简论环境应力筛选

 一、环境应力筛选(EnvironmentalStressScoreening)的概念及发展

    1.产品可靠性的提出：为了使用户满意；降低惊人的维修费用和产品成本；增加利润，这些都是一些难以捉摸和控制的事情。但是必须控制电子元器件性能，并集中于产品可靠性这一焦点上.

    要控制产品的可靠性，需要了解产品失效的原因，分析产品出厂施加应力后出现的故障，*终，也是*重要的是确定产品失效的模式，而此种失效模式是经过常规检验或试验不可能被发现的，如：参数漂移、零部件安装不正确、安装了错误零件、虚焊、零件被污染、有缺陷的零件等。

    通过ESS程序可以完善电子产品，大大提高其可靠性，ESS技术开展了对产品失效的查找，和如何正确的完成ESS程序。

    为了努力使零部件、组装件和*后完成的装置合格，电器制造厂商已寄希望于一致强调的可靠性上，使可靠性被认为是产品性能中的一个*重要参数。

    这是因为尽管有很好的产品设计，并通过认可的成熟的工艺来制造，产品也有可98失效，大多数失效不会超出三种类型，即：有缺陷的零部件、制造工艺错误和有工艺应力，这些将带来潜在的缺陷，而此种缺陷通过常规的试验不易出现，也不易鉴别，但是，随着使用的增长，可能使产品突然失效

    根据产品累积失效的数据表明：潜在缺陷会导致产品早期失效，当产品超过早期失效阶段，通常就是可靠的，如图A所示的产品典型寿命周期曲线，通常表示为一浴盆曲线。

    由图可看出，产品寿命分为三段，即：早期，有效寿命期和损坏期。

    产品初期使用阶段故障率高，可靠性差，因而控制产品可靠性的关键因素是保证产品销售到用户前已通过初期阶段，或者说，需要建立某种试验程序，使产品失效率高的初期阶段在厂内完成，从而保证用户得到的是令其满意的可靠的产品。这就引出了环境应力筛选的概念。

    2.ESS是什么?

    环境应力筛选(Ess)的意义就是筛选产品，把通过不能用常规检验或试验的方法，或肉眼检验或电气试验方法查出的缺陷，暴露出来，这些有缺陷的零部件与其制造工艺或工艺技术有关，并大量分布在早期失效区域。

    经过一个ESS程序，使某类产品100％的进行环境应力激励，并预行确定试验时间，强制有缺的产品失效在厂内发生。

    要了解ESS*重要的是在程序内，失效产品被检查出来是正常的和不可避免的，在此意义上，ESS与常规检验根本不同，常规检验要求100％合格。

    同样重要的是ESS不是简单的增大试验阶段的强度和可能的破坏应力于产品上，事实上，它完全不是一种常规试验，而是用于提高产品可靠性的一种方案，一种手段，而常规的试验却不能。

    以下两个重要的因素是正确实现ESS的关键：

    1）应力*佳水平必须适合于强制产品的缺陷变为失效；

    2）应力环境必须不超过产品电气和机械性能的极限，强制应力不应使无缺陷的产品失效或减少产品的有效寿命。

    ESS是一种高效的提高产品可靠性的工具，它将给企业带来以下利益：

    1）减少维修费用；
 

    2）淘汰无效的筛选方法，使有缺陷产品被筛选出来；

    3）较早检测出设计和制造工艺中的毛病；

    4）保证产品可靠；
 

    5）增加产品价值；

    6）保证用户满意。

    3.ESS的发展

    在**次大战期间，受**的驱驶，环境试验已成为重要的试验，由于武器激增，飞机通讯等现场试验需要的费用高，且时间长，于是发展了环境模拟技术，在一个隔热试验箱内，对产品作温度、湿度、高度等模拟试验，在产品开发阶段用以验证设计，在制造阶段以检查产品的制造工艺以保证设计的一致性。

    战后，电子技术逐步发展，产品尺寸减小，复杂性增加，更需要好的生产工艺和组装程序，从产品累积失效的资料分析，发展许多不可预见的因素包含在零部件中，设计、制造技术、加工工艺都可成为失效的原因，且失效多发生在产品使用的初期阶段，故确定试验方法应模拟产品初期阶段，并提出措施。

    通过对产品早期阶段的试验中，提出了对产品延长加载时间的方法，如老化试验，高温工艺，许多人都相信，对使产品早期突然失效，某种应力会有加大的效果。

    老化试验使产品有较小数量的早期失效是成功的，但不足以大大地改变失效串范围，此外，老化消耗时间长，使生产速度慢，产品费用增加并延误交货时间。

    为了解决这一问题，美国**部门推荐了环境模拟试验的新装置，**要求产品能用在多变的环境下，暴露在环境参数周期变化中。例如：喷气机从沙漠跑道爬高到高空，将在短时间内暴露于显著的温度变化中，静止不变的环境参数，如老化，不能提供此种模拟。于是，一种综合环境模拟型式被推出，如：早期的温度循环加低频机械振动。模拟试验的基本原则：产品暴露的环境要相似于实际使用的环境，模拟试验产生一些重要结果：

    首先，一定数量的产品能在恒定温度应力下正常工作，但在遭受多次温度循环后就要失效。这就是温度循环程序，它是ESS理论的基础。其次，与热老化比较，失效数大大增加，特别是失效型式将可能在现场使用时才发现。*后，温度循环使产品突然失效的时间很短。温度循环试验通过温度变化显然产生了一种应力，使事先未检查出来的产品潜在缺陷暴露出来了。

    从以上发现，产生了ESS基本原理，这门学科与通常试验方法的区别终于使人们弄明白，环境试验要用于确认设计，而环境应力筛选则用于考核产品的零部件、材料和制造工艺的失效性。
 

    美国环境科学学会(IES)开展了ESS的**研究工作，其出版的(电子元器件的电学应力筛选)(ESSEH)，提供了一些通用的ESS应用指南。随后，IES发表的论文和其它资料，提供了更加有力的论据，说明ESS是一个提高产品可靠性非常成功的方法。

    4.可能对ESS产生的误解：

    1）ESS是一种试验：ESS不是一种试验，它不是企图确认设计，确认设计要求一个无失效的模拟程序。ESS是一个筛选程序，需要暴露产品潜在的缺陷，以及可能发生在现场的其它性质的失效。

    2）ESS与老化试验是一样的：ESS是从老化理论发展起来的，但它是一个有显著优点的程序，老化是使产品长时间受恒定温度的作用，而ESS是一个加速程序，即在预先确定的环境温度之间，使产品承受多次的循环应力。

    3）ESS就是随机抽样：ESS要求100％的产品作暴露试验，而不能随机抽样，因为产品潜在的缺陷特性是随机的，将所有产品进行筛选是**办法，以保证筛选程序的有效性。

    4）ESS可用于确认设计：仅管ESS可能有时暴露一个不合理的设计，但它的意图是不同的。设计有效性用环境模拟和实验室分析去确定，即当产品用在不超过规定的环境下，产品是否有效。而ESS则不同，为了达到暴露产品潜在缺陷的目的，对其施以*大容许的激励，强制潜在缺陷失效，并从失效数据中分析零、部件及产品失效的模式，是工艺缺陷还是设计错误。这与模拟试验的任务是完全不同的。

    5）ESS无需失效：ESS是用以强制发生*适当的失效，这些失效在产品正常使用情况下都会发生，ESS基于某种产品的模拟性而确定*大允许加载应力，无缺陷的产品能吸收而不影响其使用寿命，绝大多数有潜在缺陷的产品将失效，并在出厂前在厂内检查出来。

    6）ESS是昂贵的：ESS程序虽然要花去一些经赞和时间，但是，由于可大大减少维修费用，三包费用，提高产品的价值，增大市场占有份额，其综合效益是非常明显的，ESS提供的方法，是理想的使用产品维修费降到*低点的方法。

    二.ESS的型式

    ESS使产品暴露在一种或多种应力环境中，如温度循环、振动、高温、电、热冲击和其它。模拟的特性为应力极限、变化速率、振幅、频率等。对每一种产品必须明确持续时间。

    常用的ESS型式如下：

    1.温度循环：
 

    包含在预定极限之间多次温度变化循环，典型的温度循环曲线如图B。

    温度极值与产品相关，必须不使无缺陷产品突然失效。温度变化极限之间的差值应足够大，以提供*佳的应力范围。如果是恒定变化速率，可以缩短或延长周期时间，但必须对产品施以足够的影响。

    ESS的温度循环，其试验箱内的空气温度变化速率必须≥5℃/min，且试品温度应尽可能紧跟箱温的变化，这样才能对试品起到激励作用，强制其潜在缺陷失效，达到ESS的目的。
 

    一般的高低温试验箱，由于温度变化速率<5℃ min，且结构设计不同，因此产品的温度化速率太小，或跟不上箱温的变化，无法用于ess。如图c：<="" p="">

    作为ESS温度循环的试验箱，试品温度应紧跟＞5℃／min的箱温变化。如图D所示，在达到高、低温的恒定段时间，对试品应力影响不大，为了提高筛选效率，许多厂家缩短了恒定时间，所以作为ESS的温度循环试验箱需作用专门的设汁，属另一类品种，而绝非普通的高低温试验箱。

    在温度循环试验中，风速有决定性的直接影响，图G说明，在同一箱内空气温度循环变化下，不同风速，试品的温度变化曲线是不一样的，风速低试品温度变化慢，只有较小的应力施加于试品，风速高试品温度变化快，使试品温度较好的接近箱内空气温度，从而承受了较高的应力。

    *佳风速的大小与试品有关，在某种风速下可获得*大的热交换，超过此风速可能得到相反的效果，对于一种特定的试品，正确的风速和风向可通过试验来确定。

    2、随机振动

    用随机振动对产品进行筛选与其它ESS型式比较需时较短，对暴露产品的机械缺陷特别有效，如脱焊、虚焊等。

    随机振动费用太贵，仅管如此，仍被认为比其它振动型式更好，并经常采用，如果费用允许，可与温度循环一起进行筛选。

    3、高温老化

    这个筛选程序通常是静态的，使产品承受预定时间提高了的温度，相信产品在连续工作，和施加的热能下，可强制出现早期失效。现在的研究说明，高温老化效果比温度循环差得多。
 

    4、电应力

    用于电路系统的筛选，有两种基本型式：1)周期通电；2)扩大电压范围，包括输人变化的电压，用电应力筛选比较省钱，与其它型式筛选一起可增加整个筛选的有效性，同时为了寻找模糊不清的失效，对产品通电也是必需的。

    5、热冲击

    使产品暴露在急剧的温度极限，常用快速方式，即；产品按时间程序不断循环移动一不论是机械的还是动手的，从极端热环境到极端冷环境，通常认为，对筛选零、部件、组装件的缺陷热冲击是有效的。

    6、固定频率的正弦振动

    此种型式的振动，通常用一种频率60HZ以上的机械振动台，与随机振动相比费用少且易于控制，但常被认为没有提供有效水平，

    7、低温

    相似于高温筛选的概念，其原理是：失效是由于产品受热后又置于冷环境，使其强制收缩而发生的。

    8、正弦振动、摆动频率

    通常需要频率范围在500Hz以上的液压振动台，此种振动与固定频率相比，其综合效能是相似的。

    9、综合环境

    按产品的复杂性、价值或可靠性规程，环境应力筛选型式可以相互组合。例如：温度循环和随机振动常常综合在一个ESS程序内，但费用昂贵。如果两种筛选顺序进行则费用较低，因为降低了对筛选设备的要求。

    在上述ESS型式中，普遍的意见认为温度循环是*有效的方式。

    总之，所用ESS型式和如何施加应力，完全决定于什么应力将在某特定产品中，在*时间内，使有缺陷的产品*大数量的失效。

    三、温度循环是ESS*有效的方式

    根据美国环境科学学会(1E5)等单位的研究资料，断定温度循环是筛选*有效的型式，如图E所示，不同的ESS程序之间，筛选有效性的排列次序。
 

    从图中可以看出，温度变化循环是*有效性别潜在缺陷的筛选型式。其次是随机振动，其发现产品失效数约为温度循环的2／3多。

    其次，温度循环对产品加载应力均匀，每一产品都承受相同的应力，应力均匀性也较易控制，在执行程序或修改程序方面有较大的灵活性。

    *后，温度循环的筛选时间较大多数其它型式短,(与其它型式强制*大数量缺陷失效的时间比较)

    温度循环应遵循以下三个基本原则；
 

    **，温度极限的温差尽可能大，而不管产品预定的使用极限，只要产品不引起不必要的危险。

    **，在温度极限之间的变化速率必须尽可能快，通常大于或等于5℃/min，以产生*佳应力水平，且多次循环而不危害无缺陷产品，图F表示出不同变化速率对筛选强度的影响。

    第三，产品温度必须紧跟箱内的温度，这可以通过提高产品周围的风速来达到。图G显示，在不同风速下产品温度变化的快慢不同，当风速增大，产品的温度变化就加快，较快的湿度变化使产品产生较大的应力，因此就可更快的强制潜在缺陷失效。

    具体地说，确定一个有效的温度循环筛选曲线，应从以下几点着手：

（1）高温和低温极限之间的温差应大于或等于100℃；

（2）产品温度变化速率大于或等于5℃/min；

（3）产品上的风速约3.8m/s;

（4）确保引起产品缺陷失效的足够循环周期。