秒懂環(huán)境應力篩選（ESS）

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基本概念

環(huán)境應力篩選(Environmental Stress Screening)，簡稱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)境應力下所做的一系列試驗。它的意義就是篩選產(chǎn)品，把通過不能用常規(guī)檢驗或試驗的方法，或肉眼檢驗或電氣試驗方法查出的缺陷，暴露出來，這些有缺陷的零部件與其制造工藝或工藝技術有關，并大量分布在早期失效區(qū)域。

ESS是可靠性試驗中的一種類型，也是產(chǎn)品制造過程中的一道工序。產(chǎn)品的組裝等級可分為設備級、組件級和元器件級，ESS可以在產(chǎn)品不同的組裝等級上實施。應對三個組裝等級的產(chǎn)品100%實施ESS。應根據(jù)對產(chǎn)品篩選的效果選擇相應的環(huán)境應力。對電子產(chǎn)品，ESS的應力主要選擇溫度（高、低溫）循環(huán)和隨機振動，這兩種應力的組合篩選效果較好，能暴露產(chǎn)品各組裝等級大部分故障。研究表明，高低溫循環(huán)的篩選效果取決于四個方面：高、低溫的設定值，高、低溫保持的時間，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。設備中元器件數(shù)量多，則循環(huán)次數(shù)應增加。隨機振動篩選效果好于掃頻正弦振動，在不造成對產(chǎn)品損壞的情況下，振動應力強一些，則效果好。

關于ESS的五大誤解

為了更好地理解和應用環(huán)境應力篩選程序，需要澄清如下的誤解：

誤解一：ESS與老化試驗是一樣的

ESS是從老化理論發(fā)展起來的，但它是一個有顯著優(yōu)點的程序，老化是使產(chǎn)品長時間受恒定溫度的作用，而ESS是一個加速程序，即在預先確定的環(huán)境溫度之間，使產(chǎn)品承受多次的循環(huán)應力。

誤解二：ESS就是隨機抽樣

ESS要求100％的產(chǎn)品作暴露試驗，而不能隨機抽樣，因為產(chǎn)品潛在的缺陷特性是隨機的，將所有產(chǎn)品進行篩選是**辦法，以保證篩選程序的有效性。

誤解三：ESS可用于確認設計

盡管ESS可能有時暴露一個不合理的設計，但它的意圖是不同的。設計有效性用環(huán)境模擬和實驗室分析去確定，即當產(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，為了達到暴露產(chǎn)品潛在缺陷的目的，對其施以*大容許的激勵，強制潛在缺陷失效，并從失效數(shù)據(jù)中分析零、部件及產(chǎn)品失效的模式，是工藝缺陷還是設計錯誤。這與模擬試驗的任務是完全不同的。

誤解四：ESS無需失效

ESS是用以強制發(fā)生*適當?shù)氖?，這些失效在產(chǎn)品正常使用情況下都會發(fā)生，ESS基于某種產(chǎn)品的模擬性而確定*大允許加載應力，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用和時間，但是，由于可大大減少維修費用，三包費用，提高產(chǎn)品的價值，增??市場占有份額，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)品維修費降到*低點的方法。

不同環(huán)境應力對應的失效形式

不同的環(huán)境應力會激發(fā)多種不同的失效，需要注意的是當某種失效類型發(fā)生時，這時再出現(xiàn)另外一個應力，之前的失效可能會因為新的應力的出現(xiàn)而加劇，也就是說前面應力會為后面應力創(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；電子失效和保護膜的損壞

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

鹽霧：傳導性能降低；金屬的化學腐蝕；電子遷移

濕度：低濕導致脆性增加；墊片膨脹；促進腐蝕；材料表面?zhèn)鲗阅馨l(fā)生變化；加速氧化

陽光輻射：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)；引起運動部件軟化或者膨脹；引起表面膨脹；引起部件熱老化；化學活性增加；潤滑油的粘性變化；由于物理變形導致結(jié)構(gòu)過載

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

溫度沖擊：導致電子性能參數(shù)變化；材料短時過載導致結(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

對于常見的環(huán)境應力，他們對產(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)境應力的比例關系，其中可以看到溫度所占的比重*高，其次是振動和濕度，實施上在實際的用戶使用環(huán)境中這三類環(huán)境應力是*常見的，相應來講如果沒有很好的就這幾個應力進行充分測試就變的非常危險。

篩選度計算

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

篩選度計算公式

GJB/Z34介紹了幾個常用計算公式，英文原版來自MIL-HDBK-344A。

1、恒定高溫篩選強度
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)時間(h)；

例：用85℃對某一元器件進行48H的篩選，則其篩選強度為: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代入計算；

分析：若上例中如果產(chǎn)品的潛在缺陷對于恒定高溫敏感，85度&48小時的測試僅有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試時間。這里算了下，若溫度不變，將測試時間增加到100小時可以有91.4%的概率暴露故障，實際情況根據(jù)不同需要更改時間或溫度；

注意：選用此方案時，關機情況下溫度上限不能超過產(chǎn)品的存儲溫度上限，開機時溫度不能超過產(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)，則對應的篩選強度為：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)品的潛在缺陷對于溫度循環(huán)敏感，85度&48小時的測試僅有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試時間。這里算了下，若溫度不變，將測試時間增加到100小時可以有91.4%的概率暴露故障，實際情況根據(jù)不同需要更改時間或溫度；

注意：有的推薦每個循環(huán)20分鐘，這里不建議選取，因為這不是溫度沖擊測試，通常在做溫度循環(huán)篩選時，需要在每個溫度點保持到產(chǎn)品溫度穩(wěn)定，一般電子產(chǎn)品選擇2小時左右，也即一個循環(huán)需差不多4小時。

3、隨機振動的篩選強度
SS=1-exp{-0.0046(Grms)^1.71*t}

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

5、共振點駐留的篩選強度
SS=1-exp{-0.00047(Grms)^0.49*t}
3,4,5式中：t—為振動時間（min）；Grms---振動G值；

例：用6Grms進行5分鐘測試，則對應的篩選強度為：38.89%=1-EXP{-0.0046*6^1.71*5}

注意：對于振動篩選，通常選用隨機振動進行篩選。

下圖為MIL-HDBK-344A原版公式。

驗證篩選有效性

先進行溫度循環(huán)，接著進行隨機振動，施加的應力量級與剔除失效的篩選應力等級相同，不同的是將溫度循環(huán)時間增加到*大80小時，隨機振動時間增加到*大15分鐘，若試驗樣品在80小時內(nèi)的連續(xù)40小時無故障，則認為其通過了溫度循環(huán)篩選；若試驗樣品在15分鐘內(nèi)的連續(xù)5分鐘無故障，則認為其通過了振動篩選。（摘自GJB/1032）