高加速應(yīng)力篩選定量評價的應(yīng)用探討★

陸家樂 ， 李勁 ， 劉冬梅 ， 王首臻

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510610；3.廣州市電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程重點實驗室，廣東 廣州 510610；4.中航工業(yè)洪都，江西 南昌 330024；5.第二炮兵裝備研究院，北京 100085）

0 引言

環(huán)境應(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)部缺陷加速發(fā)展為故障，并加以發(fā)現(xiàn)和排除的工藝手段，因此環(huán)境應(yīng)力篩選是質(zhì)量控制檢查和測試過程的延伸。環(huán)境應(yīng)力篩選包括定性篩選和定量篩選，目前我國軍工電子產(chǎn)品篩選主要參照GJB 1032-1990[1]“電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法”實施定性篩選。對于高可靠要求的軍工電子產(chǎn)品，應(yīng)用傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選方法，將會面臨篩選效率低、暴露問題試驗時間長和不徹底的問題，最終導(dǎo)致生產(chǎn)周期長，影響生產(chǎn)進度和增加了生產(chǎn)費用。高加速應(yīng)力篩選 （HASS）是一門新興的篩選技術(shù)，通過對產(chǎn)品施加遠高于產(chǎn)品正常工作的環(huán)境應(yīng)力，在短時間內(nèi)快速地激發(fā)并消除產(chǎn)品的潛在缺陷，確保產(chǎn)品的可靠性不會因為制造過程而降低，目前已在歐美、日本等發(fā)達國家得到廣泛的應(yīng)用。隨著我國技術(shù)的發(fā)展，HASS篩選技術(shù)必將成為我國軍工生產(chǎn)質(zhì)量控制的有力補充。

定量環(huán)境應(yīng)力篩選是環(huán)境應(yīng)力篩選的高級階段，要求在篩選效果、成本和產(chǎn)品的可靠性目標(biāo)、現(xiàn)場故障修理費用之間建立定量關(guān)系的篩選。目前我國定量篩選主要依據(jù)GJB/Z 34-1993[2]《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》實施，該標(biāo)準對于應(yīng)用傳統(tǒng)篩選方法的產(chǎn)品具有較好的指導(dǎo)性，但對于采用多種新技術(shù)、主要應(yīng)用綜合環(huán)境應(yīng)力進行篩選的HASS并沒有涉及，導(dǎo)致工程實踐中HASS難以實現(xiàn)篩選并進行定量評價。

本文以某航空電子產(chǎn)品為對象，嘗試通過HASS等效轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)篩選的方法進行篩選與定量評價，探討一套基于GJB/Z 34-1993，且易以工程實施的HASS定量評估方法，滿足軍工電子產(chǎn)品批產(chǎn)可靠性控制發(fā)展的需求。研究的總體思路如圖1所示。

圖1 總體思路

1 HASS應(yīng)用定量篩選的途徑分析

1.1 HASS定量篩選關(guān)鍵參數(shù)提煉

GJB/Z 34-1993規(guī)定的定量篩選則要根據(jù)具體產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)要求、結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度，適當(dāng)?shù)匕才藕Y選組裝等級，以及所用的篩選應(yīng)力，保證篩選后受篩產(chǎn)品中的殘留可篩缺陷密度與可靠性要求相一致[3]。所以，對引入缺陷數(shù)、篩選應(yīng)力強度，以及檢測儀表的檢測能力都要進行定量的控制，并通過篩選中的監(jiān)測評估結(jié)果，對篩選進行定量的調(diào)整，最終達到殘留缺陷密度的定量目標(biāo)。

通過對定量篩選評價體系分析，與篩選方法直接相關(guān)的條件只有 “篩選應(yīng)力強度計算”，而在GJB/Z 34-1993中，篩選應(yīng)力強度只提供了溫度循環(huán)、恒定高溫、隨機振動和掃頻正弦振動4種篩選應(yīng)力的篩選強度計算公式，對于以三軸超高斯寬頻振動、溫度振動綜合應(yīng)力為特征的HASS篩選技術(shù)并不適用。

因此，HASS的定量評估方法研究，其實質(zhì)是對HASS應(yīng)力篩選強度計算方法的研究。

1.2 HASS定量篩選關(guān)鍵參數(shù)確定方法選擇

要解決HASS篩選強度計算的問題，可選擇兩種途徑 （如圖2所示）。

a）方法一：根據(jù)HASS的應(yīng)力特性，建立高加速應(yīng)力篩選綜合應(yīng)力循環(huán)的篩選強度模型，并提出篩選強度計算公式。

b）方法二：研究一套HASS效果等效轉(zhuǎn)化為基于傳統(tǒng)應(yīng)力的篩選的方法，利用標(biāo)準現(xiàn)行篩選強度計算公式進行篩選強度評估。

圖2 HASS篩選強度確定方法

第1種方法需采集大量的實際HASS應(yīng)用數(shù)據(jù)，提煉出綜合應(yīng)力篩選強度模型，因此具有通用性。我們以某重點型號為基礎(chǔ)調(diào)研16家成品單位的定量篩選應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)均未推廣應(yīng)用，即定量篩選在我國型號中開展得并不普及，可供參考的數(shù)據(jù)貧乏；另外，由于HASS的實施需采用專用的強化試驗設(shè)備，制約了HASS的普及，也無相關(guān)可參考數(shù)據(jù)。綜上所述，第1種方法在現(xiàn)階段難以開展應(yīng)用研究。

第2種方法不需要收集大量產(chǎn)品的HASS應(yīng)用數(shù)據(jù)，但必須基于產(chǎn)品個性特點及其HASS剖面，且要求其HASS應(yīng)力具有轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)篩選應(yīng)力的可行性。該方法只適合已有完善的HASS方案的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化結(jié)果不具有通用性，但其他產(chǎn)品的HASS篩選評估可借鑒該方法。通過對HASS與傳統(tǒng)篩選應(yīng)力特征比較 （如表1所示），我們認為與第一種方法相比，通過HASS與傳統(tǒng)篩選應(yīng)力等效轉(zhuǎn)化確定HASS的篩選強度的方法更可行。

表1 高加速應(yīng)力篩選與傳統(tǒng)篩選的差異

1.3 HASS定量篩選關(guān)鍵參數(shù)確定方法的思路

HASS主要利用機械應(yīng)力和熱應(yīng)力使產(chǎn)品缺陷處迅速產(chǎn)生疲勞損傷，從而達到快速地激發(fā)缺陷的目的。HASS剖面一般由快速溫度循環(huán)和六軸向隨機振動組成，兩種篩選應(yīng)力綜合地施加。傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選采用組合施加應(yīng)力的方式，并不考慮各種篩選應(yīng)力綜合使用的耦合效應(yīng)，因此定量篩選標(biāo)準GJB/Z 34-1993只提供了溫度循環(huán)、恒定高溫、隨機振動和掃頻正弦振動4種篩選應(yīng)力的篩選強度計算公式，分別計算各篩選應(yīng)力的篩選強度。

我們研究HASS篩選強度計算的思路如圖3所示。

圖3 HASS篩選強度計算的思路

HASS的篩選應(yīng)力為快速溫度循環(huán)和六軸向隨機振動的綜合應(yīng)力，其篩選強度SS（HASS）由溫度循環(huán)的篩選強度 SS（HASS溫循）和振動的篩選強度SS（HASS振動）組成，同時由于兩種應(yīng)力為綜合地施加，其耦合效應(yīng)會使單應(yīng)力的激發(fā)效果增強，故存在 “a”和 “b”的加速系數(shù)。若能找到基于傳統(tǒng)篩選設(shè)備的HASS等效轉(zhuǎn)化方法，將HASS分解為基于傳統(tǒng)設(shè)備的溫度循環(huán)和隨機振動兩種組合應(yīng)力（其篩選強度分別為 SS（傳統(tǒng)溫循）和 SS（傳統(tǒng)振動））， 通過定性的篩選效果等效評價方法證明兩種篩選方式效果相當(dāng)，即兩種方法的篩選強度相等SS（HASS）=SS（轉(zhuǎn)化）， 按 GJB/Z 34-1993中溫度循環(huán) （公式 1）和隨機振動 （公式2）的篩選強度計算公式，可計算出HASS的等效篩選強度。

式 （1）中：SS——篩選強度；

R——溫度變化范圍R=（Tu-TL） （℃）；

v——溫度變化率 （℃/min）；

N——循環(huán)次數(shù)

式 （2）中：SS——篩選強度；

Grms——實測的振動加速度均方根值 （g）；

t——振動時間 （min）

由此可見，解決了以下兩個關(guān)鍵問題，即可實現(xiàn)產(chǎn)品的HASS篩選強度的計算。

1）定性的篩選效果等效評價方法；

2）基于傳統(tǒng)篩選設(shè)備的HASS等效轉(zhuǎn)化方法。

綜合上述分析，我們嘗試地利用某航空電子產(chǎn)品，研究基于HASS與傳統(tǒng)篩選等效轉(zhuǎn)化的HASS應(yīng)力篩選強度計算方法。

2 HASS定量篩選評估案例

某航空電子產(chǎn)品具有成熟的HASS方案[4]（剖面如圖4所示），已進行了相應(yīng)的HASS應(yīng)用和外場跟蹤，效果良好。

由于對激發(fā)產(chǎn)品缺陷起決定性作用的不是產(chǎn)品外部環(huán)境，而是產(chǎn)品自身對外部環(huán)境應(yīng)力的響應(yīng)，我們決定使用傳統(tǒng)篩選設(shè)備對HASS篩選時產(chǎn)品內(nèi)部對溫度、振動的響應(yīng)值，以及響應(yīng)特性進行模擬，若模擬得當(dāng)，理論上可以達到使用傳統(tǒng)設(shè)備等效HASS篩選的目的。案例實施總體思路如圖5所示。

圖4 某航空電子產(chǎn)品及其HASS剖面

圖5 案例實施總體思路

2.1 明確定性的篩選效果等效評價方法

目前國際上流行的篩選效果評價方法為缺陷植入法，即選取一定數(shù)量的產(chǎn)品典型工藝缺陷，以人為的方法植入到產(chǎn)品中，通過統(tǒng)計不同的篩選方式所激發(fā)的植入缺陷數(shù)量，定性評價不同篩選方式的篩選效果。

某航空電子產(chǎn)品在前期HASS剖面設(shè)計時已采用此方法進行了篩選效果的確認，對產(chǎn)品的典型缺陷及缺陷的植入法積累了大量的經(jīng)驗[5]，因此本次研究仍沿用缺陷植入法對篩選效果進行等效評價。其應(yīng)用方法如圖6所示。

圖6 缺陷植入法等效性評估思路

2.2 基于傳統(tǒng)篩選設(shè)備的HASS等效轉(zhuǎn)化

篩選等效評價方法確定后，可通過反復(fù)迭代的方法對HASS剖面進行等效轉(zhuǎn)化，摸索可行的方法。

傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選設(shè)備與HASS篩選設(shè)備有很多本質(zhì)的區(qū)別，比如：升降溫速率、低溫極值、寬頻振動和三軸向振動等很多參數(shù)無法使用傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選設(shè)備直接模擬 （傳統(tǒng)環(huán)境應(yīng)力篩選設(shè)備與HASS篩選設(shè)備的主要不同如表1所示）。要實現(xiàn)使用傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選設(shè)備對HASS篩選效果的等效轉(zhuǎn)化，就必須分析兩種試驗設(shè)備本質(zhì)上的差異，只有通過各種方法使產(chǎn)品內(nèi)部對HASS和傳統(tǒng)篩選各種應(yīng)力的響應(yīng)趨于一致，才可能達到使用傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選設(shè)備模擬HASS篩選效果的目的。

在研究過程中，轉(zhuǎn)化的環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)力剖面基于傳統(tǒng)試驗設(shè)備的局限，遵循以下原則：

1）溫度循環(huán)高溫階段參數(shù)直接引用HASS剖面 （傳統(tǒng)設(shè)備可達到110℃）；

2）低溫參數(shù)、溫變速率以傳統(tǒng)篩選設(shè)備的最大能力確定 （傳統(tǒng)設(shè)備無法達到-80℃和60℃/min的溫變率）；

3）保溫時間以溫度響應(yīng)的調(diào)查結(jié)果確定；

4）轉(zhuǎn)化后的振動激勵譜型及持續(xù)時間以實測HASS激勵譜型并結(jié)合產(chǎn)品振動響應(yīng)的調(diào)查結(jié)果，經(jīng)工程化處理后確定。

基于傳統(tǒng)篩選設(shè)備的HASS等效轉(zhuǎn)化過程如圖7、8所示。

圖7 溫度循環(huán)的轉(zhuǎn)化

圖8 HASS振動的轉(zhuǎn)化過程

2.3 篩選效果等效評價方法及篩選強度的計算

實現(xiàn)了產(chǎn)品HASS剖面對傳統(tǒng)篩選設(shè)備的轉(zhuǎn)化后，需對其篩選效果進行評估，我們采用故障植入法比較兩種篩選方法的篩選效果。本次驗證植入的缺陷完全參考前期產(chǎn)品HASS驗證過程中植入缺陷的部位和植入方式，共植入6個缺陷，如表2所示。

分別按產(chǎn)品HASS剖面和轉(zhuǎn)化的篩選方案實施篩選，其激發(fā)效果如表3所示。

根據(jù)表3所示的埋入缺陷的析出情況對比，我們認為本次基于HASS轉(zhuǎn)化的篩選效果能等效HASS。從HASS轉(zhuǎn)化后的篩選應(yīng)力為溫度循環(huán)和隨機振動的組合應(yīng)力，符合GJB/Z 34-1993提供的篩選強度計算公式要求，可按公式 （1） 和公式 （2） 對其篩選強度進行計算，其篩選強度值等效產(chǎn)品HASS的篩選強度值，可作為產(chǎn)品定量篩選計算的參數(shù)。產(chǎn)品轉(zhuǎn)化后的篩選強度計算值和按GJB 1032-1990篩選的篩選強度的計算值如表4所示。

表2 產(chǎn)品植入缺陷情況

表3 HASS與轉(zhuǎn)化后篩選的缺陷析出情況對比

3 結(jié)束語

國外多年的實踐證明，HASS作為新興的篩選方法，其篩選效率高，與一般環(huán)境應(yīng)力篩選相比，達到篩選的目的所需要的時間大大減少，能節(jié)省大量人力和成本。對于以三軸超高斯寬頻振動、溫度振動綜合應(yīng)力為特征的HASS技術(shù)，當(dāng)前的定量篩選并不適用。

由于應(yīng)用數(shù)據(jù)的缺乏，目前難以通過研究HASS應(yīng)力篩選強度模型達到定量評估的目的，本文嘗試通過HASS等效轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)篩選的方法進行篩選與定量評價，探討一套基于GJB/Z 34-1993，而且易以工程實施的HASS篩選定量評估方法，通過某航空電子產(chǎn)品的HASS轉(zhuǎn)化驗證，我們認為提出的HASS定量篩選評估方法，能緊貼產(chǎn)品特性，效果明顯，且具有良好的工程適用性，能為軍工電子產(chǎn)品批產(chǎn)可靠性控制應(yīng)用新技術(shù)提供有益的借鑒。

表4 缺陷植入法等效性評估思路

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

[2]GJB/Z 34-1993，電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南[S].

[3]康銳，石榮德，肖波平，等.型號可靠性維修性保障性技術(shù)規(guī)范 [M].第1冊.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[4]李勁，張蕊.電子產(chǎn)品高加速應(yīng)力篩選的應(yīng)用探討 [J].環(huán)境技術(shù)，2012，30（3）：5-10.

[5]李勁，沈崢嶸.生產(chǎn)階段環(huán)境應(yīng)力篩選動態(tài)改進方法探討 [J].環(huán)境技術(shù)，2013，31（增刊1）： 44-49.