ESS-環(huán)境應(yīng)力篩選介紹
一、概念
環(huán)境應(yīng)力篩選（Environment Stress
Screen,ESS）是一種工藝手段，是通過向電子產(chǎn)品施加合理的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力，將其內(nèi)部的潛在缺陷加速變成故障，并通過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和排除故障的過程。
ESS旨在激發(fā)并排除早期故障，使產(chǎn)品的可靠性接近設(shè)計(jì)的固有可靠性水平。應(yīng)力水平以能激發(fā)出缺陷但不損壞產(chǎn)品為原則。ESS分為常規(guī)篩選和定量篩選。目前國內(nèi)僅廣泛開展常規(guī)篩選。
ESS的對象為元器件和各個(gè)組裝等級，
二、 典型篩選應(yīng)力
各類典型篩選應(yīng)力的強(qiáng)度及費(fèi)用如下表所列。
表1 典型篩選應(yīng)力強(qiáng)度及費(fèi)用對比
應(yīng)力類型 應(yīng)力強(qiáng)度 費(fèi)用
溫度 恒定高溫 低 低
溫度循環(huán) 慢速溫變 較高 較高
快速溫變 高 高
溫度沖擊 較高 適中
振動 正弦掃頻 較低 適中
隨機(jī)振動 高 高
綜合 溫度循環(huán)與隨機(jī)振動 高 很高
下面簡單介紹以上幾種典型篩選應(yīng)力并比較其篩選效果。
1. 恒定高溫
也稱為高溫老化，使產(chǎn)品在規(guī)定高溫下連續(xù)不斷地工作，激發(fā)出早期故障。篩選方法要根據(jù)受篩產(chǎn)品是否發(fā)熱制定。該篩選廣泛應(yīng)用于元器件的篩選，不適用于組件級（印制線路板、單元或系統(tǒng)）篩選。篩選效果遠(yuǎn)低于溫度循環(huán)。
2. 溫度循環(huán)
影響篩選結(jié)果的主要參數(shù)為溫度變化范圍、溫度變化速率及循環(huán)次數(shù)。通常適用于組件級篩選。篩選溫度時(shí)間歷程考慮受篩產(chǎn)品通電和不通電兩種情況。激發(fā)的故障模式主要有：
a） 使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴(kuò)大。
b） 使粘結(jié)不好的接頭松弛。
c） 使螺釘連接或鉚接不當(dāng)?shù)慕宇^松弛。
d） 使機(jī)械張力不足的壓配接頭松弛。
e） 使質(zhì)量差的釬焊接觸電阻加大或造成開路。
f） 粒子污染。
3. 溫度沖擊
影響篩選結(jié)果的主要參數(shù)為溫度變化速率、溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間及溫度沖擊循環(huán)次數(shù)。因其溫度變化率較高，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，是篩選元器件，尤其是集成電路器件的有效方法。用于組裝等級時(shí)要注意其可能造成的附加損壞。篩選效果類似于溫度循環(huán)。激發(fā)的故障模式類似于溫度循環(huán)。
4. 正弦掃頻
在一定時(shí)間段內(nèi)依次對產(chǎn)品內(nèi)需要重點(diǎn)篩選的元部件的共振頻率進(jìn)行激勵(lì)，產(chǎn)生共振。篩選效果較隨機(jī)振動低。激發(fā)的故障模式主要有：
a） 結(jié)構(gòu)部件、引線或元件接頭產(chǎn)生疲勞，特別是導(dǎo)線上有裂紋或類似缺陷的情況下。
b） 電纜磨損。
c） 螺釘接頭松弛。
d） 安裝加工不當(dāng)?shù)募呻娐菲x開插座。
e） 匯流條及連到電路板上的釬焊接頭受到高應(yīng)力，引起釬焊薄弱點(diǎn)故障。
f） 與可作相對運(yùn)動的部件橋形連接的元器件引線因沒有充分消除應(yīng)力而造成損壞。
g） 已受損或安裝不當(dāng)?shù)拇嘈越^緣材料出現(xiàn)裂紋。
5. 隨機(jī)振動
在很寬的頻率范圍上對產(chǎn)品施加振動，產(chǎn)品在不同的頻率上同時(shí)受到應(yīng)力，使產(chǎn)品的許多共振點(diǎn)同時(shí)受到激勵(lì)。篩選效果大大增強(qiáng)，篩選持續(xù)時(shí)間也減少到正弦掃頻的1/3-1/5。激發(fā)的故障模式與正弦掃頻的相同，但能激發(fā)的故障機(jī)理更復(fù)雜，激發(fā)故障的速度更快。
6. 篩選效果對比
a） 振動應(yīng)力對于激發(fā)如松弛、碎屑和固定不緊的工藝缺陷更為有效。一般說來，發(fā)現(xiàn)缺陷中約20%是對振動響應(yīng)的結(jié)果。
b） 溫度循環(huán)對于發(fā)現(xiàn)參數(shù)漂移、污染之類的元器件缺陷更為有效。一般說來，發(fā)現(xiàn)缺陷中約80%是對溫度響應(yīng)的結(jié)果。
三、 針對不同組裝等級的ESS
根據(jù)圖1可知，組裝等級分為組件級、單元級和系統(tǒng)（設(shè)備）級。下面介紹組件級和單元級的優(yōu)缺點(diǎn)及可篩選出的主要缺陷。
1. 組件級
優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，不通電測試，成本低；熱慣性小，溫度變化率較高；能進(jìn)行比單元級的溫度變化幅度更大的篩選，篩選效率高。
缺點(diǎn)：不通電導(dǎo)致尋找故障效率低；如要通電檢測，則需專門測試設(shè)備，成本將增加；無法篩選單元級、系統(tǒng)級引入的缺陷。
缺陷：漏檢的元器件缺陷；元器件和電路板焊接點(diǎn)分離；焊接缺陷；參數(shù)漂移、超出容差。
2. 單元級及以上組裝級
優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)椴恍枰獙ｉT設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)，篩選期間易進(jìn)行通電和檢測，檢測效率高；單元中各級間的接口也能得到篩選；能篩選出各種類型的潛在缺陷；能發(fā)現(xiàn)某些設(shè)計(jì)缺陷。
缺點(diǎn)：熱慣性大，溫度變化速率小，溫度循環(huán)時(shí)間需加長；要考慮多種元部件的溫度極限，篩選溫度變化幅度減小，篩選率降低；成本高。
缺陷：組件級的連接缺陷；導(dǎo)線連接缺陷；輸入/輸出連接缺陷；單元內(nèi)部電纜缺陷；組裝中使用了以前未經(jīng)篩選組件（如采購的組件等）引入的缺陷。
小結(jié)：理論上應(yīng)當(dāng)對各個(gè)組裝等級進(jìn)行逐級ESS，實(shí)際工作中則要權(quán)衡技術(shù)和成本等各方面因素，結(jié)合產(chǎn)品確定佳的篩選方案。如果根據(jù)產(chǎn)品使用情況和其他試驗(yàn)信息得知故障主要出現(xiàn)在某一組裝等級，則可僅針對該組裝等級進(jìn)行ESS。通常較為實(shí)用的方法是對組件進(jìn)行溫度循環(huán)篩選，對單元以上等級進(jìn)行隨機(jī)振動試驗(yàn)。
四、 主要工作
ESS是提高批產(chǎn)品可靠性的重要工序，是進(jìn)行其他可靠性試驗(yàn)的前提條件。后續(xù)工作如下。
1. 對需篩選產(chǎn)品的各類故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，盡可能確定故障主要出現(xiàn)的組裝等級。故障信息主要包括：
1） 研制階段的故障信息，特別是故障類型分布和數(shù)量，以及故障所在部位的信息。
2） 各類試驗(yàn)，如性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等中的故障信息。
3） 產(chǎn)品使用過程中的故障信息。
2.收集受篩選產(chǎn)品對溫度和振動響應(yīng)的特征信息，主要包括產(chǎn)品中各重要元器件的熱點(diǎn)、溫度穩(wěn)定時(shí)間、產(chǎn)品的共振點(diǎn)、產(chǎn)品中振動響應(yīng)大的部位等。
3. 收集產(chǎn)品使用的元器件和其他外構(gòu)件質(zhì)量水平信息。主要包括出廠前是否進(jìn)行ESS、批生產(chǎn)采用的ESS篩選應(yīng)力等。
4. 根據(jù)以上收集到的信息進(jìn)行評估分析，權(quán)衡ESS效果、試驗(yàn)設(shè)備能力及成本等因素，初步設(shè)計(jì)ESS大綱。
5. 按規(guī)定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對大綱進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整，使ESS更為經(jīng)濟(jì)有效。
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