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品达高低温试验箱环境应力筛选试验

  • 发布日期:2018-02-01      浏览次数:2105
    • 品达高低温试验箱环境应力筛选试验

       

       

       

      1  高低温试验箱环境应力筛选的目的和原理 

       

      1.1  高低温试验箱环境应力筛选的目的

          高低温试验箱环境应力筛选的目的在于发现和排除产品的早期失效,使其在出厂时便进入随机失效阶段,以固有的可靠性水平交付用户使用。

      1.2  环境应力筛选的原理

          高低温试验箱环境应力筛选是通过向电子装备施加合理的环境应力和电应力,将其内部的潜在缺陷加速变成故障,以便人们发现并排除。

          高低温试验箱环境应力筛选是装备研制生产的一种工艺手段,筛选效果取决于施加的环境应力、电应力水平和检测仪表的能力。施加应力的大小决定了能否将潜在的缺陷在预定时间内加速变为故障;检测能力的大小决定了能否将已被应力加速变成故障的潜在缺陷找出来,以便加以排除。因此,环境应力筛选又可看作是产品质量控制检查和测试过程的延伸。

       

      2  缺陷分类

      2.1  通用定义

          产品丧失规定的功能称失效。对可修复产品通常也称为故障。对设备而言,任一质量特征不符合规定的技术标准即构成缺陷。

          绝大多数电子装备的失效都称为故障,以故障原因对其进行分解可以参阅图2.1.1。从图中可知,装备故障分为偶然失效型故障和缺陷型故障两大类。人们认为偶然故障表现为随机失效,是由元器件、零部件固有失效率引起的;而缺陷型故障由原材料缺陷、元器件缺陷、装配工艺缺陷、设计缺陷引起,元器件缺陷本身又由结构、工艺、材料等缺陷造成,设计缺陷则包含电路设计缺陷、结构设计缺陷、工艺设计缺陷等内容。

       

       

      2.2  电子设备可视缺陷分类

          按照GJB 2082《电子设备可视缺陷和机械缺陷分类》,从影响与后果方面缺陷分为致命缺陷、重缺陷、轻缺陷;从可视的角度来看,产生缺陷的主要工艺类型有:焊接、无焊连接、电线与电缆、多余物、防短路间隙、接点、印制电路板、零件制造安装、元器件、缠绕、标记等,其中多数都可能产生致命缺陷或重缺陷,轻缺陷比较普遍。

          致命缺陷是指对设备的使用、维修、运输、保管等人员会造成危害或不安全的缺陷,或可能妨碍某些重要装备(如舰艇、坦克、大型火炮、飞机、蛋蛋等)的战术性能的缺陷。

          重缺陷是指有可能造成故障或严重降低设备使用性能,但又不构成致命缺陷的缺陷。

          轻缺陷是指不构成重缺陷,但会降低设备使用性能或不符合规定的技术标准,而对设备的使用或操作影响不大的缺陷。

          可视缺陷是指通过人的视觉器官可直接观察到的,或采用简单工具对设备质量特征所能判定的缺陷。

          承制单位的质量检验人员对大多数可视缺陷都可以发现并交有关部门排除,唯有不可视缺陷需要进行环境应力筛选或其它方法才能被发现,否则影响产品可靠性。

       

      3  高低温试验箱筛选应力及其效应表达式

      3.1  常规筛选与定量筛选

          常规筛选是指不要求筛选结果与产品可靠性目标和成本阈值建立定量关系的筛选。筛选方法是凭经验确定的,筛选中不估计产品引入的缺陷数量,也不知道所用应力强度和检测效率的定量值,对筛选效果好坏和费用是否合理不作定量分析,仅以能筛选出早期失效为目标。筛选后的产品不一定到达其故障率恒定的阶段。

          定量筛选是要求筛选的结果与产品的可靠性目标和成本阈值建立定量关系的筛选。定量筛选有关的主要变量是引入缺陷密度、筛选检出度、析出量或残留缺陷密度。引入缺陷密度取决于制造过程中从元器件和制造工艺两个方面引进到产品中的潜在缺陷数量;筛选检出度取决于筛选的应力把引入的潜在缺陷加速发展成为故障的能力和所用的检测仪表把这些故障检出的能力;残留缺陷密度和缺陷析出量则取决于引入缺陷密度和筛选检出度。定量环境应力筛选关系式如下:

              DR=DIN—F

                =DIN(1—TS)                         (2-3-1)

              TS=SS×DE                            (2-3-2)

      式中:DR——残留缺陷密度,平均个/产品;

            DIN ——装备引入的缺陷密度,平均个/产品;

            F——境应力筛选析出的缺陷量,平均个/产品;

            TS——筛选检出度;

            SS——筛选度;

            DE——检测效率。

          在进行定量筛选之前,首先要按照可靠性要求确定残留缺陷密度的目标值DRG,然后通过适当地选择筛选应力种类及其量值的大小、检测方法、筛选所在等级等参数设计筛选大纲。实施此大纲时,要进行监测和评估,确定DIN、SS、DR的观察值,并与设计估计值比较,以便及时采取措施保证实现定量筛选目标,并使之有效。定量环境应力筛选的控制过程请参阅图2.3.2。

      3.2  恒定高温应力

      3.2.1  参数的计算

      3.2.1.1  筛选度计算

          设恒定高温筛选的应力参数是温度Tu 、筛选时间t、环境温度TE (一般取25℃),其筛选度SS的表达式为:

          SS=1-exp[-0.0017(R+0.6)0.6 t]      (2-3-3)

      式中:R=Tu-TE =Tu-25  ——温度变化范围,℃;

         t——恒定高温的持续时间,h。

        按公式(2-3-1)计算的恒定高温筛选度数据见表2-3- 

       

      3.2.2  筛选故障率计算

          恒定高温筛选时缺陷的故障率表达式如下:

        λD =[-ln(1-SS)]/t                (2-3-4)

      式中:λD ——故障率,次/小时;

         SS——筛选度;

      根据式(2-3-4)计算的恒定高温故障率(λD )见表2-3-1

      表2-3-1 恒定高温筛选度(SS)和故障率(λD )

      时间

      (

      D

      t

      H

      0

      10

      20

      30

      40

      50

      60

      70

      80

      10

      0.0124

      0.0677

      0.0991

      0.1240

      0.1452

      0.1639

      0.1809

      0.1964

      0.2108

      20

      0.0247

      0.1808

      0.1885

      0.2326

      0.2693

      0.3010

      0.3290

      0.3542

      0.3772

      30

      0.0368

      0.1896

      0.2689

      0.3278

      0.3754

      0.4256

      0.4504

      0.4810

      0.5084

      40

      0.0488

      0.2445

      0.3414

      0.4112

      0.4661

      0.5114

      0.5498

      0.5830

      0.6121

      50

      0.0606

      0.2956

      0.4067

      0.4842

      0.5436

      0.5915

      0.6312

      0.6649

      0.6938

      60

      0.0723

      0.3433

      0.4655

      0.5481

      0.6099

      0.6584

      0.6979

      0.7807

      0.7884

      70

      0.0839

      0.3877

      0.5185

      0.6042

      0.6665

      0.7144

      0.7525

      0.7836

      0.8093

      80

      0.0953

      0.4292

      0.5663

      0.6533

      0.7149

      0.7612

      0.7973

      0.8261

      0.8495

      90

      0.1065

      0.4678

      0.6093

      0.6963

      0.7563

      0.8004

      0.8339

      0.8602

      0.8812

      100

      0.1176

      0.5038

      0.6480

      0.7339

      0.7917

      0.8331

      0.8640

      0.8877

      0.9063

      110

      0.1286

      0.5374

      0.6829

      0.7669

      0.8219

      0.8605

      0.8880

      0.9097

      0.9260

      120

      0.1394

      0.5687

      0.7144

      0.7968

      0.8478

      0.8833

      0.9087

      0.9275

      0.9416

      130

      0.1501

      0.5979

      0.7427

      0.8211

      0.8699

      0.9025

      0.9252

      0.9417

      0.9539

      140

      0.1607

      0.6251

      0.7687

      0.8433

      0.8888

      0.9184

      0.9388

      0.9532

      0.9639

      150

      0.1711

      0.6505

      0.7912

      0.8628

      0.9049

      0.9318

      0.9498

      0.9624

      0.9713

      160

      0.1814

      0.6742

      0.8119

      0.8798

      0.9187

      0.9430

      0.9589

      0.9697

      0.9774

      170

      0.1916

      0.6962

      0.8305

      0.8947

      0.9325

      0.9523

      0.9663

      0.9757

      0.9821

      180

      0.2017

      0.7168

      0.8473

      0.9077

      0.9406

      0.9602

      0.9724

      0.9805

      0.9859

      190

      0.2116

      0.7360

      0.8625

      0.9192

      0.9492

      0.9667

      0.9774

      0.9843

      0.9889

      200

      0.2214

      0.7538

      0.8761

      0.9292

      0.9566

      0.9721

      0.9815

      0.9874

      0.9912

      λD

      0.0013

      0.0070

      0.0104

      0.0132

      0.0157

      0.0179

      0.0199

      0.0219

      0.0237

       

      3.2.3  恒定高温应力激发的故障模式或影响

          恒定高温能激发的故障模式(或对产品的影响)主要有:

          使未加防护的金属表面氧化,导致接触不良或机械卡死,在螺钉连接操作时用力不当或保护涂层上有小孔和裂纹都会出现这种未防护的表面。

          加速金属之间的扩散,如基体金属与外包金属,钎焊焊料与元件,以及隔离层薄弱的半导体与喷镀金属之间的扩散;

          使液体干涸,如电解电容和电池因高温造成泄漏而干涸;

          使热塑料软化,如该热塑料件处于太高的机械力作用下,则产生蠕变;

          使某些保护性化合物与灌封蜡软化或蠕变;

          提高化学反应速度,加速与内部污染物的反应过程;

          使部分绝缘损坏处绝缘击穿。

      3.3  温度循环应力

      3.3.1  温度循环应力参数

          温度循环应力参数有:上限温度、下限温度、循环次数、温度变化速率。

      3.3.2  温度循环应力筛选度计算

           SS=1-exp-0.0017(R+0.6)0.6 [Ln(e+v)]3 .N       (2-3-5)                                                             

          式中:R=Tu-TL ,——温度变化范围,℃;

              Tu ——上限温度,℃;

              TL ——下限温度,℃;

              V ——温度变化速率,℃/min;

             N ——循环次数;

              e =2.71828,——自然对数的底。

        按式(2-3-5)计算的温度循环应力筛选度见表2-3-2。

        

      表2-3-2  温度循环应力筛选度

      速率

                                          

      ℃/m

      20

      40

      60

      80

      100

      120

      140

      160

      180

      2

      5

      0.1683

      0.2349

      0.2886

      0.3324

      0.3697

      0.4023

      0.4312

      0.4572

      0.4809

      2

      10

      0.2097

      0.4031

      0.4812

      0.5410

      0.5891

      0.6290

      0.6629

      0.6920

      0.7173

      2

      15

      0.3911

      0.5254

      0.6124

      0.6752

      0.7232

      0.7612

      0.7920

      0.8175

      0.8388

      2

      20

      0.4707

      0.6155

      0.7034

      0.7636

      0.8075

      0.8407

      0.8665

      0.8871

      0.9037

      4

      5

      0.2998

      0.4147

      0.4939

      0.5543

      0.6027

      0.6427

      0.6765

      0.7054

      0.7305

      4

      10

      0.4969

      0.6437

      0.7308

      0.7893

      0.8312

      0.8624

      0.8863

      0.9051

      0.9201

      4

      15

      0.6292

      0.7748

      0.8498

      0.8945

      0.9234

      0.9430

      0.9567

      0.9667

      0.9740

      4

      20

      0.7198

      0.8522

      0.9120

      0.9441

      0.9629

      0.9746

      0.9822

      0.9873

      0.9907

      6

      5

      0.4141

      0.5222

      0.6400

      0.7025

      0.7496

      0.7884

      0.8160

      0.8401

      0.8601

      6

      10

      0.6431

      0.7873

      0.8603

      0.9033

      0.9306

      0.9409

      0.9617

      0.9708

      0.9774

      6

      15

      0.7742

      0.8931

      0.9418

      0.9657

      0.9789

      0.9864

      0.9910

      0.9939

      0.9958

      6

      20

      0.8517

      0.9432

      0.9739

      0.9868

      0.9929

      0.9960

      0.9976

      0.9986

      0.9991

      8

      5

      0.5095

      0.6574

      0.7439

      0.8014

      0.8422

      0.8723

      0.8953

      0.9132

      0.9274

      8

      10

      0.7469

      0.8731

      0.9275

      0.9556

      0.9715

      0.9811

      0.9871

      0.9910

      0.9936

      8

      15

      0.8625

      0.9493

      0.9774

      0.9889

      0.9941

      0.9967

      0.9981

      0.9989

      0.9993

      8

      20

      0.9215

      0.9781

      0.9923

      0.9969

      0.9986

      0.9997

      0.9997

      0.9998

      0.9999

      10

      5

      0.5898

      0.7379

      0.8178

      0.8674

      0.9005

      0.9273

      0.9405

      0.9929

      0.9623

      10

      10

      0.8204

      0.9242

      0.9624

      0.9796

      0.9883

      0.9930

      0.9956

      0.9912

      0.9982

      10

      15

      0.9163

      0.9759

      0.9913

      0.9964

      0.9984

      0.9992

      0.9996

      0.9998

      0.9999

      10

      20

      0.9585

      0.9916

      0.9977

      0.9993

      0.9997

      0.9999

      0.9999

      0.9999

      0.9999

      12

      5

      0.6568

      0.7994

      0.8704

      0.9115

      0.9373

      0.9544

      0.9661

      0.9744

      0.9804

      12

      10

      0.8726

      0.9548

      0.9805

      0.9906

      0.9852

      0.9974

      0.9985

      0.9991

      0.9995

      12

      15

      0.9490

      0.9886

      0.9966

      0.9988

      0.9996

      0.9998

      0.9999

      0.9999

      0.9999

      12

      20

      0.9780

      0.9968

      0.9993

      0.9998

      0.9999

      0.9999

      0.9999

      0.9999

      0.9999

       

      3.3.3  温度循环应力故障率计算                   

          λD = [-Ln (1-SS)] / N                (2-3-6)                             

      式中:λD ——故障率,平均次/循环;

            SS ——筛选度;

            N ——循环次数。

      各参数组对应的故障率见表2-3-3。

      3.3.4  温度循环应力激发的故障模式或影响

          使涂层、材料或线头上各种微细裂纹扩大;使粘接不好的接头松驰;使螺钉连接或铆接不当的接头松驰;使机械张力不足的压配接头松驰;使质量差的焊点接触电阻加大或开路;粒子污染;密封失效。

      表2-3-3  温度循环故障率(λD )

        

                              

       

       

      ℃/min

      20

      40

      60

      80

      100

      120

      140

      160

      180

       

      5

      0.0891

      0.1339

      0.1703

      0.2020

      0.2308

      0.2573

      0.2821

      0.3055

      0.3278

       

      10

      0.1717

      0.2580

      0.3281

      0.3893

      0.4447

      0.4958

      0.5436

      0.5888

      0.6317

       

      15

      0.2480

      0.3726

      0.4739

      0.5623

      0.6423

      0.7161

      0.7852

      0.8504

      0.9125

       

      20

      0.3181

      0.4779

      0.6077

      0.7212

      0.8237

      0.9184

      1.0070

      1.0906

      1.7702