李 勁,張 蕊
(工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣州 510610)
電子產(chǎn)品高加速應(yīng)力篩選的應(yīng)用探討
李 勁,張 蕊
(工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣州 510610)
本文論述了電子產(chǎn)品高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)的流程和方法,包括高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)和篩選驗(yàn)證等,并將該試驗(yàn)方法在某機(jī)載慣導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)行了應(yīng)用。這一方法對(duì)于其他機(jī)載電子產(chǎn)品的高加速篩選工作有一定的指導(dǎo)意義。
電子產(chǎn)品;高加速應(yīng)力篩選;故障注入;篩選效率;壽命損失
篩選是一種發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在缺陷、提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證產(chǎn)品在使用壽命期內(nèi)安全、可靠地工作的有效措施,它可以有效地篩除不良產(chǎn)品,尋找產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中發(fā)生質(zhì)量和可靠性問題的根源,可以盡早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品問題,防止因操作人員、技術(shù)人員和無經(jīng)驗(yàn)人員的過失而造成的大量損失,大大減少產(chǎn)品的故障率,提高產(chǎn)品的可靠性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
目前我國(guó)軍工電子產(chǎn)品篩選主要參照GJB 1032《電子產(chǎn)品品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》,它是MIL-STD-2164《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》的等效標(biāo)準(zhǔn)。自頒布以來,該標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)武器裝備的研制和生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,為剔除產(chǎn)品早期故障提供有效手段,并在提高武器裝備質(zhì)量和可靠性方面發(fā)揮了重大作用。
GJB 1032對(duì)篩選所用的應(yīng)力及施加時(shí)間、方式和次序均作了明確規(guī)定,其顯著優(yōu)點(diǎn)就是不必考慮受篩產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,制造工藝的優(yōu)劣和其它因素而可直接套用,可操作性較強(qiáng),但隨著篩選的廣泛應(yīng)用,其沒有結(jié)合產(chǎn)品的具體特征確定篩選條件的問題逐漸暴露。雖然GJB 1032中明確規(guī)定受篩產(chǎn)品可以是電路板及組件、電子組件和整機(jī),但并未規(guī)定不同組裝等級(jí)的篩選條件。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性不同的產(chǎn)品都統(tǒng)一規(guī)定了溫度循環(huán)數(shù),對(duì)不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品都統(tǒng)一使用了相同的振動(dòng)應(yīng)力,可以設(shè)想,對(duì)一個(gè)由幾塊線路板組裝的簡(jiǎn)單組件,按照GJB 1032中的有關(guān)規(guī)定,在環(huán)境應(yīng)力篩選中必然會(huì)降低其溫度的上、下限,從而降低溫度應(yīng)力的強(qiáng)度,同時(shí)又不必要地增加了上、下限溫度的穩(wěn)定時(shí)間,降低了篩選效果和效率。
應(yīng)用合適的篩選是及時(shí)發(fā)現(xiàn)、確定和糾正產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中存在的缺陷的一種有效方法,然而,要達(dá)到這一目的,必須針對(duì)產(chǎn)品的特點(diǎn),為其制定恰當(dāng)?shù)暮Y選應(yīng)力條件和方案。而傳統(tǒng)的、分割開的研制和生產(chǎn)階段試驗(yàn)體系,并沒有有效的手段評(píng)估篩選應(yīng)力強(qiáng)度能高效的激發(fā)出早期故障,但不損壞產(chǎn)品中原來完好的部分,又不過多影響使用壽命。
能否利用產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段獲得的產(chǎn)品信息,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的且比常規(guī)篩選有效得多的篩選方式?20世紀(jì)90年代初,美國(guó)的Hobbs G K、Gray K A等人提出了兩種新的試驗(yàn)方法:高加速壽命試驗(yàn)(HALT)和高加速應(yīng)力篩選(HASS)。HALT應(yīng)用于產(chǎn)品研制階段,HASS是HALT的拓展,應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段,通過對(duì)研制階段HALT數(shù)據(jù)的利用,大大增加了生產(chǎn)過程的篩選效率,并同時(shí)降低了篩選的費(fèi)用和時(shí)間。
雖然目前HASS仍然是一門新興的技術(shù)、已在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛開展,并取得了大量的研究成果,但由于保密原因,直到目前還沒有制定相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的HALT由于種種原因并未推廣,故HASS相關(guān)應(yīng)用并不多見,本文通過實(shí)例驗(yàn)證,對(duì)HASS設(shè)計(jì)過程及其效果進(jìn)行探討。
HASS是一種采用激發(fā)試驗(yàn)的原理,通過對(duì)產(chǎn)品施加遠(yuǎn)高于產(chǎn)品正常工作的環(huán)境應(yīng)力,在較短時(shí)間內(nèi)快速激發(fā)并消除產(chǎn)品的潛在缺陷,達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性的一種技術(shù)手段。它與HALT聯(lián)合使用,主要依據(jù)由HALT確定的產(chǎn)品規(guī)范限、設(shè)計(jì)限、工作限和破壞限確定其應(yīng)力選擇范圍,應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段,確保產(chǎn)品由HALT所獲得的高可靠性不會(huì)因?yàn)橹圃爝^程而降低。
典型的HASS設(shè)計(jì)過程包括HASS剖面設(shè)計(jì)、篩選驗(yàn)證(POS)和產(chǎn)品HASS試行三個(gè)階段,如圖1所示。HASS剖面設(shè)計(jì)和篩選驗(yàn)證的目的是提供一種最快、最有效的篩選方法。
圖1.ASS試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程
3.1.ASS剖面設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)出一個(gè)好的HASS剖面是HASS最關(guān)鍵的一步,而剖面的設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)論證的過程。HASS剖面包括應(yīng)力類型(振動(dòng)、溫度、電應(yīng)力等)、應(yīng)力量級(jí)、駐留時(shí)間、試驗(yàn)順序等,每個(gè)應(yīng)力的界限值都基于之前可HALT的結(jié)果,所以在實(shí)施HASS前,必須先進(jìn)行HALT。
HASS 典型剖面的結(jié)構(gòu)有常規(guī)剖面和理想剖面兩種,在進(jìn)行HASS剖面設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)HALT結(jié)果和產(chǎn)品特點(diǎn)確定。
1) 理想剖面
當(dāng)產(chǎn)品在HALT中獲得足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如所有的工作界限和破壞界限等)時(shí),可采用理想的HASS剖面,如圖2 所示。
從圖2可以看出,剖面分為析出篩選和檢測(cè)篩選兩部分。析出篩選部分不僅溫度變化速率快,而且范圍寬,其上下界限接近于產(chǎn)品的上下破壞界限;檢測(cè)篩選部分溫度變化速率比析出篩選溫度要低,而且溫度范圍,其上、下界限均接近或不超過產(chǎn)品上、下工作應(yīng)力界限。析出篩選和檢測(cè)篩選的應(yīng)力與產(chǎn)品經(jīng)過HALT后得到的工作界限和破壞界限的關(guān)系如圖2 所示。在HASS 過程的每個(gè)溫度快速變化循環(huán)中,一般全程施加規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)量值,同時(shí)按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行微顫振動(dòng),以檢測(cè)高應(yīng)力下不易發(fā)現(xiàn)的缺陷。
2) 常規(guī)剖面
當(dāng)產(chǎn)品在HALT中獲得部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如所有工作界限和部分破壞界限)時(shí),一般采用工程實(shí)踐中用得較多的常規(guī)HASS 剖面,如圖3所示。
從圖3可以看出剖面不分析出篩選和檢測(cè)篩選兩部分。這個(gè)剖面在形式上與常規(guī)的環(huán)境應(yīng)力篩選溫度循環(huán)剖面是一樣的,但其應(yīng)力要高得多其上、下溫度界限值,一般比HALT得到的上、下工作界限值低/高20% ,但遠(yuǎn)嚴(yán)酷于產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的上、下工作應(yīng)力極限。一般全程施加規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)量值,同時(shí)按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行微顫振動(dòng),以檢測(cè)高應(yīng)力下不易發(fā)現(xiàn)的缺陷;另一種是用幾個(gè)振動(dòng)量值交替振動(dòng),還有一種是在溫度循環(huán)過程中按一定時(shí)間間隔振動(dòng)。
3.2.選驗(yàn)證(POS)
HASS是用于生產(chǎn)交付的產(chǎn)品,它的作用是快速剔除由元器件、工藝、生產(chǎn)波動(dòng)等因素造成的產(chǎn)品早期失效,保證產(chǎn)品的外場(chǎng)可靠性。鑒于HASS的目的和作用,在開展HASS設(shè)計(jì)時(shí),需要緊扣兩個(gè)關(guān)鍵主題,一個(gè)主題是,通過HASS能否將產(chǎn)品的早期失效有效地激發(fā)出來?由于HASS是用于產(chǎn)品的生產(chǎn)交付過程,這就引出另外一個(gè)主題,產(chǎn)品通過HASS之后,會(huì)不會(huì)損失較多的有效壽命?對(duì)產(chǎn)品施加應(yīng)力,就會(huì)損耗產(chǎn)品的壽命,我們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選,實(shí)際上就是用產(chǎn)品的一部分壽命來換取產(chǎn)品外場(chǎng)的使用可靠性,目前,國(guó)際上通行的規(guī)則是:環(huán)境應(yīng)力篩選過程消耗產(chǎn)品最多不超過10%的有效壽命。
故HASS篩選驗(yàn)證分兩步(如圖1所示):第一步(篩選效率確認(rèn))是要確定在檢測(cè)制造缺陷是篩選的有效性,這由暴露和檢測(cè)潛在的缺陷來完成;第二步(壽命損失評(píng)估)是要證明篩選并沒有耗費(fèi)掉被篩選產(chǎn)品的大量壽命。
3.3.品HASS試行
對(duì)HASS剖面進(jìn)行驗(yàn)證后,就可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行篩選,而且,必須對(duì)整個(gè)篩選過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。HASS剖面可以根據(jù)生產(chǎn)過程和使用現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。不過,每次調(diào)整都必須慎重考慮、清楚分析。如果篩選遺漏了缺陷,必須分析原因,必要的話,要對(duì)HASS進(jìn)行修改;如果在HASS過程中出現(xiàn)某個(gè)高失效,必須仔細(xì)分析原因,了解是否HASS過程變更所致,無論任何應(yīng)力出現(xiàn)變化,都必須重新進(jìn)行一次篩選驗(yàn)證(POS)。
4.1.品篩選方案階段
某型慣導(dǎo)產(chǎn)品主要由電子部件和臺(tái)體組成(如圖4所示),而臺(tái)體包含有陀螺等精密光機(jī)電元件,耐環(huán)境能力較差,是整個(gè)產(chǎn)品(以下簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”)的短板,若直接以系統(tǒng)進(jìn)行HASS,則無法充分利用強(qiáng)化的環(huán)境應(yīng)力快速暴露電子部件(主要為電路板)的生產(chǎn)缺陷。同時(shí)考慮承制單位生產(chǎn)管理特點(diǎn)(產(chǎn)品必須進(jìn)行電子部件和系統(tǒng)的二級(jí)篩選),某型慣導(dǎo)產(chǎn)品HASS采取“電子部件HASS+系統(tǒng)HASS”的方案,即根據(jù)HALT結(jié)果,分別制定“電子部件HASS剖面”和“系統(tǒng)HASS剖面”,采取首先進(jìn)行“電子部件HASS”再進(jìn)行“系統(tǒng)HASS”的試驗(yàn)步驟。
4.2.ASS剖面設(shè)計(jì)階段
考慮到承制方產(chǎn)品交付實(shí)際狀況,在進(jìn)行HASS剖面設(shè)計(jì)時(shí),我們主要考慮了以下因素:
·HALT試驗(yàn)的結(jié)果
·國(guó)外企業(yè)的做法;
·產(chǎn)品的特點(diǎn);
·產(chǎn)品交付的特點(diǎn);
·產(chǎn)品測(cè)試的要求;
·篩選的效率;
·剖面的可操作性。
根據(jù)產(chǎn)品的HALT結(jié)果(見表1),某型慣導(dǎo)產(chǎn)品電子部件和系統(tǒng) HASS均采用HASS常規(guī)剖面的設(shè)計(jì)。
根據(jù)HALT得到的產(chǎn)品的高溫工作極限、低溫工作極限、振動(dòng)工作極限,結(jié)合產(chǎn)品特性,分別設(shè)計(jì)了產(chǎn)品電子部件和系統(tǒng)的HASS試驗(yàn)剖面(如圖5、圖6所示),其中電子部件HASS剖面每個(gè)循環(huán)合計(jì)32min,進(jìn)行6個(gè)循環(huán)共192min;系統(tǒng)HASS剖面每個(gè)循環(huán)合計(jì)200min,進(jìn)行2個(gè)循環(huán)共400min。某型慣導(dǎo)產(chǎn)品HASS總時(shí)間為592min,約10h,而該產(chǎn)品根據(jù)GJB1032要求設(shè)計(jì)的兩級(jí)篩選共需最少120小時(shí),即HASS時(shí)間僅為傳統(tǒng)篩選的約1/12。
4.3.選驗(yàn)證(POS)階段
設(shè)計(jì)了最初的HASS剖面后,必須對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。篩選驗(yàn)證過程用于確認(rèn)篩選效果和確定篩選不會(huì)引入缺陷或嚴(yán)重影響產(chǎn)品壽命。
某型慣導(dǎo)產(chǎn)品HASS篩選驗(yàn)證試驗(yàn),按照設(shè)定的“電子部件HASS剖面”和“系統(tǒng)HASS剖面”順序,首先進(jìn)行篩選效果確認(rèn),然后繼續(xù)按“系統(tǒng)HASS剖面”施加應(yīng)力,評(píng)估HASS試驗(yàn)方法對(duì)產(chǎn)品壽命的影響。
4.3.1.ASS的篩選效率確認(rèn)。
表1.型慣導(dǎo)產(chǎn)品的HALT結(jié)果
我們主要采取故障植入和與傳統(tǒng)篩選對(duì)比效果的方法進(jìn)行HASS篩選效率評(píng)估。利用經(jīng)過HALT試驗(yàn)的產(chǎn)品,并將HALT驗(yàn)證有效的改進(jìn)措施落實(shí)到該產(chǎn)品中,然后人為地埋入一些缺陷(如圖7所示)。
由于篩選的作用是快速剔除由元器件、工藝、生產(chǎn)波動(dòng)等因素造成的產(chǎn)品早期失效,通過分析,我們認(rèn)為元器件的早期失效無法有效捕捉,故埋入的缺陷基本上是模擬工藝和生產(chǎn)過程波動(dòng)引起的缺陷。通過HASS試驗(yàn),確定這些缺陷的析出情況,之后再將同樣的缺陷埋入產(chǎn)品進(jìn)行傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選,通過兩種試驗(yàn)方法缺陷析出情況的對(duì)比,確定HASS剖面的效率是否滿足要求。HASS篩選效率確認(rèn)步驟如圖8、圖9、圖10所示。
我們?cè)诋a(chǎn)品中一共埋入了6個(gè)缺陷點(diǎn),通過一個(gè)完整的HASS過程,這6個(gè)缺陷點(diǎn)中的4個(gè)被有效析出。為了確認(rèn)這4個(gè)缺陷點(diǎn)的埋入程度是否合適,我們用傳統(tǒng)的ESS試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比,通過一個(gè)完整的環(huán)境應(yīng)力篩選過程,6個(gè)缺陷點(diǎn)只有1個(gè)被析出,至此,可以看出,HASS的篩選效率高于傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選效率。
圖9.統(tǒng)HASS篩選效果確認(rèn)流程
圖8.子部件HASS篩選效果確認(rèn)流程
圖10.ASS與ESS效果比對(duì)過程
圖11.ASS壽命損失評(píng)估流程
同時(shí)我們也注意到,在HASS中有兩個(gè)缺陷點(diǎn)沒有被析出,這是不是由于HASS應(yīng)力不足造成的呢?因此,我們決定在產(chǎn)品的后續(xù)工作(HASS壽命損失評(píng)估階段)中進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。
4.3.2.ASS壽命損失評(píng)估階段
確認(rèn)HASS剖面效率后,進(jìn)入HASS試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品有效壽命的損失評(píng)估階段,目前國(guó)際上的通用做法是:當(dāng)HASS剖面設(shè)計(jì)完成之后,需要用一臺(tái)全新的、落實(shí)了HALT改進(jìn)措施的產(chǎn)品,用HASS剖面進(jìn)行試驗(yàn),直至產(chǎn)品出現(xiàn)疲勞損壞,統(tǒng)計(jì)總試驗(yàn)循環(huán)數(shù),這個(gè)循環(huán)數(shù)我們就認(rèn)為是產(chǎn)品的壽命循環(huán)數(shù),若HASS剖面的循環(huán)數(shù)低于壽命循環(huán)數(shù)的10%,我們認(rèn)為HASS剖面的設(shè)計(jì)是合適的。
HASS壽命損失評(píng)估流程如圖11所示,具體的評(píng)估步驟如下:
1) 修復(fù)經(jīng)過篩選效率確認(rèn)的產(chǎn)品;
2) 按“系統(tǒng)HASS剖面”施加應(yīng)力;
3) 進(jìn)行10倍的“系統(tǒng)HASS剖面”篩選時(shí)間,即20個(gè)“系統(tǒng)HASS”循環(huán);
4) 若無故障出現(xiàn),則認(rèn)為按該HASS方法篩選后,產(chǎn)品仍保留至少90%的有效壽命;若出現(xiàn)生產(chǎn)工藝故障,需重新對(duì)該HASS方法的篩選效率進(jìn)行評(píng)估或必要的修改;若出現(xiàn)疲勞損傷故障,則需進(jìn)行評(píng)估和分析,判斷該故障是否由于HASS剖面應(yīng)力過大造成;
5) 若必要,需權(quán)衡HASS剖面的篩選效率,修改HASS剖面和方法步驟,并重新進(jìn)行HASS方法的POS確認(rèn),直至HASS剖面和方法步驟得到認(rèn)可為止。
進(jìn)行10倍的“系統(tǒng)HASS剖面”篩選時(shí)間,即20個(gè)“系統(tǒng)HASS”循環(huán),受試產(chǎn)品無故障發(fā)生,HASS壽命損失評(píng)估階段結(jié)束。通過對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程及試驗(yàn)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行綜合分析和評(píng)估,我們認(rèn)為,HASS試驗(yàn)所采用的應(yīng)力剖面不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的有效壽命產(chǎn)生顯著影響。
而在篩選效率確認(rèn)階段未能析出的兩個(gè)植入缺陷,直到最后,這兩個(gè)缺陷點(diǎn)始終沒有被激發(fā)成故障。通過分析我們認(rèn)為,這兩個(gè)點(diǎn)雖然是缺陷,但未必能以早期故障的形式表現(xiàn)出來。
4.4.次HASS應(yīng)用結(jié)果
通過本次HASS應(yīng)用研究,我們摸索出了一套利用產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段獲得的信息,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的且比常規(guī)篩選有效得多的篩選方法,并使某型慣導(dǎo)產(chǎn)品篩選效率大幅提升:
1) 將產(chǎn)品交付過程中的篩選時(shí)間由傳統(tǒng)方法的最少120小時(shí)縮短到10小時(shí);
2) 在大幅縮短產(chǎn)品篩選時(shí)間的同時(shí),保證產(chǎn)品有更高的篩選度。
國(guó)外多年的實(shí)踐證明,HASS作為新興的試驗(yàn)方法,其篩選效率高,與一般環(huán)境應(yīng)力篩選相比,達(dá)到篩選的目的所需要的時(shí)間大大減少,能節(jié)省大量人力和成本。但因?yàn)镠ASS采用的應(yīng)力是以HALT確定的極限應(yīng)力為基礎(chǔ),HASS只能在經(jīng)過HALT的產(chǎn)品的批生產(chǎn)中使用。HASS需用篩選驗(yàn)證(POS)來最終確定應(yīng)力量值甚至估算壽命損耗比例,因此確定HASS的過程也是一個(gè)探索試驗(yàn)的過程??傊趪?guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家,如歐美日本等,HASS技術(shù)由于它本身的魅力和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),已經(jīng)被商家廣泛的接受,并得到普遍的應(yīng)用。
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Discussion on Application of Electronic Products Highly Accelerated Stress Screening
LI Jing,ZHANG Rui(China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute, Guangzhou 510610)
The paper discussed the procedure and method of electronic products highly accelerated stress screening test, including profile design and screen validation and so on,while also applied this method to certain airborne inertial navigation product. This technology serves as a direction for highly accelerated stress screening of other Aircraft electronic products.
electronic products;HASS;fault injection;screening efficiency;loss of life
TJ06
A
1004-7204(2012)03-0005-06
李勁(1978-),男,廣東肇慶人,工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程研究中心工程師,暨南大學(xué)本科畢業(yè),主要從事電子產(chǎn)品的可靠性篩選試驗(yàn)、強(qiáng)化試驗(yàn)等評(píng)價(jià)工作。
張蕊(1979-),女,陜西西安人,工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程研究中心工程師,西北工業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè),主要從事電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)評(píng)價(jià)工作。