秒懂環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）

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基本概念

環(huán)境應(yīng)力篩選(Environmental Stress Screening)，簡(jiǎn)稱ESS，是為發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品中**零件、元器件、工藝缺陷和防止出現(xiàn)早期失效，在環(huán)境應(yīng)力下所做的一系列試驗(yàn)。它的意義就是篩選產(chǎn)品，把通過不能用常規(guī)檢驗(yàn)或試驗(yàn)的方法，或肉眼檢驗(yàn)或電氣試驗(yàn)方法查出的缺陷，暴露出來，這些有缺陷的零部件與其制造工藝或工藝技術(shù)有關(guān)，并大量分布在早期失效區(qū)域。

ESS是可靠性試驗(yàn)中的一種類型，也是產(chǎn)品制造過程中的一道工序。產(chǎn)品的組裝等級(jí)可分為設(shè)備級(jí)、組件級(jí)和元器件級(jí)，ESS可以在產(chǎn)品不同的組裝等級(jí)上實(shí)施。應(yīng)對(duì)三個(gè)組裝等級(jí)的產(chǎn)品100%實(shí)施ESS。應(yīng)根據(jù)對(duì)產(chǎn)品篩選的效果選擇相應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力。對(duì)電子產(chǎn)品，ESS的應(yīng)力主要選擇溫度（高、低溫）循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)，這兩種應(yīng)力的組合篩選效果較好，能暴露產(chǎn)品各組裝等級(jí)大部分故障。研究表明，高低溫循環(huán)的篩選效果取決于四個(gè)方面：高、低溫的設(shè)定值，高、低溫保持的時(shí)間，溫度變化速率和循環(huán)的次數(shù)。增大溫度變化速率，效果較好。設(shè)備中元器件數(shù)量多，則循環(huán)次數(shù)應(yīng)增加。隨機(jī)振動(dòng)篩選效果好于掃頻正弦振動(dòng)，在不造成對(duì)產(chǎn)品損壞的情況下，振動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)一些，則效果好。

關(guān)于ESS的五大誤解

為了更好地理解和應(yīng)用環(huán)境應(yīng)力篩選程序，需要澄清如下的誤解：

誤解一：ESS與老化試驗(yàn)是一樣的

ESS是從老化理論發(fā)展起來的，但它是一個(gè)有顯著優(yōu)點(diǎn)的程序，老化是使產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間受恒定溫度的作用，而ESS是一個(gè)加速程序，即在預(yù)先確定的環(huán)境溫度之間，使產(chǎn)品承受多次的循環(huán)應(yīng)力。

誤解二：ESS就是隨機(jī)抽樣

ESS要求100％的產(chǎn)品作暴露試驗(yàn)，而不能隨機(jī)抽樣，因?yàn)楫a(chǎn)品潛在的缺陷特性是隨機(jī)的，將所有產(chǎn)品進(jìn)行篩選是**辦法，以保證篩選程序的有效性。

誤解三：ESS可用于確認(rèn)設(shè)計(jì)

盡管ESS可能有時(shí)暴露一個(gè)不合理的設(shè)計(jì)，但它的意圖是不同的。設(shè)計(jì)有效性用環(huán)境模擬和實(shí)驗(yàn)室分析去確定，即當(dāng)產(chǎn)品用在不超過規(guī)定的環(huán)境下，產(chǎn)品是否有效。而ESS則不同，為了達(dá)到暴露產(chǎn)品潛在缺陷的目的，對(duì)其施以*大容許的激勵(lì)，強(qiáng)制潛在缺陷失效，并從失效數(shù)據(jù)中分析零、部件及產(chǎn)品失效的模式，是工藝缺陷還是設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。這與模擬試驗(yàn)的任務(wù)是完全不同的。

誤解四：ESS無需失效

ESS是用以強(qiáng)制發(fā)生*適當(dāng)?shù)氖?，這些失效在產(chǎn)品正常使用情況下都會(huì)發(fā)生，ESS基于某種產(chǎn)品的模擬性而確定*大允許加載應(yīng)力，無缺陷的產(chǎn)品能吸收而不影響其使用壽命，絕大多數(shù)有潛在缺陷的產(chǎn)品將失效，并在出廠前在廠內(nèi)檢查出來。

誤解五：ESS是昂貴的

ESS程序雖然要花去一些費(fèi)用和時(shí)間，但是，由于可大大減少維修費(fèi)用，三包費(fèi)用，提高產(chǎn)品的價(jià)值，增??市場(chǎng)占有份額，其綜合效益是非常明顯的，ESS提供的方法，是理想的使用產(chǎn)品維修費(fèi)降到*低點(diǎn)的方法。

不同環(huán)境應(yīng)力對(duì)應(yīng)的失效形式

不同的環(huán)境應(yīng)力會(huì)激發(fā)多種不同的失效，需要注意的是當(dāng)某種失效類型發(fā)生時(shí)，這時(shí)再出現(xiàn)另外一個(gè)應(yīng)力，之前的失效可能會(huì)因?yàn)樾碌膽?yīng)力的出現(xiàn)而加劇，也就是說前面應(yīng)力會(huì)為后面應(yīng)力創(chuàng)造條件，從而使得產(chǎn)品更容易失效。

從產(chǎn)品開發(fā)角度來看我們是需要避免這樣的情況發(fā)生，從而*大限度保證產(chǎn)品少失效。但是從試驗(yàn)的角度看，我們又需要這么做來盡可能的暴露產(chǎn)品的潛在失效，從而降低在現(xiàn)場(chǎng)使用的失效，提高產(chǎn)品的可靠性。

雨、雪、霧及結(jié)露：結(jié)構(gòu)退化、破壞及腐蝕；電子失效和保護(hù)膜的損壞

沙塵：引發(fā)表面損壞；增加表面摩擦；潤(rùn)滑油污染；管道堵塞；促進(jìn)疲勞和斷裂和材料斷裂

鹽霧：傳導(dǎo)性能降低；金屬的化學(xué)腐蝕；電子遷移

濕度：低濕導(dǎo)致脆性增加；墊片膨脹；促進(jìn)腐蝕；材料表面?zhèn)鲗?dǎo)性能發(fā)生變化；加速氧化

陽(yáng)光輻射：色彩褪色；橡膠老化；容器內(nèi)部溫度上升；熱老化

高溫：導(dǎo)致參數(shù)漂移，例如電阻值、電容值、電感值、功率因數(shù)和介電常數(shù)；引起運(yùn)動(dòng)部件軟化或者膨脹；引起表面膨脹；引起部件熱老化；化學(xué)活性增加；潤(rùn)滑油的粘性變化；由于物理變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過載

低溫：橡膠彈性降低；結(jié)露；增加熱損耗導(dǎo)致表明破裂；潤(rùn)滑油粘性增加；物理膨脹而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過載

溫度沖擊：導(dǎo)致電子性能參數(shù)變化；材料短時(shí)過載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效或者斷裂

高/低氣壓：爆炸；容器或者建筑物損壞；空氣密封失效；散熱性能降低；儀表顯示錯(cuò)誤；

氣體：加速金屬腐蝕；介電性能降低；加速氧化；改變熱電轉(zhuǎn)換參數(shù)；空氣爆炸

對(duì)于常見的環(huán)境應(yīng)力，他們對(duì)產(chǎn)品失效的影響的大小是不同的，下面所有失效中不同環(huán)境應(yīng)力的比例關(guān)系，其中可以看到溫度所占的比重*高，其次是振動(dòng)和濕度，實(shí)施上在實(shí)際的用戶使用環(huán)境中這三類環(huán)境應(yīng)力是*常見的，相應(yīng)來講如果沒有很好的就這幾個(gè)應(yīng)力進(jìn)行充分測(cè)試就變的非常危險(xiǎn)。

篩選度計(jì)算

產(chǎn)品中存在對(duì)某一特定篩選敏感的潛在缺陷時(shí)，該篩選將該缺陷以故障形式析出的概率（摘自GJB/Z34）。

篩選度計(jì)算公式

GJB/Z34介紹了幾個(gè)常用計(jì)算公式，英文原版來自MIL-HDBK-344A。

1、恒定高溫篩選強(qiáng)度
SS=1-exp [-0.0017(R+0.6)^0.6t]
式中：R—高溫與室溫(一般取25℃)的差值；t—恒定高溫持續(xù)時(shí)間(h)；

例：用85℃對(duì)某一元器件進(jìn)行48H的篩選，則其篩選強(qiáng)度為:61.6%=1-EXP[-0.0017*(60+0.6)^0.6*48]；注意：這里R=85-25=60，而不是直接用85代入計(jì)算；

分析：若上例中如果產(chǎn)品的潛在缺陷對(duì)于恒定高溫敏感，85度&48小時(shí)的測(cè)試僅有61.6%的概率暴露出故障，若要提高概率，可以通過增加溫度或者增加測(cè)試時(shí)間。這里算了下，若溫度不變，將測(cè)試時(shí)間增加到100小時(shí)可以有91.4%的概率暴露故障，實(shí)際情況根據(jù)不同需要更改時(shí)間或溫度；

注意：選用此方案時(shí)，關(guān)機(jī)情況下溫度上限不能超過產(chǎn)品的存儲(chǔ)溫度上限，開機(jī)時(shí)溫度不能超過產(chǎn)品的工作溫度上限。

2、溫度循環(huán)的篩選強(qiáng)度
SS=1-exp{-0.0017(R+0.6)0.6[Ln(e+v)]^3N}
式中：R—溫度循環(huán)的變化范圍（℃）；V—溫變率（℃/min）；N—溫度循環(huán)次數(shù)，e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)2.71828.....;

例：用60℃到－40℃以10℃/min的速率做15次循環(huán)，則對(duì)應(yīng)的篩選強(qiáng)度為：99.87%=1-EXP{-0.0017*(100+0.6)^0.6*[ln(2.71828+10)]^3)*15}；
分析：上例中如果產(chǎn)品的潛在缺陷對(duì)于溫度循環(huán)敏感，85度&48小時(shí)的測(cè)試僅有61.6%的概率暴露出故障，若要提高概率，可以通過增加溫度或者增加測(cè)試時(shí)間。這里算了下，若溫度不變，將測(cè)試時(shí)間增加到100小時(shí)可以有91.4%的概率暴露故障，實(shí)際情況根據(jù)不同需要更改時(shí)間或溫度；

注意：有的推薦每個(gè)循環(huán)20分鐘，這里不建議選取，因?yàn)檫@不是溫度沖擊測(cè)試，通常在做溫度循環(huán)篩選時(shí)，需要在每個(gè)溫度點(diǎn)保持到產(chǎn)品溫度穩(wěn)定，一般電子產(chǎn)品選擇2小時(shí)左右，也即一個(gè)循環(huán)需差不多4小時(shí)。

3、隨機(jī)振動(dòng)的篩選強(qiáng)度
SS=1-exp{-0.0046(Grms)^1.71*t}

4、掃頻正弦振動(dòng)的篩選強(qiáng)度
SS=1-exp{-0.000727(Grms)^0.863*t}

5、共振點(diǎn)駐留的篩選強(qiáng)度
SS=1-exp{-0.00047(Grms)^0.49*t}
3,4,5式中：t—為振動(dòng)時(shí)間（min）；Grms---振動(dòng)G值；

例：用6Grms進(jìn)行5分鐘測(cè)試，則對(duì)應(yīng)的篩選強(qiáng)度為：38.89%=1-EXP{-0.0046*6^1.71*5}

注意：對(duì)于振動(dòng)篩選，通常選用隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行篩選。

下圖為MIL-HDBK-344A原版公式。

驗(yàn)證篩選有效性

先進(jìn)行溫度循環(huán)，接著進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)，施加的應(yīng)力量級(jí)與剔除失效的篩選應(yīng)力等級(jí)相同，不同的是將溫度循環(huán)時(shí)間增加到*大80小時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間增加到*大15分鐘，若試驗(yàn)樣品在80小時(shí)內(nèi)的連續(xù)40小時(shí)無故障，則認(rèn)為其通過了溫度循環(huán)篩選；若試驗(yàn)樣品在15分鐘內(nèi)的連續(xù)5分鐘無故障，則認(rèn)為其通過了振動(dòng)篩選。（摘自GJB/1032）