舰船电子产品高加速环境应力筛选方法研究

2020-08-26董正明马晓峰

舰船电子对抗 2020年3期

董正明，马晓峰

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225101)

0 引言

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[1]。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。舰船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。随着舰船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。本文主要研究舰船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。

1 舰船电子产品早期故障诱发因素研究

舰船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，而舰船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，影响舰船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、机械振动是导致舰船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、机械振动应力撤除后，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[2]。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，同时通过收集到的舰船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，表1罗列出温度和振动应力激发的几种早期缺陷。

表1 温度和振动应力激发的几种典型缺陷

根据GJB/Z34-1993电子产品定量环境应力筛选指南[3]对各类产品中析出的缺陷分布情况统计，利用温度循环可激发出产品约80%的缺陷,随机振动可激发出产品约20%的缺陷，如表2所示。

2 舰船电子产品高加速筛选应力研究

根据前面的分析，高加速筛选应力应选择温度、振动和电应力。环境筛选应力施加形式一般分为温度应力、振动应力及温度与振动的组合应力。温度应力包括高低温贮存、高温工作、快速温变温度循环、慢速温变温度循环、温度冲击；振动应力包括扫频正弦振动、随机振动等，其效果各不相同[4]。温度应力和振动应力激发的缺陷虽有某些相同之处，但其激发的主要缺陷类型是不相同的，不能互相取代。与单个应力分别施加相比，综合应力更能有效激发产品的早期缺陷，只要试验条件容许，高加速应力筛选应采用综合应力。

表2 各种产品中筛出缺陷的分布情况

舰船电子产品高加速应力筛选的应力采用温度循环加随机振动的综合应力，同时施加满载电应力。在高加速应力筛选中，为了缩短温度保持时间，将筛选的温度极限值在设备的工作极限温度外各扩展了5 ℃；从费效比考虑，风速在2 m/s～4 m/s时，确定升降温速率为10 ℃/min；高低温保持时间为30～60 min；循环周期选择5个。随机振动筛选频率范围为20～2 000 Hz，功率谱密度为0.02～0.06 g2/Hz，施加应力时间为10 min。电应力在升温及高温保持过程中，通电时满负载工作，降温及低温保持过程中不通电，具体筛选条件如图1、图2所示，筛选过程如图3所示。其中：TU为高温设定值；TL为低温设定值；tU为低温保持时间；tL为高温保持时间；t为通电时间。

图1 温度循环曲线

图2 随机振动谱曲线

3 高加速应力筛选与常规应力筛选对比分析

首先进行筛选效率分析。根据高加速应力筛选方案，产品上承受的应力与常规筛选相比，有了明显的提高，具体见表3高加速应力筛选参数与常规应力筛选参数对比表。

图3 高加速环境应力筛选流程

表3 高加速应力筛选参数与常规应力筛选参数对比

从理论上分析，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[5]。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见表4。由表4可见，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。

表4 高加速应力筛选与常规应力筛选效率比

再次进行筛选效果对比分析。从缺陷析出数和残留缺陷密度两方面对筛选效果进行分析。为了验证高加速应力筛选的效果，选取3套雷达设备及1套对抗设备实施高加速应力筛选，对另外1套雷达设备及1套对抗设备实施常规应力筛选。6套设备筛选析出故障情况见表5。对比发现，在缺陷析出数方面，高加速应力筛选优于常规应力筛选。

表5 高加速应力筛选与常规应力筛选析出故障列表

对上述6套设备后续发生故障情况进行1年多时间的跟踪调查，发现 6套设备在完成环境应力筛选后，又分别进行了可靠性验收试验、电磁兼容试验和环境适应性试验，在所有试验和后续使用中，经过高加速应力的设备都没有发生故障，只有经过常规应力筛选的1套代码为12Z190的对抗设备2在环境适应性试验中发生了一次故障，详见表6，高加速应力筛选的残留缺陷密度低于常规应力筛选。