一、概述

環境應力篩選ESS（Environmental Stress Screening）是用于發現和排除產品不良零件、元器件、工藝缺陷以防止出現早期失效，而在環境應力下所實施的生產過程。不同于一般的可靠性試驗，ESS不是一項可靠性測試，而是生產測試。ESS的目標是通過施加的溫度、振動、電壓應力，加速產品的早期失效期，從而將存在早期失效可能的瑕疵產品在生產階段及時被剔除，或修復。防止早期失效帶來的瑕疵品流入市場，引起客戶不滿。從浴盆曲線可以看出，ESS并不能提升產品的固有可靠度，無法提升MTBF或者降低隨機失效階段的失效率。也能看出多做幾個循環ESS并不會“損失”產品的MTBF。ESS 的目標是將產品加速老化以暴露缺陷，而盡快達到“規定的失效率”。

二、實施ESS的層級

熟悉ESS的朋友一定了解MIL-HDBK-2164A，這份標準是業界廣泛使用的ESS測試流程。手冊明確了它的適用范圍是電子設備，不是器件，也不是系統。對于底層的器件，業內較多使用老練Burn-In來篩選早期失效，尤其是大規模集成電路。集成電路不像PCBA板有那么多的焊點，膠水或連接器互聯。在相對成熟的半導體器件封裝上，不需要施加過多的熱機械或者機械應力來激發早期失效。篩選的目標會是激發半導體晶片(Die)本身的失效。因此高溫，高電壓，施加模擬的計算負載的Burn-In顯得更有效率。某些知名CPU廠商甚至將Burn-In直接施加在未封裝的Die甚至未切割的wafer上(Die/Wafer Level Burn-In)。好處顯而易見，對于先天不足容易在Burn-In夭折的Die，切割成Die或者封裝測試成芯片都是浪費。系統層面，設備之間的連接往往是電纜或者板卡連接器。對于這個層面的故障，ESS并不能很好的激發。因此，ESS一般不會施加在系統層面。最有效的ESS應該是在電子設備這個層級上。

三、ESS流程

要制定一套精準的適合產品的ESS流程并不容易。試驗設計相對復雜，要選擇合適的失效分布模型，定義合適的應力參數。想深入了解ESS理論的朋友可以去研究一下孫風斌博士的著作 “Environmental Stress Screening”。著作里面詳細講解了如何設計ESS。諸如使用混合壽命分布-雙態威布爾模型，多參數浴盆曲線，休斯模型等等, 再結合試驗數據來建立ESS流程。對于大多數公司而言，可能沒有大量的試驗數據可以支撐建立一套針對于自身產品的ESS流程。參考行業標準也成為了絕大部分可靠性工程師們的選擇。

GJB1032-90 和MIL-HDBK-2164A大同小異，可以看作國軍標是美軍標的翻譯版本。他們都詳細描述了如何通過施加高低溫循環、電壓、振動應力來進行ESS測試。而MIL-HDBK-344A則從如何制定ESS計劃、定義流程、實施測試，以及選擇合適的數學模型上描述了整個ESS工作的過程。

GJB1032-90 、MIL-HDBK-2164A ESS過程定義了溫度循環以及隨機振動2個階段測試，涉及了溫度循環、振動、電壓3種應力。

1）溫度循環測試

在完成功能測試確保被測產品的各種參數合格后，一般先進行溫度循環測試。

實際操作通常將溫度循環簡化為 10個循環。被測產品在前8個循環發生失效后可以停機維修，維修后繼續后續進行溫度循環測試。最后2個循環要求無失效。如果發生失效，維修后要再運行2個循環，確保能夠完成2個連續的完整的無失效的溫度循環。溫度循環次數和高低溫限可根據產品特性進行適當調整。下圖是NAVMAT P9492中列舉的一些知名企業實施的測試參數。

通電測試一般發生在低溫區開始升溫的階段，以避免被測產品開機后帶來的升溫影響低溫應力的效果。施加的電壓可以是標準電壓或者產品規范中允許的電壓上限。對電壓應力比較敏感的設備，甚至可以設計施加電壓下限到電壓上限的電壓循環。下圖為國軍標中定義的無冷卻和有冷卻系統的溫度循環曲線，與美軍標中定義的曲線基本保持一致。

2）隨機振動篩選

溫度循環完成之后，一般要進行功能測試來確定被測件是否還能完成相應功能。確認功能正常后，會進行隨機振動測試，隨機振動時間為：

Ø 在缺陷剔除試驗階段為5min。

Ø 無故障檢驗階段為5～15min。

與溫度循環無故障檢測階段（failure free phase）類似，在前5分鐘振動中發生失效，可以修復產品后繼續進行測試。在無故障檢驗階段發生故障，修復后必須重新完成5-15分鐘振動且不發生失效。

隨機振動測試條件：隨機振動頻譜如下圖所示，總的能量為6.06GRMS。如果在某一頻點上發生共振導致出現能量尖峰的，可以適當在該頻點上降低能量以避免共振。這也是為什么有些ESS流程中看到的振動頻譜會被切掉一個小溝。在整個隨機振動階段，被測產品應通電監控。其電壓要求與溫度循環類似。

振動方向的選擇取決于產品的物理結構特點、內部部件布局以及產品對不同方向振動的靈敏度。一般情況只選取一個軸向施加即可有效地完成篩選。通常會選擇垂直于PCB板的方向進行振動測試，以在元器件上產生最大的加速度能量。

3）測試順序

美軍標與國軍標都明確要求先進行溫度循環再進行隨機振動，其目的十分明確，利用溫度循環激發諸如焊點開裂，空洞，虛焊等失效，再使用隨機振動將其擴大最終顯現出來。因此溫度循環和隨機振動的順序不能改變。

4）失效后的維修

一般來說維修次數按照生產流程所要求的最大次數開展，諸如BGA芯片返工不可超過3次。其他電子元器件可以不設置限制，但是返工后需要按照諸如IPC610檢驗標準驗收合格。最大的累計溫度循環次數一般不超過20次。發生批量故障或者共性故障應當開展8D報告分析并記錄進入FRACAS系統。

5）ESS抽樣

對于新產品導入，ESS應當100%進行。在生產工藝和來料器件的質量都趨向穩定之后，可以進行抽樣處理。標準中明確說明可以進行ESS抽樣，但是沒有給出具體的抽樣比例。總的原則應該即使實施了一定比例的抽樣ESS，依然不會導致客戶端的失效率超過保證值。

6）更有效的篩選方法

按照上述軍標流程開展ESS，測試時間較長，完整進行一次ESS需要3-4天，會成為生產過程中的瓶頸。因此，在提高生產力的呼聲下，更快速更有效的篩選方法諸如HASS（High Accelerated Stress Screening）越來越受到歡迎。HASS的基本方法是基于HALT的測試結果，使用80%左右的運行限設定為HASS測試的溫度和振動限，進行溫度循環結合隨機振動結合的循環測試。HASS篩選的效率更高，速度更快。但ESS始終是在產品溫度振動spec下進行篩選，相對安全。而HASS通常會施加大于產品的溫度和振動spec，因此風險比較大，容易造成試驗損傷。需要基于經驗進行多次調整之后才能找到合適的測試曲線。