板、零件制造安裝、元器件、纏繞、標記等,其中多數都可能產生致命缺陷。
三、隨機振動應力篩選
1、正弦振動試驗:
能用一項正弦函數表達式表達其運動規律的周期運動。例如凡是旋轉、脈動、振蕩(在船舶、飛機、車輛、空間飛行器上所出現的)所產生的振動均是正弦振動。
(1)正弦振動目的
正弦振動試驗的目的是模擬電工電子產品在運輸、儲存、使用過程中所遭受的振動及其影響,并考核其適應性。
(2)正弦振動試驗條件
正弦振動試驗的條件(嚴酷等級)由振動頻率范圍、振動量、試驗持續時間(次數)共同確定。
(3)振動量
振動量:通常通過加速度、速度和位移來表示。
加速度:表示速度對時間倒數的矢量。加速度單位:g或m/s2
速度:在數值上等于單位時間內通過的距離
位移:表示物體相對于某參考系位置變化的矢量。位移單位:mm
(4)加速度
加速度:物體在地球表面由于重力作用所產生的加速度。1g=10m/s2
(5)掃頻、方式、速度
①掃頻:
在規定的頻率范圍內往返掃描一次:
例如:5Hz→50Hz→5Hz,從5Hz掃描到50Hz后再掃描到5Hz。
②掃頻方式
線性掃描:頻率變化線性的,即單位時間掃過多少赫茲,單位是Hz/s或Hz/min,這種掃描用于細找共振頻率的試驗。
對數掃描:頻率變化按對數變化,掃描率可以是oct/min ,對數掃描的意思是相同的時間掃過的頻率倍頻程數是相同的。
③掃描速度:
指從最低頻率掃描到最高頻率的速度。有以下幾種:
—oct/min:多少倍頻程每分鐘。
例:1oct/min,5Hz到10Hz需1分鐘,10Hz到20Hz需1分鐘。
—min/sweep:多少分鐘每次掃頻。
例:5-500Hz,掃描速度:1分鐘/sweep,表示從5Hz到500Hz需1分鐘。
—Hz/s:多少Hz每秒。
例:5-10Hz,掃描速度:1Hz/s,表示5Hz到6Hz需1秒,6Hz到7Hz需1秒。
④交越頻率:
交越頻率:在振動試驗中由一種振動特性量變為另一種振動特性量的頻率。如交越頻率由等位移—頻率關系變為等加速度—頻率關系時的頻率。
2、隨機振動試驗
隨機振動是通過直接給組件施以機械外力激起組件中元器件及其結合部位的諧振來達到暴露潛在隱患為目的的,隨機振動時,頻譜一般為20-2000Hz,所有諧振頻率在整個振動時間內同時受激勵,激發能力大大加強(待補充)。
1)加速度譜密度
表示隨機信號的各個頻率分量所包的加速度方均值在頻域上的分布。通常用ASD表示,單位:m2/s3或是(m/s2)2/Hz。
2)功率譜密度
表示隨機信號的各個頻率分量所包的功率在頻域上的分布。通常用PSD表示,單位:g2/Hz。
加速度譜密度與功率譜密度的換算:
1 g2/Hz=(9.8 m/s2)2=96.04 m2/s3
3)均方根值
在f1和f2區間內單值函數的方均根值,是在該區間內的函數值的平方的平均值的平方根值。通常用rms表示。
3、二者篩選效果比對
3.1 掃頻正弦振動應力
3.1.1掃頻正弦振動應力的篩選度計算
SS =1-exp[-0.000727(G)0.863t]…………………………..(1)
式中:G—高于交越頻率的加速度量值,g;
t—振動時間,min。
按式計算的結果見表2。
3.1.2 掃頻正弦振動應力的故障率
λD = [-Ln (1-SS ) ] / t …………………………(2)
式中:λD —故障率,次/h;
SS—篩選度;
t—時間,h。
按式(2)計算的結果也見表2。
3.1.3 掃頻正弦振動應力激發的故障模式或影響
使結構部件、引線或元器件接頭產生疲勞,特別是導線上有微裂紋或類似缺陷的情況下;
使電纜磨損,如在松馳的電纜結處存在尖緣似的缺陷時;
使制造不當的螺釘接頭松馳;
使安裝加工不當的IC離開插座;
使受到高壓力的匯流條與電路板的釬焊接頭的薄弱點故障;
使未充分消除應力的可作相對運動的橋形連接的元器件引線造成損壞,例如電路板前板的發光二極管或背板散熱板上的功率晶體管;
已受損或安裝不當的脆性絕緣材料出現裂紋。
3.2 隨機振動應力
3.2.1 隨機振動應力的參數
隨機振動應力的參數有:
頻率范圍、加速度功率譜密度(PSD)、振動時間、振動軸向數。
3.2.2 隨機振動應力篩選度
隨機振動應力篩選度的計算式如下:
SS=1-exp[-0.0046(Grms )1.71 t] (3)
式中:Grms—加速度均方根值,g;
Grms =(A1+A2 +A3 )1/2 ; (4)
A1 、A2 、A3 ——隨機振動譜的面積,g2 (見圖);
t—動時間,min。
3.2.3 隨機振動應力故障率計算
隨機振動應力的故障率計算式如下:
λD = [-Ln (1-SS)] / t (5)
式中:λD —故障率,平均次/h;
SS—篩選度;t—時間,h。
按照式(3)計算的篩選度和按照式(5)計算的故障率數值見表3。
表3 隨機振動篩選度和故障率
3.2.4 隨機振動應力激發的故障模式或影響
隨機振動應力激發的故障模式或影響與正弦掃頻振動應力相同,但故障機理更復雜,發展故障的速度要比掃頻正弦振動應力快得多,這是由于隨機振動能同時激勵許多共振點的作用結果。
3.3 振動應力對比
一般說來,振動應力是定量環境應力篩選方法才采用的應力,它可以暴露溫度循環暴露不了的某些缺陷。據統計,對電子設備而言,溫度應力平均可以暴露79%的缺陷,而振動應力平均可以暴露21%的缺陷。因此,振動是不可缺少的篩選應力。掃頻正弦振動臺和隨機振動臺都可以作為振動環境應力篩選的設備,但由表3和表4的數據可以比較它們的故障率(即篩選效率)。
按照GJB 1032《電子產品環境應力篩選》標準要求的典型的隨機振動譜算得其加速度均方根值為6.23g,取為6g;設持續時間為5min,查表3得篩選度為0.389、故障率為5.96次/小時。同樣設掃頻正弦振動的加速度為6g、持續時間為5min,查表2可得篩選度為0.0169、故障率為0.2045次/小時。兩種振動應力的故障率相差甚大,隨機振動是掃頻振動的29倍!
3.4 實際驗證結果對比
上個世紀80年代,美國通用電器會司在發電機,機電傳感器和數學式飛行控制計算機的生產線中采用隨機振動篩選的情況,表明了隨機振動是激發缺陷的特別有效的手段,激發同樣數量的缺陷,隨機振動效率要比溫度循環高得多,指出了發現失效的環境不必定是施加造成此失效的應力環境,因此隨機振動必須與溫度循環相結合才能更為有效。另一方面,隨機振動應力的量值一般應低于性能試驗時的量位,它不會降低產品的可靠性。
作為篩選技術,隨機振動比正弦振動更為有效,而且隨機振動能加速激發失效,使其更早暴露,從而可減少試驗循環數,節省試驗時間。
如對于數字式飛行控制計算機增加了隨機振動后,只要進行10次循環就能激發出用正弦振動需20次循環才能達到的失效數。
四、隨機振動應力篩選試驗相關要求及注意事項
1、隨機振動篩選特性及其應力的確定
a 振動頻率范圍
考慮振動頻率范圍和量值時,重要的是要了解受篩產品的振動響應特性,這可通過響應特性試驗完成。
據國內外的調查結果一個有效的篩選振動譜其頻率范圍應為20Hz-2000Hz,這覆蓋了大部分產品響應的頻率范圍。
b 振動譜型及量級
振動譜型見上圖, 其量級一般在0.01g2/Hz 0.04g2/Hz 間選擇,具體應通過篩選條件摸底試驗,用步進應力法并觀察分析故障機理最后確定,但該譜在用于包含有光電和機電裝置等對振動敏感的產品時應小心使用,此時應當設法根據產品振動響應特性,確定振動應力條件在敏感頻率處可局部降低輸入譜值一般可用0.02g2/Hz代替0.04g2/Hz。
c 振動軸向
原則上,隨機振動一般應在三個軸向進行三向篩選在尋找缺陷方面最有效,但三向篩選工作量大時間長,為經濟起見亦可選擇單軸篩選或兩軸依次篩選。
一般在決定單軸或雙軸激勵軸向前,要進行振動調查測量產品關鍵部位的響應據以找出最有效軸向,在兩個或三個軸向同時激勵產品的振動篩選可以滿足激勵主要響應軸的要求,同時還增加了旋轉激勵。很明顯其優點是可減少篩選和裝卸時間,但這需要有專門的多軸振動臺如雙軸電動振動臺和三軸六自由度氣動振動臺。
d 振動時間
GJB 1032 推薦單軸振動篩選時間為10min,雙軸振動每軸7.5min,三軸振動每軸5min,此外,由于一些篩選是在斷電不工作狀態下進行的在這些條件下將無法找出間歇性等軟故障,故按GJB 1032 規定,允許在篩后利用低量級振動,以便有較充分的時間進行故障復現工作。但篩選和尋找故障用的總振動時間不得超過20min,以免消耗過多的疲勞壽命。
低量級振動的等效時間TD 的計算公式如下:
TD = 20(0.04/低量級振動的功率譜密度值)^3
由上式可知利用低量級振動的等效時間大為延長,有利于故障尋找。應該注意,標準所給定總振動時間不得超過20min,求是經驗性的而不是硬性規定故亦可根據實情適當剪裁。
e 產品通斷電狀態
振動過程中一般應通電并進行性能檢測,以及時發現故障和保證軟故障不漏檢,提高尋找故障效率,但對不具備通電條件的產品,如某些電路板可不通電。
f 無故障振動時間
振動篩選在溫循之后再進行10min 其間至少應有連續5min無故障。
2、隨機振動篩選設備的要求
對隨機振動篩選設備的主要要求如下:
a 要有大尺寸的工作臺面以利于產品安裝;
b 應備有必要的夾具,夾具應在高達2000Hz 的頻率范圍內沒有或只有極小的夾具共振,對給定的夾具和設備組合應進行檢驗,以確定共振或傳遞因子,在夾具校準時,需利用一動力學模擬件來代替實際受篩件以避免在產品上累積,應力循環若使用真實產品則需將振動輸入限制在低量級范圍;
c 應具有由一個或多個加速度計振動輸入進行控制的能力,控制加速度計要安裝在盡可能靠近夾具和產品的部位,或者夾具和支持結構的界面處,控制加速度計應該采用機械緊固件螺釘或螺栓,而不要使用膠接,并應使加速度計的敏感軸向與激勵方向平行。
3、其他相關要求及注意事項
3.1共性要求:
需要注意以下試驗要求:
a) 試驗夾具在規定的功率譜密度頻率上限2000Hz 以內不應有振頻率存在,即在20-2000Hz 范圍內沿振軸方向的傳遞函數必須保持平坦,其不平坦允許偏差不得超過±3 dB(設計如有困難,500-2000Hz 允許放寬到±3 dB,但累計帶寬應在300Hz 以內);試驗條件允許偏差應符合GJB 1032-90 中4.4 節的規定。
b) 隨機振動試驗時,元器件應進行點封或固封。受試產品與夾具或振動臺臺面的連接應模擬產品實際的安裝狀態,包括受力方式、連接件數量及尺寸等,不允許使用設計上沒有的附加固定;有支架或減振器的單機原則上應去除支架和減震器。故障修復后再試驗的時間與故障前的試驗時間(在0.04g2/Hz功率譜密度值下)的總和建議控制在20min以內。
3.2控制點和監測點:
3.2.1加載控制點選擇:
驅動譜基準點—控制點一般為臺面。然而,在隨機振動試驗中,試件各點力學響應相對于其下端而言,除極個別情況某時刻某頻率點可能有減小外,一般均有放大。
故為保證試件中各電子元器件及工藝均能受到某規定量級的隨機振動,驅動譜譜值基準點應選在其下端為宜。因此,要求試驗操作人員應以此來隨時調節臺面控制值(均方根加速度值)
由于試驗臺、工裝和產品結構在實驗過程中構成機械傳動環節,而每個環節的固有諧振頻率不同,因此在標準控制譜輸入的情況下,設備內部每塊模件上不同點的響應互不相同,有的甚至超出標準譜5-6倍甚至更高,造成設備內部某些合格元器件的過考核,使交付產品存在質量隱患。所以,在實驗前均需對參試設備進行摸底試驗,確保設備內部模件上激勵響應的振動量級控制在要求范圍內。
a 被試產品直接固定在振動臺面上的,振動控制點可以直接選在振動臺臺面上;
b 如果通過振動支架與振動臺固連,加載控制點一般選在振動支架與產品連接面處;
c 如果試驗產品帶真實支架的,振動加載控制點一般應選在支架與臺面連接面處;
d試驗應盡量采用多點平均控制,控制點應選在產品與振動臺臺面或夾具的連接面上,靠近產品底板處。
3.2.2監測點選擇:
監測點應該選在試驗產品的關鍵部位處,使其均方根加速度不得超過設計允許最大值,若監測超出,需要進行振動譜分析,允許降低該處譜值,以保證不使試驗產品關鍵部位受到過應力,這在工程實踐中就叫做振動篩選譜形的“挖坑”處置。
其實,這也就是整個學習筆記里面最為關鍵的部分,這里處置不好,就會造成過試驗。
較為傳統的做法:
設備內有n(n ≥ 1)塊模件板,在每塊模件的幾何中心處粘貼傳感器,具體的試驗步驟如下:
(1)選取每塊模件的幾何中心或模件上的關鍵件、重要件處粘貼1 個傳感器。
(2)按照標準的控制梯形譜對振動臺施振。
(3)同時監測每塊模件檢測點的激勵響應,根據響應譜形修正控制譜,使每塊模件上的激勵響應控制在要求的量級內,從而確定輸入控制譜。
3.3振動夾具(工裝)設計要求:
力學試驗是驗證和解決機載設備在飛機振動環境中可靠性的重要手段。夾具是振動試驗中連接被試件和激勵臺的關鍵過渡件,應能夠不失真地將振動臺輸出振幅和振動能量傳遞給被試件,同時模擬設備在真實使用條件下的裝配環境。
一個合格的振動夾具應能夠滿足控制譜要求,不會造成“過振動”或“欠振動”,從而保證環境試驗的有效性。本文主要設計原則如下:
①頻響特性滿足使用要求,即振動夾具與被試件之間不會發生共振耦合;
②比剛度高,阻尼大,需要將激勵載荷以原頻率、原波形地傳遞到被試件上,夾具必須有足夠的剛度;
③為降低在非激勵方向上的附加振動載荷,對于中大型夾具應考慮對稱結構;
④夾具與激勵輸出動圈連接可靠,夾具與動圈之間的連接螺栓應盡可能多,且夾具底面加工精度要高。
4、隨機振動功率譜密度計算
在頻段內功率譜密度曲線所圍成的面積,即為施加到振動臺面的能量。圖中升譜或降譜的斜率是按對數坐標來給出,單位為倍頻程。假設頻率f1處的功率譜密度為PSD1, f2處的功率譜密度為PSD2,則譜值增量為lg(PSD2/PSD1),頻率增量為log2(f2/f1),由此可得譜線斜率為:
可以計算得出:Grms=sqrt(A)=6.23g
以上計算參見《基于多點極值反饋的隨機振動篩選試驗方法》,劉俊連。
五、結論
隨機振動應力篩選是一種有效的提前暴露產品缺陷的方式,在之前因為工裝振動放大以及控制點、監測點的選擇不適宜,特別是在正式振動之前的摸底振動(功率譜“挖坑”)不充分或者未進行,容易導致電子設備單板上部件過振動,篩選應力超過設計極限,損壞設備。
實際上在合理選擇控制點,設置合理的監測點,“挖坑”處置得當之后,隨機振動應力篩選能夠有效發揮其作用,大量的試驗研究也得出一個明確的結論:0.04g2/Hz量值振動20min,對于一般電子設備而言,不會引起疲勞損傷。
但需要明確的是,對于一些新承擔任務單位或之前未承接過較為精密的電子設備篩選試驗的單位,應該從源頭進行有效的確認,特別是在振動應力篩選過程中,工裝、控制點、監測點、“挖坑”缺一不可。
來源:田村山下