空空導(dǎo)彈定量環(huán)境應(yīng)力篩選方法研究

王鑫

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471003）

1 引言

環(huán)境應(yīng)力篩選(ESS:Environment Stress Screening)試驗(yàn)是在產(chǎn)品上施加隨機(jī)振動及溫度循環(huán)應(yīng)力，以鑒別和剔除產(chǎn)品工藝和元件引起的早期故障的一種工序或方法[1]。其目的在于發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品的早期失效，使其在出廠前便進(jìn)入隨機(jī)失效階段，以固有的可靠性水平交付用戶使用。對于空空導(dǎo)彈此類高可靠性要求的產(chǎn)品，高效的環(huán)境應(yīng)力篩選就更顯得非常關(guān)鍵。環(huán)境應(yīng)力篩選如不能最大限度地將潛在缺陷剔除，產(chǎn)品中即使存在很少的潛在缺陷也可能嚴(yán)重降低其使用可靠性。

某型空空導(dǎo)彈從設(shè)計定型轉(zhuǎn)入批生產(chǎn)以后，由于產(chǎn)品復(fù)雜，技術(shù)要求高，工藝不夠成熟，相關(guān)人員的加工裝配經(jīng)驗(yàn)技術(shù)參差不齊，導(dǎo)致批產(chǎn)初期，產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)較大幅度的波動。隨著問題暴露，在生產(chǎn)和工藝上持續(xù)改進(jìn)，使產(chǎn)品的可靠性逐步提高，接近設(shè)計定型時的固有可靠性水平。這符合復(fù)雜產(chǎn)品可靠性變化的一般規(guī)律[1]，本文通過應(yīng)用定量環(huán)境應(yīng)力篩選方法，評估某型空空導(dǎo)彈批產(chǎn)交付過程中的環(huán)境應(yīng)力篩選過程，分析其在提高可靠性方面的實(shí)現(xiàn)程度。

2 環(huán)境應(yīng)力篩選的原理

環(huán)境應(yīng)力篩選是一種應(yīng)力篩選，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)和排除的過程，是一種工藝手段。典型的應(yīng)力為隨機(jī)振動、溫度循環(huán)及電應(yīng)力。

一般產(chǎn)品的故障率均服從于環(huán)境應(yīng)力──耐環(huán)境強(qiáng)度“干涉”理論。按照某一強(qiáng)度要求設(shè)計的產(chǎn)品，設(shè)其耐環(huán)境強(qiáng)度S服從正態(tài)分布，圖1中用概率PS表示；而設(shè)產(chǎn)品使用中經(jīng)受到的環(huán)境應(yīng)力E亦呈正態(tài)分布，圖1中用概率PE表示。當(dāng)產(chǎn)品耐受環(huán)境強(qiáng)度S遠(yuǎn)大于使用環(huán)境應(yīng)力E時，兩個分布的重疊區(qū)極?。茨铜h(huán)境強(qiáng)度S小于使用環(huán)境應(yīng)力E的概率較小）此時產(chǎn)品是較安全的。因此，設(shè)計上應(yīng)力圖使兩曲線分開，以提高產(chǎn)品的可靠性。實(shí)際上，由于經(jīng)濟(jì)上和客觀條件的限制，這是不易實(shí)現(xiàn)的。常見的情況是，兩條曲線有部分重疊，見圖1（a） 中的陰影區(qū)。該陰影區(qū)表明，產(chǎn)品中有一部分耐受環(huán)境強(qiáng)度的能力小于使用中實(shí)際能遇到的環(huán)境應(yīng)力，這些薄弱部分很可能在使用條件下被激發(fā)而發(fā)展成為故障。

圖1 環(huán)境應(yīng)力篩選提高可靠性的機(jī)理

環(huán)境應(yīng)力篩選就是在產(chǎn)品出廠前先給產(chǎn)品施加一個接近于或等于設(shè)計的耐環(huán)境強(qiáng)度（S）的應(yīng)力，使產(chǎn)品中耐環(huán)境應(yīng)力的能力小于施加的環(huán)境應(yīng)力的薄弱部分提前暴露并加以修復(fù)，從而使產(chǎn)品中各部分耐環(huán)境的能力均大于施加的環(huán)境應(yīng)力，從而使陰影區(qū)的面積縮小，提高了產(chǎn)品的可靠性，見圖1（b）。

對于電子產(chǎn)品，由于其所含的元器件眾多且工藝及裝配過程復(fù)雜，在批量生產(chǎn)中不可避免地會引入一些工藝和元件缺陷，故其耐環(huán)境強(qiáng)度不像圖1（a）實(shí)線那樣呈簡單的單峰正態(tài)分布，而是如圖1（b） 虛線所示的由兩個子集構(gòu)成的雙峰分布。其中，左邊的小峰是由總體中含缺陷產(chǎn)品所構(gòu)成的；而右邊的大峰是由總體中不含缺陷產(chǎn)品所構(gòu)成的。正是由于該次品小子集的存在，使電子產(chǎn)品的應(yīng)力環(huán)境干涉區(qū)面積大為增加，一旦這些混有次品的產(chǎn)品投入市場，在使用環(huán)境應(yīng)力的作用下就會產(chǎn)生早期故障。由于雙峰分布的兩個峰通常是有一定距離的，故ESS恰好可利用這一點(diǎn)通過適當(dāng)?shù)暮Y選應(yīng)力的作用既能挑出次品，而又不致影響正常產(chǎn)品的性能和壽命，從而使得投放市場的產(chǎn)品可靠性大為提高。

有效的環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)具備以下特征：

1）能夠很快析出潛在缺陷，包括能析出適當(dāng)數(shù)量的固有（設(shè)計）缺陷；

2）不會引起不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計故障，誘發(fā)附加的故障，消耗受篩產(chǎn)品壽命；

3）不應(yīng)對制造過程增加限制。

篩選是對剔除早期故障為目的的，如果篩選條件不當(dāng)，篩選后的產(chǎn)品就不一定到達(dá)故障率基本恒定階段，如圖2所示。

圖2 篩選剔除壽命期浴盆曲線中早期故障示意圖

理想的篩選要求達(dá)到理想的B點(diǎn)，則該篩選就能完全剔除早期故障，使產(chǎn)品進(jìn)入較低失效率的使用壽命期。但常規(guī)篩選往往只能達(dá)到圖上的A點(diǎn)至B點(diǎn)之間，且不能確切地知道常規(guī)篩選能夠達(dá)到哪一點(diǎn)；篩選后殘留的缺陷還有多少也不知道，也就是說，常規(guī)篩選的最終效果如何是不能得知的。而定量篩選卻能回答該問題。

3 定量環(huán)境應(yīng)力篩選

3.1 定量環(huán)境應(yīng)力篩選的參數(shù)說明

定量篩選是指要求篩選的結(jié)果與產(chǎn)品的可靠性目標(biāo)和成本閾值建立定量關(guān)系的篩選。定量篩選的主要變量是引入缺陷密度、篩選檢出度、析出量或殘留缺陷密度。其中，引入缺陷密度取決于制造過程中從元器件和制造工藝兩方面引入產(chǎn)品中的潛在缺陷數(shù)量；篩選檢出度取決于篩選用的應(yīng)力把引入的潛在缺陷加速發(fā)展成為故障的能力和所用的檢測儀表把這些故障檢出的能力；殘留缺陷密度或析出量則取決于引入缺陷密度和篩選檢出度[2]。

這些變量及其相互關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，在定量篩選過程中，通過制造過程中控制所用的元器件質(zhì)量和加工質(zhì)量來控制引入產(chǎn)品的缺陷數(shù)（DIN）；通過選用適當(dāng)?shù)膽?yīng)力和檢測儀表來控制缺陷的析出量（F），從而使出廠產(chǎn)品中殘留的缺陷導(dǎo)致出現(xiàn)的故障的概率達(dá)到與產(chǎn)品要求的可靠性相一致的水平。

圖3 制造過程對應(yīng)的定量篩選變量及其相互關(guān)系

定量篩選的目標(biāo)與有可靠性目標(biāo)值的產(chǎn)品中的殘留缺陷密度（DR）有關(guān)。產(chǎn)品中殘留缺陷密度（DR）則與引入產(chǎn)品的缺陷密度（DIN）、篩選檢出度（TS）和檢測效率（DE）有關(guān)，可用公式⑴表示：

式（1）（2） 中：DR—?dú)埩羧毕菝芏?，個/每個產(chǎn)品；DIN—引入缺陷密度，個/每個產(chǎn)品；

F—析出量，個/每個產(chǎn)品；

TS—篩選檢出度；

SS—篩選度；

DE—檢測效率。

2.2 定量環(huán)境應(yīng)力篩選的分析

2.2.1 定量環(huán)境應(yīng)力篩選目標(biāo)的建立

在產(chǎn)品承制方與使用方的合同中，一般規(guī)定了產(chǎn)品可接受故障率或產(chǎn)品的MTBF。如果達(dá)到定量環(huán)境應(yīng)力篩選的目標(biāo)，即篩選后殘留缺陷密度目標(biāo)值DRG等于可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)要驗(yàn)證的MTBF驗(yàn)收值對應(yīng)產(chǎn)品允許的潛在缺陷數(shù)，就表明此產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)達(dá)到了驗(yàn)收要求。DRG可用公式（3）表示：

2.2.2 控制參數(shù)的確定

按GJB/Z 34規(guī)定的篩選大綱設(shè)計方法，根據(jù)合同規(guī)定的MTBF值，確定定量環(huán)境應(yīng)力篩選殘留缺陷目標(biāo)值DRG后，再結(jié)合施加應(yīng)力及其量值、檢測方法、受篩選的組裝等級，然后通過一系列的設(shè)計計算，使得按此大綱篩選后能將DIN減少到允許的DRG。

若合同規(guī)定的MTBF的區(qū)間估計置信度為c，則一臺產(chǎn)品缺陷析出量的上下限分別為：

可見，如果在某一批導(dǎo)彈（假設(shè)n發(fā)） 的篩選中，剔除的缺陷數(shù)在nf1和nf2之間，則該批產(chǎn)品滿足可靠性驗(yàn)收要求。

2.2.3 篩選結(jié)果分析[3]

按照定量環(huán)境應(yīng)力篩選大綱進(jìn)行篩選，對每一個暴露的缺陷進(jìn)行分析并予以排除，統(tǒng)計累計排除的缺陷數(shù)直到篩選結(jié)束。

當(dāng)實(shí)際篩選中暴露的缺陷數(shù)在nf1和nf2之間，則說明產(chǎn)品滿足合同要求，判該批產(chǎn)品驗(yàn)收合格。

當(dāng)實(shí)際篩選中暴露的缺陷數(shù)小于nf2時，則可判斷產(chǎn)品可靠性比過去高，其原因可能是所使用的元器件的質(zhì)量或制造工藝水平提高了，對這種情況一般不采取任何措施，判該批產(chǎn)品驗(yàn)收合格。

當(dāng)實(shí)際篩選過程中暴露的故障數(shù)大于nf1時，則可判斷產(chǎn)品實(shí)際缺陷數(shù)比預(yù)期的多，其原因可能是元器件質(zhì)量下降或制造工藝出了問題，這時必須對受篩產(chǎn)品采取糾正措施，包括審查元器件篩選工藝和產(chǎn)品制造工藝，并在采取措施后重新進(jìn)行篩選，直至產(chǎn)品驗(yàn)收合格。

4 定量環(huán)境應(yīng)力篩選的應(yīng)用

某型空空導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度高，批產(chǎn)初期，產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)較大幅度的波動。隨著問題暴露，在設(shè)計和工藝上持續(xù)改進(jìn)，使產(chǎn)品的可靠性逐步提高，通過對其四批產(chǎn)品的篩選效果進(jìn)行分析，分析其在提高可靠性方面的實(shí)現(xiàn)程度。

該型導(dǎo)彈的驗(yàn)收合同規(guī)定該導(dǎo)彈的MTBF=75 h（在使用環(huán)境應(yīng)力下允許的故障率λD=1.3×10-2/h），區(qū)間估計置信度c=80%。按GJB/Z 34規(guī)定的方法，結(jié)合每一種元器（成）件的種類、質(zhì)量等級、環(huán)境類別以及連接類型計算該型導(dǎo)彈引入缺陷密度為2504823 PPM，則每發(fā)導(dǎo)彈的DIN=（（25082/1000000） ≈2.5（個引入缺陷）。篩選后殘留缺陷密度目標(biāo)值由公式（3） 可知DRG=1.33（個引入缺陷）。

根據(jù)公式（1） 得F=DIN-DR=1.17，由x2表查得自由度為2，置信度為80%的上、下限值為4.61和0.211。由缺陷析出量的上、下限公式得到該產(chǎn)品缺陷析出量的上、下限值分別為2.305和0.106。所以，導(dǎo)彈在按篩選大綱設(shè)計確定的應(yīng)力進(jìn)行篩選時，單發(fā)導(dǎo)彈出現(xiàn)的平均故障數(shù)在0.106到2.305之間均可認(rèn)為該批產(chǎn)品合格。

實(shí)際篩選時，四批導(dǎo)彈的篩選結(jié)果對比見圖4。

圖4中A批、B批的實(shí)際篩選過程中暴露的故障數(shù)大于上限，則可判斷產(chǎn)品實(shí)際缺陷數(shù)比預(yù)期的多，其原因主要是由于元器件質(zhì)量不高、工藝不夠成熟，相關(guān)人員的加工裝配經(jīng)驗(yàn)技術(shù)參差不齊而造成的，這時必須對受篩產(chǎn)品采取糾正措施，包括完善元器件篩選工藝和產(chǎn)品制造工藝，并在采取措施后重新進(jìn)行篩選，直至產(chǎn)品驗(yàn)收合格。

圖4 各批導(dǎo)彈篩選結(jié)果對比圖

采取措施后，從C批、D批的實(shí)際篩選過程中觀察，暴露的缺陷數(shù)明顯下降，并介于上、下限之間，則可判斷產(chǎn)品可靠性比過去高，說明裝機(jī)使用的元器件質(zhì)量及制造工藝水平有所提高，導(dǎo)致整批產(chǎn)品的可靠性顯著地增加，可判定該批導(dǎo)彈可以通過驗(yàn)收。

5 結(jié)束語

環(huán)境應(yīng)力篩選屬于工程試驗(yàn)，是可靠性試驗(yàn)的一種，在提高導(dǎo)彈產(chǎn)品的可靠性方面已得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的效果[4]。隨著產(chǎn)品材料和技術(shù)水平的發(fā)展，在定量環(huán)境應(yīng)力篩選和試驗(yàn)方法的選擇上，也應(yīng)不斷地研究和創(chuàng)新，以使環(huán)境應(yīng)力篩選能更有效地提高空空導(dǎo)彈的可靠性，確?？湛諏?dǎo)彈戰(zhàn)斗力方面的優(yōu)勢。

[1] GJB 1032-1990，電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法[S].

[2] GJB/Z 34，電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南[S].

[3] 祝耀昌，任占勇，丁其伯.可靠性試驗(yàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[4] 韓維航.電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)[J].裝備環(huán)境工程,2009,6(2):40-58.