品達溫度濕度振動三綜合試驗箱應力篩選

 掃頻正弦振動應力

3.4.1  掃頻正弦振動應力的篩選度計算

　　　　SS =1－exp[－0.000727(G)0.863 ·t]     (2-3-7)

式中：G—高于交越頻率的加速度量值，g；

　　　t—振動時間，min。

　　按式(2-3-7)計算的結果見表2-3-4。

3.4.2  掃頻正弦振動應力的故障率

　　　　λD = [－Ln (1－SS ) ] / t             (2-3-8)

式中：λD —故障率，次／h；

      SS—篩選度；

　　　t—時間，h。

按式(2-3-8)計算的結果也見表2-3-4。

表2-3-4  溫度濕度振動三綜合試驗箱掃頻振動篩選度和故障率

3.4.3  掃頻正弦振動應力激發的故障模式或影響

    使結構部件、引線或元器件接頭產生疲勞，特別是導線上有微裂紋或類似缺陷的情況下；

    使電纜磨損，如在松馳的電纜結處存在尖緣似的缺陷時；

    使制造不當的螺釘接頭松馳；

    使安裝加工不當的IC離開插座；

    使受到高壓力的匯流條與電路板的釬焊接頭的薄弱點故障；

    溫度濕度振動三綜合試驗箱使未充分消除應力的可作相對運動的橋形連接的元器件引線造成損壞，例如電路板前板的發光二極管或背板散熱板上的功率晶體管；

    已受損或安裝不當的脆性絕緣材料出現裂紋。

3.5  隨機振動應力

3.5.1  隨機振動應力的參數

    隨機振動應力的參數有：

    頻率范圍、加速度功率譜密度(PSD)、振動時間、振動軸向數。

    其振動譜可參閱圖2.3.3。

3.5.2  隨機振動應力篩選度

    隨機振動應力篩選度的計算式如下：

　　　　SS=1－exp[－0.0046(G_rms )^1.71 t]         (2-3-9)

式中：G_rms—加速度均方根值，g；

　　　Grms =（A1 ＋A2 ＋A3 ）^1/2 ；               (2-3-10)

      A1 、A2 、A3 ——隨機振動譜的面積，g2 (見圖2.3.3)；

　　　t—動時間，min。

2-3-5  隨機振動篩選度和故障率

3.5.4  溫度濕度振動三綜合試驗箱隨機振動應力激發的故障模式或影響

    隨機振動應力激發的故障模式或影響與正弦掃頻振動應力相同，但故障機理更復雜，發展故障的速度要比掃頻正弦振動應力快得多，這是由于隨機振動能同時激勵許多共振點的作用結果。

3.6  篩選效果對比

3.6.1  溫度應力對比

    a) 對恒定高溫應力的分析

    溫度濕度振動三綜合試驗箱恒定高溫篩選的篩選度與溫度增量、篩選時間密切相關，但其量值很小，由表2-3-1查得當溫度增量為最大(80℃)、老煉篩選時間最長(200h)時，篩選度為0.9912。恒定高溫的故障率只與溫度增量有關，其值也很小，同樣從表2-3-1查得溫度增量最大(80℃)時故障率為平均0.0237次／h。即為了暴露1個缺陷，用溫度增量為80℃的恒定高溫進行篩選平均需要42個小時。如果按有些產品以45℃(溫度增量為20℃)高溫進行老煉篩選的話，其故障率為0.0104次/h，需要平均老煉100小時才能暴露1個缺陷。因此可見，為了達到消除早期失效的目的，用恒定高溫的老煉篩選時間要很長，不僅篩選效率低下，而且有可能要影響產品的使用壽命。

    故障率低和可能影響產品的使用壽命是恒定高溫篩選應力的致命缺點。

    b) 對溫度循環應力的分析

　　溫度循環應力的篩選度與溫度范圍、循環次數有關，并且與溫度變化速率關系最密切，即溫度升降速率越大，其篩選度也越大。由表2-3-2可查得溫度范圍為180℃、循環次數為4、溫度變化速率為20℃/min時，篩選度為0.9907。歸一化后其故障率與溫度變化范圍和溫度變化速率成正相關。由表2-3-3可查得,當溫度變化范圍為80℃、溫度變化速率為5℃/min時溫度循環應力的故障率平均為0.2020次/循環，一般每個循環時間在3.5～4.0小時之間，因此該應力的故障率相當于平均0.0505次/h～0.0577次/h之間。

    因此，故障率高、篩選效率高、不會影響產品使用壽命是溫度循環應力的特點。

    c) 溫度應力的比較

    由上分析可知，溫度變化范圍為80℃、溫度變化速率為5℃/min的溫度循環應力的故障率是溫度增量為80℃的恒定高溫應力的2倍多(0.0505與0.0237之比)。而且在工程上要實現前者比后者容易得多。溫度增量為80℃的恒定高溫應力要讓產品經受105℃（80＋25）高溫的相當長時間的工作過程，平均42小時才能暴露1個故障。而溫度循環應力，通常采用溫度交變試驗箱，此類設備對溫度范圍為80℃（由－35℃變化到＋45℃）、溫變速率為5℃/min的性能參數是最低的要求，輕易便可實現，此應力可使產品平均篩選20小時便可以暴露1個故障，比恒定高溫應力的篩選效率高很多。

　　為了進一步提高溫度循環應力的篩選效率，可以通過提高溫度變化率的應力參數來實現。由表2-3-2可知，當溫度范圍仍為80℃、溫度變化速率由5℃/min提高到20℃/min時，其故障率由平均0.2020次/循環提高到平均0.7212次/循環，后者是前者的3.5倍多，即平均5個小時便可以暴露1個缺陷。

　　當然，溫度交變試驗箱要實現20℃/min的溫變速率，需要大幅度地增加升降溫系統的功率，甚至要在機械致冷的基礎上加裝液態氮致冷系統及其控制裝置。這需要增加投入。為了提高篩選效率、減少篩選對產品壽命的影響，提高溫變速率是最好的方法，為此而增加投入也是適宜的。

3.6.2 振動應力對比

    一般說來，振動應力是定量環境應力篩選方法才采用的應力，它可以暴露溫度循環暴露不了的某些缺陷。據統計，對電子設備而言，溫度應力平均可以暴露79％的缺陷，而振動應力平均可以暴露21％的缺陷。因此，振動是不可缺少的篩選應力。掃頻正弦振動臺和隨機振動臺都可以作為振動環境應力篩選的設備，但由表2-3-4和表2-3-5的數據可以比較它們的故障率(即篩選效率)。

　　我們按照GJB 1032《電子產品環境應力篩選》標準要求的典型的隨機振動譜(見圖2.3.3)算得其加速度均方根值為7.2g，取為7g；設持續時間為5min，查表2-3-5得篩選度為0.478、故障率為7.692次/小時。同樣設掃頻正弦振動的加速度為7g、持續時間為5min，查表2-3-4可得篩選度為0.0193、故障率為0.2339次/小時。兩種振動應力的故障率相差甚大，隨機振動是掃頻振動的33倍！幾種應力的篩選度和故障率的對比見表2-3-6。

表2-3-6 溫度濕度振動三綜合試驗箱篩選應力效果對比

　　當然，只有隨機振動控制設備和與之配套的電磁振動臺才能提供隨機振動應力，其設備價格要比掃頻振動臺昂貴，但是為了提高篩選效率，最大限度地消除早期故障，這個投入還是合算的。

3.6.3  溫度濕度振動三綜合試驗箱結論

    a) 經典的老煉工藝與常規的恒溫篩選對暴露產品的缺陷有一定的作用，但其篩選度和故障率數值很小，效率十分低，需要用相當長的時間才能達到消除早期失效(缺陷)的效果，因而可能會影響產品的使用壽命，有必要改用定量環境應力篩選方法。

    b) 如果采用常溫考機的辦法作為產品出廠的依據，在幾百小時內暴露不了一個缺陷，也說明不了產品的可靠性有什么樣的水平，此法意義不大。

    c) 定量環境應力篩選，需要采用溫度循環應力，其效率已比恒定高溫老煉篩選大為提高；就溫度循環篩選而言，提高溫變速率又是進一步提高篩選效率、減少篩選對產品使用壽命影響的最佳方法，我們要為此項篩選創造條件。

    d) 定量環境應力篩選，需要采用振動應力，其中又可以采用掃頻正弦振動或隨機振動方式，但從篩選效率對比可知，隨機振動方式是最佳的應力。為了提高篩選效率、減少振動應力篩選對產品結構件壽命的影響，應創造條件采用隨機振動方式。