环境应力筛选试验

环境应力筛选试验

1 环境应力筛选的目的和原理

1.1 环境应力筛选的目的

环境应力筛选的目的在于发现和排除产品的早期失效，使其在出厂时便进入随机失效阶段，以固有的可靠性水平交付用户使用。

1.2 环境应力筛选的原理

环境应力筛选是通过向电子装备施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，以便人们发现并排除。

环境应力筛选是装备研制生产的一种工艺手段，筛选效果取决于施加的环境应力、电应力水平和检测仪表的能力。施加应力的大小决定了能否将潜在的缺陷在预定时间内加速变为故障；检测能力的大小决定了能否将已被应力加速变成故障的潜在缺陷找出来，以便加以排除。因此，环境应力筛选又可看作是产品质量控制检查和测试过程的延伸。

2 缺陷分类

2.1 通用定义

产品丧失规定的功能称失效。对可修复产品通常也称为故障。对设备而言，任一质量特征不符合规定的技术标准即构成缺陷。

绝大多数电子装备的失效都称为故障，以故障原因对其进行分解可以参阅图2.1.1。从图中可知，装备故障分为偶然失效型故障和缺陷型故障两大类。人们认为偶然故障表现为随机失效，是由元器件、零部件固有失效率引起的；而缺陷型故障由原材料缺陷、元器件缺陷、装配工艺缺陷、设计缺陷引起，元器件缺陷本身又由结构、工艺、材料等缺陷造成，设计缺陷则包含电路设计缺陷、结构设计缺陷、工艺设计缺陷等内容。

结构 工艺 材料 电路设计 结构设计 工艺设计

元器件缺陷 设计缺陷

原材料装配工艺

缺陷缺陷

缺陷型故障 偶然失效型故障

电子装备故障

图2.1.1 电子装备故障原因分解示意

2.2 电子设备可视缺陷分类

按照GJB 2082《电子设备可视缺陷和机械缺陷分类》，从影响与后果方面缺陷分为致命缺陷、重缺陷、轻缺陷；从可视的角度来看，产生缺陷的主要工艺类型有：焊接、无焊连接、电线与电缆、多余物、防短路间隙、接点、印制电路板、零件制造安装、元器件、缠绕、标记等，其中多数都可能产生致命缺陷或重缺陷，轻缺陷比较普遍。

致命缺陷是指对设备的使用、维修、运输、保管等人员会造成危害或不安全的缺陷，或可能妨碍某些重要装备（如舰艇、坦克、大型火炮、飞机、导弹等）的战术性能的缺陷。

重缺陷是指有可能造成故障或严重降低设备使用性能，但又不构成致命缺陷的缺陷。

轻缺陷是指不构成重缺陷，但会降低设备使用性能或不符合规定的技术标准，而对设备的使用或操作影响不大的缺陷。

可视缺陷是指通过人的视觉器官可直接观察到的，或采用简单工具对设备质量特征所能判定的缺陷。

承制单位的质量检验人员对大多数可视缺陷都可以发现并交有关部门排除，唯有不可视缺陷需要进行环境应力筛选或其它方法才能被发现，否则影响产品可靠性。

3 筛选应力及其效应表达式

3.1 常规筛选与定量筛选

常规筛选是指不要求筛选结果与产品可靠性目标和成本阈值建立定量关系的筛选。筛选方法

是凭经验确定的，筛选中不估计产品引入的缺陷数量，也不知道所用应力强度和检测效率的定量

值，对筛选效果好坏和费用是否合理不作定量分析，仅以能筛选出早期失效为目标。筛选后的产

品不一定到达其故障率恒定的阶段。

定量筛选是要求筛选的结果与产品的可靠性目标和成本阈值建立定量关系的筛选。定量筛选

有关的主要变量是引入缺陷密度、筛选检出度、析出量或残留缺陷密度。引入缺陷密度取决于制

造过程中从元器件和制造工艺两个方面引进到产品中的潜在缺陷数量；筛选检出度取决于筛选的

应力把引入的潜在缺陷加速发展成为故障的能力和所用的检测仪表把这些故障检出的能力；残留

缺陷密度和缺陷析出量则取决于引入缺陷密度和筛选检出度。定量环境应力筛选关系式如下：

DR=DIN—F

=DIN(1—TS) (2-3-1)

TS=SS×DE (2-3-2)

式中：DR——残留缺陷密度，平均个/产品；

DIN ——装备引入的缺陷密度，平均个/产品；

F——境应力筛选析出的缺陷量，平均个/产品；

TS——筛选检出度；

SS——筛选度；

DE——检测效率。

在进行定量筛选之前，首先要按照可靠性要求确定残留缺陷密度的目标值DRG，然后通过适当

地选择筛选应力种类及其量值的大小、检测方法、筛选所在等级等参数设计筛选大纲。实施此大

纲时，要进行监测和评估，确定DIN、SS、DR的观察值，并与设计估计值比较，以便及时采取措施

保证实现定量筛选目标，并使之最经济有效。定量环境应力筛选的控制过程请参阅图2.3.2。

3.2 恒定高温应力

3.2.1 参数的计算

3.2.1.1 筛选度计算

设恒定高温筛选的应力参数是温度Tu 、筛选时间t、环境温度TE (一般取25℃)，其筛选度SS

的表达式为：

SS＝1－exp[-0.0017(R＋0.6)0.6 t] (2-3-3)

式中：R＝Tu－TE ＝Tu－25 ——温度变化范围，℃；

t——恒定高温的持续时间，h。

按公式(2-3-1)计算的恒定高温筛选度数据见表2-3-1。

缺陷

缺陷

图 2.3.2 定量环境应力筛选变量关系示意

3.2.2 筛选故障率计算

恒定高温筛选时缺陷的故障率表达式如下：

λD ＝[－ln(1－SS)]/t (2-3-4)

式中：λD ——故障率，次／小时；

SS——筛选度;

根据式(2-3-4)计算的恒定高温故障率(λD )见表2-3-1

表2-3-1 恒定高温筛选度(SS)和故障率(λ

)

3.2.3 恒定高温应力激发的故障模式或影响

恒定高温能激发的故障模式(或对产品的影响)主要有：

使未加防护的金属表面氧化，导致接触不良或机械卡死，在螺钉连接操作时用力不当或保护

涂层上有小孔和裂纹都会出现这种未防护的表面。

加速金属之间的扩散，如基体金属与外包金属，钎焊焊料与元件，以及隔离层薄弱的半导体

与喷镀金属之间的扩散；

使液体干涸，如电解电容和电池因高温造成泄漏而干涸；

使热塑料软化，如该热塑料件处于太高的机械力作用下，则产生蠕变；

使某些保护性化合物与灌封蜡软化或蠕变；

提高化学反应速度，加速与内部污染物的反应过程；

使部分绝缘损坏处绝缘击穿。

3.3 温度循环应力

3.3.1 温度循环应力参数

温度循环应力参数有：上限温度、下限温度、循环次数、温度变化速率。

3.3.2 温度循环应力筛选度计算

0.63 SS＝1－exp－0.0017(R＋0.6) [Ln(e＋v)] ．N (2-3-5)

式中：R=Tu－TL ，——温度变化范围，℃；

Tu ——上限温度，℃；

TL ——下限温度，℃；

V ——温度变化速率，℃／min；

N ——循环次数；

e =2.71828，——自然对数的底。

按式(2-3-5)计算的温度循环应力筛选度见表2-3-2。

3.3.3 温度循环应力故障率计算

λD = [－Ln (1-SS)] / N (2-3-6) 式中：λD ——故障率，平均次／循环；

SS ——筛选度；

N ——循环次数。

各参数组对应的故障率见表2-3-3。

3.3.4 温度循环应力激发的故障模式或影响

使涂层、材料或线头上各种微细裂纹扩大；使粘接不好的接头松驰；使螺钉连接或铆接不当的接头松驰；使机械张力不足的压配接头松驰；使质量差的焊点接触电阻加大或开路；粒子污染；密封失效。

表2-3-3 温度循环故障率(λ)

3.4 扫频正弦振动应力

3.4.1 扫频正弦振动应力的筛选度计算

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

式中：G—高于交越频率的加速度量值，g；

t—振动时间，min。

按式(2-3-7)计算的结果见表2-3-4。

3.4.2 扫频正弦振动应力的故障率

λD = [－Ln (1－SS ) ] / t (2-3-8)

式中：λD —故障率，次／h；

SS—筛选度；

t—时间，h。

按式(2-3-8)计算的结果也见表2-3-4。

3.4.3 扫频正弦振动应力激发的故障模式或影响

使结构部件、引线或元器件接头产生疲劳，特别是导线上有微裂纹或类似缺陷的情况下； 使电缆磨损，如在松驰的电缆结处存在尖缘似的缺陷时；

使制造不当的螺钉接头松驰；

使安装加工不当的IC离开插座；

使受到高压力的汇流条与电路板的钎焊接头的薄弱点故障；

使未充分消除应力的可作相对运动的桥形连接的元器件引线造成损坏，例如电路板前板的发光二极管或背板散热板上的功率晶体管；

已受损或安装不当的脆性绝缘材料出现裂纹。

3.5 随机振动应力

3.5.1 随机振动应力的参数

随机振动应力的参数有：

频率范围、加速度功率谱密度(PSD)、振动时间、振动轴向数。

其振动谱可参阅图2.3.3。

3.5.2 随机振动应力筛选度

随机振动应力筛选度的计算式如下：

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

式中：Grms—加速度均方根值，g；

Grms =（A1 ＋A2 ＋A3 ） ； (2-3-10)

A1 、A2 、A3 ——随机振动谱的面积，g2 (见图2.3.3)；

t—动时间，min。 1/2

加速度功率谱

2 g/Hz

2 3

HZ

0 20 80 350 2000

图2.3.3 随机振动谱示意

3.5.4 随机振动应力激发的故障模式或影响

随机振动应力激发的故障模式或影响与正弦扫频振动应力相同，但故障机理更复杂，发展故障的速度要比扫频正弦振动应力快得多，这是由于随机振动能同时激励许多共振点的作用结果。

3.6 筛选效果对比

3.6.1 温度应力对比

a) 对恒定高温应力的分析

恒定高温筛选的筛选度与温度增量、筛选时间密切相关，但其量值很小，由表2-3-1查得当温度增量为最大(80℃)、老炼筛选时间最长(200h)时，筛选度为0.9912。恒定高温的故障率只与温度增量有关，其值也很小，同样从表2-3-1查得温度增量最大(80℃)时故障率为平均0.0237次／h。即为了暴露1个缺陷，用温度增量为80℃的恒定高温进行筛选平均需要42个小时。如果按有些产品以45℃(温度增量为20℃)高温进行老炼筛选的话，其故障率为0.0104次/h，需要平均老炼100小时才能暴露1个缺陷。因此可见，为了达到消除早期失效的目的，用恒定高温的老炼筛选时间要很长，不仅筛选效率低下，而且有可能要影响产品的使用寿命。

故障率低和可能影响产品的使用寿命是恒定高温筛选应力的致命缺点。

b) 对温度循环应力的分析

温度循环应力的筛选度与温度范围、循环次数有关，并且与温度变化速率关系最密切，即温度升降速率越大，其筛选度也越大。由表2-3-2可查得温度范围为180℃、循环次数为4、温度变化速率为20℃/min时，筛选度为0.9907。归一化后其故障率与温度变化范围和温度变化速率成正相关。由表2-3-3可查得,当温度变化范围为80℃、温度变化速率为5℃/min时温度循环应力的故障率平均为0.2020次/循环，一般每个循环时间在3.5～4.0小时之间，因此该应力的故障率相当于平均0.0505次/h～0.0577次/h之间。

因此，故障率高、筛选效率高、不会影响产品使用寿命是温度循环应力的特点。

3.5.3 随机振动应力故障率计算 随机振动应力的故障率计算式如下： λD = [－Ln (1-SS)] / t (2-3-11) 式中：λD —故障率，平均次／h； SS—筛选度； t—时间，h。 按照式(2-3-9)计算的筛选度和按照式(2-3-11)计算的故障率数值见表2-3-5。

c) 温度应力的比较

由上分析可知，温度变化范围为80℃、温度变化速率为5℃/min的温度循环应力的故障率是温度增量为80℃的恒定高温应力的2倍多(0.0505与0.0237之比)。而且在工程上要实现前者比后者容易得多。温度增量为80℃的恒定高温应力要让产品经受105℃（80＋25）高温的相当长时间的工作过程，平均42小时才能暴露1个故障。而温度循环应力，通常采用温度交变试验箱，此类设备对温度范围为80℃（由－35℃变化到＋45℃）、温变速率为5℃/min的性能参数是最低的要求，轻易便可实现，此应力可使产品平均筛选20小时便可以暴露1个故障，比恒定高温应力的筛选效率高很多。

为了进一步提高温度循环应力的筛选效率，可以通过提高温度变化率的应力参数来实现。由表2-3-2可知，当温度范围仍为80℃、温度变化速率由5℃/min提高到20℃/min时，其故障率由平均0.2020次/循环提高到平均0.7212次/循环，后者是前者的3.5倍多，即平均5个小时便可以暴露1个缺陷。

当然，温度交变试验箱要实现20℃/min的温变速率，需要大幅度地增加升降温系统的功率，甚至要在机械致冷的基础上加装液态氮致冷系统及其控制装置。这需要增加投入。为了提高筛选效率、减少筛选对产品寿命的影响，提高温变速率是最好的方法，为此而增加投入也是适宜的。

3.6.2 振动应力对比

一般说来，振动应力是定量环境应力筛选方法才采用的应力，它可以暴露温度循环暴露不了的某些缺陷。据统计，对电子设备而言，温度应力平均可以暴露79％的缺陷，而振动应力平均可以暴露21％的缺陷。因此，振动是不可缺少的筛选应力。扫频正弦振动台和随机振动台都可以作为振动环境应力筛选的设备，但由表2-3-4和表2-3-5的数据可以比较它们的故障率(即筛选效率)。

我们按照GJB 1032《电子产品环境应力筛选》标准要求的典型的随机振动谱(见图2.3.3)算得其加速度均方根值为7.2g，取为7g；设持续时间为5min，查表2-3-5得筛选度为0.478、故障率为

7.692次/小时。同样设扫频正弦振动的加速度为7g、持续时间为5min，查表2-3-4可得筛选度为0.0193、故障率为0.2339次/小时。两种振动应力的故障率相差甚大，随机振动是扫频振动的33倍！几种应力的筛选度和故障率的对比见表2-3-6。

要比扫频振动台昂贵，但是为了提高筛选效率，最大限度地消除早期故障，这个投入还是合算的。

3.6.3 结论

a) 经典的老炼工艺与常规的恒温筛选对暴露产品的缺陷有一定的作用，但其筛选度和故障率数值很小，效率十分低，需要用相当长的时间才能达到消除早期失效(缺陷)的效果，因而可能会影响产品的使用寿命，有必要改用定量环境应力筛选方法。

b) 如果采用常温考机的办法作为产品出厂的依据，在几百小时内暴露不了一个缺陷，也说明不了产品的可靠性有什么样的水平，此法意义不大。

c) 定量环境应力筛选，需要采用温度循环应力，其效率已比恒定高温老炼筛选大为提高；就温度循环筛选而言，提高温变速率又是进一步提高筛选效率、减少筛选对产品使用寿命影响的最佳方法，我们要为此项筛选创造条件。

d) 定量环境应力筛选，需要采用振动应力，其中又可以采用扫频正弦振动或随机振动方式，但从筛选效率对比可知，随机振动方式是最佳的应力。为了提高筛选效率、减少振动应力筛选对产品结构件寿命的影响，应创造条件采用随机振动方式。

4. 环境应力筛选方案设计

4.1 设计原则

环境应力筛选试验方案的设计原则是：使筛选应力能激发出由于潜在设计缺陷、制造缺陷、元器件缺陷引起的故障；所施加的应力不必模拟产品规定的寿命剖面、任务剖面、环境剖面；在试验中，应模拟设计规定的各种工作模式。

根据条件和是否必要来确定常规筛选或是定量筛选；根据不同阶段和产品的特征制订筛选方案。

4.1.1 研制阶段的筛选

研制阶段一般按照经验得到的筛选方法进行常规筛选.，其主要作用是：一方面用于收集产品中可能存在的缺陷类型、数量及筛选方法效果等信息；另一方面，在可靠性增长和工程研制试验前进行了常规试验，可节省试验时间和资金；同时利于设计成熟快捷的研制试验方法。

研制阶段的常规筛选要为生产阶段的定量筛选收集数据，为定量筛选作准备,设计定量筛选的大纲。

4.1.2 生产阶段的筛选

生产阶段的筛选主要是实施研制阶段设计的定量筛选大纲；并通过记录缺陷析出量和设计估计值的比较，提出调整筛选和制造工艺的措施；参考结构和成熟度相似产品的定量筛选经验数据，完善或重新制订定量筛选大纲。这些经验数据主要有：

故障率高的元器件和组件型号；故障率高的产品供货方；元器件接收检验、测试和筛选的数据；以往筛选和测试的记录；可靠性增长试验记录；其它试验记录。

4.2 设计依据

4.2.1 依据产品缺陷确定筛选应力

4.2..1.1 影响产品缺陷数量的因素

如前所述，产品在设计和制造过程引入的缺陷主要是：设计缺陷、工艺缺陷、元器件缺陷。这些缺陷可归纳为两种类型，一是固有缺陷，它是存在于产品内部的缺陷，如材料缺陷、外购元器（部）件缺陷和设计缺陷；二是诱发缺陷，它是人们在生产或修理过程中引入的缺陷，如虚焊、连接不良等。这些缺陷的可视缺陷或用常规检测手段便可发现缺陷，可在生产中被排除；除此之外的缺陷便成为潜在缺陷，构成装备的早期故障根源。装备的早期故障一般要经过100小时以内的工作才能暴露，从而被排除。

影响产品缺陷数量的主要因素有：

产品的复杂程度。产品越复杂，包含的元器件类型和数量越多、接头类型和数量越多，则设计和装焊的难度越大，设计制造中引入缺陷的可能性越大。同时也增加环境防护设计的难度。 元器件质量水平。元器件质量水平是装备缺陷的主要来源，元器件质量水平包括质量等级和缺陷率指标两个方面，后者用PPM表示，一般生产厂要在说明书中表示。这是定量筛选方案设计的重要依据。

组装密度。组装密度高，元器件排列拥挤，装焊操作难度大，易碰伤元器件，工作中散热条件差，易引入工艺缺陷和使缺陷加速扩大。

设计和工艺成熟程度。设计和工艺的成熟程度的提高，可以大大地减少产品的设计缺陷和工艺缺陷的种类及其数量。一般，在研制阶段，在结构设计定型之前，设计缺陷占主导地位；在生产阶段，设计缺陷减少，元器件缺陷和工艺缺陷比例增加，并且随着设计的改进和工艺的不断成熟，元器件缺陷将占主导地位。

制造过程控制。制造过程控制主要是质量控制，包括采用先进的工艺质量控制标准和管理制度，管理控制得越严格，引入缺陷的机会就越少。

4.2.1.2 环境应力对缺陷的影响

现场环境应力是影响缺陷发展成故障的主要因素。任何缺陷发展成为故障都需要受到一定强度应力经过一定时间的作用，产品只有受到能产生等于或大于阈值的环境应力才能使某些缺陷变为故障；在某些温和的环境应力中，许多缺陷不会发展为故障。因此，只有选择能暴露某些缺陷的应力作为筛选的条件，才能达到筛选的目的。常用的应力所能发现的典型缺陷见表2-4-1。据统计，温度应力可筛选出80％的缺陷，振动应力可筛选出20％左右的缺陷。

4.2.2 根据缺陷分布确定筛选等级

4.2.2.1 缺陷分布

缺陷在装备研制生产的不同阶段的类别和分布是变化的，因此在制定筛选大纲时要根据产品缺陷的分布确定筛选等级。在研制阶段，设计缺陷的比例最大；在生产初期，设计缺陷比例下降，工艺缺陷比例增加，占最大比例；在生产成熟阶段，设计和工艺趋于成熟，个人操作熟练，元器件缺陷比例变得最大，此时设计缺陷一般只占5％以下，工艺缺陷在30％以下，而元器件缺陷可占60％以上。表2-4-2是不同装备在单元或模块组装等级进行环境应力筛选暴露的缺陷比例，反映了缺陷的分布情况，可作参考。

4.2.2.2 筛选组装等级的选择

为了保证基本消除装备的早期故障，最好在各个装配等级上都安排环境应力筛选。任何筛选都不可能代替高一装配等级上的筛选。而任何高一级的筛选虽然可以代替低一级的筛选，但筛选效率会降低，筛选成本要提高。一般装备分成设备或系统级（包括电缆和采购的单元）、单元级（包括采购的组件和布线）、组件级（包括印制电路板和布线）、元器件等4个级别。据经验介绍，对元器件的筛选成本需要1～5个货币单位的话，组件级筛选则需要30～50货币单位，单元级需要250～500货币单位，设备或系统级需要500～1000货币单位。

根据多数单位的情况来看，设计筛选取组件级及以下和取单元级及以上的较多。

从综合的角度来看，组件级筛选的优点是：每检出一个缺陷的成本低，尺寸小、不通电可进行成批筛选、效率高；组件的热惯性低，可进行更高温度变化率的筛选，筛选效率提高。其缺点是：由于不通电，难以检测性能，筛选寻找故障的效率低；如果改成通电筛选检测，需要专门设计设备，成本高；不能筛选出该组装等级以上的组装引入的缺陷。

单元级以上的筛选优点是：筛选过程易于安排通电监测，检测效率高；通常不用专门设计检

测设备；单元中各组件的接口部分也得到筛选，能筛选各组件级引入的潜在缺陷。其缺点是：由于热惯性较大，温度变化速率不能大，温度循环时间需要加长；单元级包含了各种元部件，温度变化范围较小，会降低筛选效率；每检出一个缺陷的成本高。

4.2.3 根据检测效率确定定量筛选目标

检测效率是环境应力筛选工作的重要因素。给产品施加应力把潜在缺陷变成明显的故障后，能否准确定位和消除,就要取决于检测手段及其能力。当选择在较高组装等级进行筛选时，有可能利用较现成的测试系统或机内检测系统；在选择高组装级筛选时，能准确地模拟各种功能接口，也便于规定合理的验收准则，容易实现高效率的检测，提高检测效率。表2-4-3列出了不同组装等级情况的检测效率，表2-4-4列出了各种测试系统的检测效率范围，可用于计算析出量的估计值。需要指出的是，综合利用各种检测系统能提高检测效率。

4.2.4 元器件缺陷率的确定

确定环境应力筛选的定量目标必须确定产品的元器件缺陷率。可以按以下方法确定元器件缺陷率。

4.2.4.1 查表法

国产元器件由GJB 299《电子设备可靠性预计手册》规定质量等级，当产品选定某个等级的元器件后，按照使用环境条件，可以从GJB/Z34《电子产品定量环境应力筛选指南》的附录A的相应表中查得不同质量等级、不同使用环境的各种电子元器件的缺陷率数据（以PPM表示）。进口元器件问题较复杂，我们不可能查得每一个国家每一种元器件的缺陷率，只能参考美国MIL－HDBK－217E查出质量等级，然后从GJB/Z34中查出进口元器件的缺陷率。

4.2.4.2 试验验证法

当所用的元器件质量等级无法从手册中查得缺陷率数据时，可根据GJB/Z34《电子产品定量环境应力筛选指南》提供的方法对元器件进行抽样筛选，处理试验数据获得该元器件的缺陷率。

4.2.4.3 推算法

当具备足够的失效率、缺陷率、环境系数、质量系数等数据时，可以按照以下步骤推算同类元器件在同种环境中其它质量等级下的缺陷率。

4.2.4.3.1 根据质量系数推算同类元器件在同种环境中其它质量等级下的缺陷率

a) 基本信息

某类元器件的缺陷率DP ，包括在生产厂发现的缺陷率DPF和在现场使用中发现的缺陷率DPU，即DP=DPF+DPU，用PPM表示。

已知缺陷率和质量等级的元器件的质量系数πQ1和未知质量等级的缺陷率元器件的系数πQ2。 b) 计算公式

失效率与质量系数成正比的元器件，其缺陷率为

DPC=(πQ2/ πQ1 )×DPO =(πQ2/ πQ1 )×(Dpfo+Dpuo) (2-4-1) 式中： DPC——要计算的缺陷率，PPM；

DPO——已知质量等级元器件的总缺陷率，PPM；

πQ1——已知质量等级元器件的质量系数，可从有关标准中查得；

πQ2——要计算其缺陷率的质量等级元器件的质量系数，可从有关标准查得； Dpfo——已知质量等级元器件工厂缺陷率，PPM；

Dpuo——已知质量等级元器件现场使用中发现的缺陷率，PPM。 c) 示例

已知：某进口晶体管的质量等级为JAN级，缺陷率为D P（JAN）=346PPM；求取：质量等级为JANTX进口晶体管的缺陷率。

步骤：从有关标准查得： πQ（JΑΝ）=1.2 πQ（JΑΝTX）=2.4

按式（2-4-1）计算

DP(JANTX)=(πQ(JANTX)/ πQ(JAN) )×DP(JAN) =(0.24/1.2)×346 =69.2 (PPM)

4.2.4.3.2 根据环境系数推算同类元器件同一质量等级在其它环境中的缺陷率 其一：失效率与环境系数成正比的元器件 a) 基本信息

某质量等级的元器件在给定环境中的缺陷率DP，包括在生产中发现的缺陷率DPf和现场使用环境中的缺陷率DPU，在生产中发现的缺陷率实际上就是地面固定环境（GF）的缺陷率。 给定环境的相应环境系数πE1。

求取缺陷率所处环境相应的环境系数πE2。 b) 计算公式

DPC=Dpf+(πE2/ πE1 )×Dpu (2-4-2) 式中：DPC——要计算的缺陷率，PPM；

Dpf——已知的在工厂的缺陷率，PPM； Dpu——已知的在使用现场的缺陷率，PPM；

πE1——已知缺陷率所在环境的环境系数，可从有关标准查得； πE2 ——要计算的缺陷率所在环境的环境系数，可从有关标准查得。 c) 示例

已知：进口的质量等级为JAN的晶体管在地面固定环境（GF）中的缺陷率为346PPM，其中工厂缺陷率为60PPM，使用环境缺陷率为286PPM；

求取：该等级晶体管在地面移动环境(GM)中的缺陷率。 步骤：从有关标准查得两种环境的环境系数： πE1=πE(GF)=5.3 πE2=πE(GM)=18 应用公式(2-4-2)计算:

DPC=Dpf+(πE2/ πE1 )×Dpu =60+(18/5.3)×286 =60+971

=1031 (PPM)

其二：失效率与环境系数不成正比的元器件，以半导体集成电路为主 a) 基本信息：

半导体集成电路的质量等级；半导体集成电路的总量；半导体集成电路工厂缺陷率，PPM；半导体集成电路现场工作小时数；半导体集成电路现场失效率。 b) 确定失效率模型

半导体集成电路失效模型为：

λP=πQ×[C1×πT×πV×πPT＋(C2＋C3)×πE]×πL (2-4-3) 式中：λP——工作失效率； πQ——质量系数； πT——温度应力系数； πV——电应力系数； πE——环境系数；

C1，C2——电路复杂度失效率； C3——封装复杂度失效率； πL——器材成熟系数；

πPT可编程工艺系数，除可编程序的只读存储器外，其余为一。

可根据半导体集成电路的质量系数和有关技术，确定πE、πQ、πT、πV、πPT 和C1，把它们和已知的现场失效率数据一并代入式(2-4-3)，可求得C1×πT×πV×πPT 和C2＋C3的值，并分别令其为K1、K2，式(2-4-3)简化为：

λP=πQ×(K1＋K2×πE)×πL (2-4-4) 式中：K1=C1×πT×πV×πTP K2=C2+C3

c) 导出现场缺陷率计算公式

现场缺陷率等于现场失效率与现场工作时间的乘积除以元器件总数。从基本信息可得到现场工作时间和元器件总数 ，再利用式(2-4-3)求得的失效率数据,就可导出缺陷率计算公式： DPU=λΡ×Τ／Ν (2-4-5) 式中：DPU——现场缺陷率；

λΡ——统计得到的工厂缺陷率； Τ——现场工作总时间； Ν——统计的元器件总数。

令K3=T/N，合并式(2-4-3)、(2-4-4)、(2-4-5)得： DPU=DPf+Dpu

=Dpf+K3×πQ×(K1＋K2×πE)×πL (2-4-6) 式中： DPU——要计算的缺陷率；

Dpf——统计得到的工厂缺陷率； πQ——质量系数； πE——环境系数；

πL ——器材成熟系数；

K1、K2、K3——根据统计数据导出的常数。 d) 示例

已知：进口集成电路的质量等级为C－1，统计的集成电路数量N为624087个，统计的工厂缺陷

6－6

率 Dpf为160PPM，现场总工作时间T为8580×10h，现场失效率为0.025×10/h；求取：该质量等级集成电路的失效率计算公式和缺陷率计算公式。 步骤：根据有关标准确定某些值为：

πQ=13.0 C1=0.0053 πT=0.032 πV=1.0 πPT=1.0 πE=4.0 πL=1.0

代入式(2-4-3)： λP=πQ×[C1×πT×πV×πPT＋(C2＋C3)×πE]×πL 有： 0.025=13.0[(0.0053×0.032×1.0×1.0)+(C2+C3)4.0]1.0

则：C2+C3=K2=0.00044

C1×πT×πV×πTP=K1=0.00017

将上述数据代入式(2-4-4)得到失效率计算公式： λP=πQ×(0.00017+0.00044πE) 现场缺陷率计算公式为： DPU=λΡ×Τ／Ν

6

=λΡ×8580×10/624087

=[πQ×(0.00017+0.00044πE)]×0.0137481

-6

=πQ×(2.3372+6.0492πE)×10

=πQ×(2.3372+6.0492πE) (PPM) 总缺陷率计算公式为： DPU=DPf+Dpu

=160＋πQ×(2.3372+6.0492πE) (PPM)

用此公式可以推算其它质量等级和环境下元器件的缺陷率。

4.2.4.3 根据某元器件的缺陷率和失效率求取另一失效率已知的元器件缺陷率 此方法的前提是：假设失效率类似的元器件,其缺陷率也类似。 a) 基本信息

要计算的元器件的失效率λ1；已知缺陷率为DPO的元器件的失效率λ２； b) 计算公式

DPC=DPO×λ２/ λ1 (2-4-7) 式中：DPC——要求解的缺陷率，PPM； DPO——已知的缺陷率，PPM；

λ1——已知缺陷率的元器件的失效率； λ2——要求解缺陷率的元器件的失效率。

此式求解的缺陷率是指某质量等级的该类元器件在某种环境条件下的缺陷率，如果要求解的元器件是在不同环境条件和不同质量等级的缺陷率，则可用本节相应的其它方法求解。其总关系式为：

DPC=(πQ2/πQ1 )[DPU×(πE2/πE1)+DPf] (2-4-8) 式中：DPC——要计算的缺陷率，PPM；

πQ1——已知缺陷率的元器件的质量系数； πQ2 ——要求取缺陷率的元器件的质量系数； DPU——已知的现场缺陷率，PPM；

πE1——已知缺陷率的元器件的环境系数； πE2——要求取缺陷率的元器件的环境系数； DPf——已知的工厂中缺陷率，PPM。 c) 示例

-6

已知：质量为M等级的进口元器件在地面固定环境中的失效率为0.00207×10；C-1级进口集

-6

成电路在地面固定环境的失效率为0.05123×10，总缺陷率为503.2PPM，工厂缺陷率为160PPM。 求取：质量等级为M的电阻器在地面固定环境中的缺陷率。 步骤：

DPC=DPO×λ２/ λ1

-6-6

=503.2×10-6×(0.00207×10/0.5123×10)

-6

=(160+343.2)×10×(0.00207/0.5123) =6.46+13.87 (PPM) =20.33 (PPM)

求取其它质量等级和环境中的缺陷率公式为：

DPC=(πQ2/πQ1 )[13.87×(πE2/πE1)+6.46] PPM 4.2.5 依据残留缺陷密度的相关性

4.2.5.1 残留缺陷密度与平均故障间隔时间的关系

-6-7

据统计，目前良好的元器件的平均失效率在10/h至10/h之间，现场环境中由潜在缺陷造成

-3

的故障率合理范围是大于10/h。假定装备交付时故障率比规定的故障率λ0大10％是可接受的，且

-3

假定潜在缺陷造成的故障率λD为10/h，根据GJB/Z34提供的故障率与残留缺陷密度的关系式： DR=100λ0 (2-4-9) DR=100/MTBF (2-4-10) 式中： DR——残留在产品中的缺陷密度； λ0——产品规定的故障率，1/h。

根据该标准提供的关系式计算得的缺陷密度与MTBF的关系数据见表2-4-5。

表 2-4-5 残留缺陷密度与MTBF的关系

-3

4.2.5.2 残留缺陷密度与筛选成品率的关系

筛选成品率是指提交验收时产品中可筛选的潜在缺陷数为零的概率。其关系式为：

－DR

Y=e(2-4-11) 式中：Y——筛选成品率； DR——残留缺陷密度。

置信度不同，筛选成品率的下限YL也不同，它是缺陷故障率与无故障试验时间的乘积、缺陷故障率与规定故障率的比值的函数，表2-4-6列出了置信度为90%的筛选成品率下限数据，其它参数的数据可参阅GJB/Z34。

4.3 试验剖面的确定

4.3.1 应力类型

定量环境应力筛选一般选用温度循环和随机振动应力,对电子产品而言,一般都可以满足筛选要求。某些产品有特殊要求的可选用特定的筛选应力。 4.3.2 应力组成

温度循环和随机振动应力各自激发的缺陷类型是不相同的,因此不能互相取代。然而，它们在激发缺陷的能力上却可以互相补充和加强，由振动加速发展的缺陷可能在温度循环中以故障的形式暴露出来；同样，由温度循环加速发展的缺陷也可能在振动中以故障形式暴露出来。因此，环境应力筛选的试验剖面应把温度循环和随机振动组合起来，即随机振动—温度循环—随机振动或温度循环—随机振动—温度循环。可以参阅GJB 1032《电子产品环境应力筛选方法》。 4.3.3 应力量值

筛选应力的量值以不能超过产品的设计极限，能激发潜在缺陷又不损坏产品中完好的部分为原则。

4.3.3.1 温度循环参数的选择

a) 确定温度循环的上下限温度：

采用加电检测性能的筛选方案时，温度循环的上下限温度不高于和低于设计的最高和最低的工作温度。

采用非加电检测性能的筛选方案时，温度循环的上下限温度不高于和低于产品贮存的高温和低温。

采用只在上限（或下限）温度加电和检测性能的筛选方案时，温度循环的上限（或下限）温度不高于（不低于）设计的最高（最低）工作温度，另一侧的温度不低于（或高于）贮存温度。示意图见2-4-1。 温度

1 产品加电筛选时检测性能的温度循环范围 2 产品不加电筛选时的温度循环范围

3 产品加电筛选时检测性能的上限温度循环范围 4 产品加电筛选时检测性能的下限温度循环范围 图2-4-1 温度循环筛选温度范围示意

只对组件进行筛选时，要找出组件中分组件（元器件）各自的最高和最低工作温度、最高和最低贮存温度，温度循环的上下限温度以这些高温中的最低者和低温中的最高者为温度组，参照上述原则进行设计。一般设计的工作温度和贮存温度离设计的极限温度还有一定距离，为了提高筛选效率，有时扩大温度变化幅度，向设计的极限温度靠拢。

示例:某组件由5个分组件组成，其设计的各项温度列于下表，确定其定量环境应力筛选温度。

从表中可得到筛选的工作温度组为60℃和－30℃，贮存的温度组为80℃和－40℃。

b) 确定温度变化速率：

温度变化速率对筛选效果影响极大，应尽可能加快温度变化速率。标准规定设备或部件筛选的温度变化速率不小于5℃/min。由于受筛选产品本身的热惯性，产品的实际温度变化速率远低于试验箱内的空气温变平均速率，因此要根据试验箱的能力尽量提高温度变化速率。 在条件不具备，进行非定量环境应力筛选时，可采用两箱法进行温度冲击筛选。

在定量环境应力筛选过程中，可按定量要求和观察到的故障数调节已选定的温度变化速率，以保证实现定量目标。

c) 确定上、下限温度的持续时间：

温度循环中上、下限温度的持续时间取决于产品在此温度下达到稳定的时间和检测性能所需的时间，可通过对产品的热测定和对试验箱温度稳定时间的测定后确定。 d) 确定温度循环次数：

温度循环次数实际就是筛选的持续时间。根据电子设备早期故障一般在交付的前50～100小时暴露，它与产品的复杂程度有关。一般，初始筛选和单元级的筛选采用10～20个循环，组件级筛选采用20～40个循环。 4.3.3.2 振动应力的选择 a) 确定振动量值

筛选的振动量值一般应低于产品环境鉴定试验的合格值，以不损坏产品为准。常规筛选的随

2

机振动量值一般可用0.04g/Hz，把握不大的产品可根据通过测定摸清产品对振动的响应特性，由低到高适当调整，最后确定振动量值。 b) 确定随机振动频谱

随机振动频谱应采用GJB 1032或GJB/Z34标准规定的频谱，频率范围为20～2000HZ，对少数情况可缩小到100～1000HZ。

应对受筛选产品进行振动测定，确定产品共振频率、优势频率，对产品响应大的频率段、要减少输入，反之加大输入，以保证不损坏产品和实施规定量值的筛选。 c) 确定轴向和时间

随机振动一般要在三个轴向上进行，每个轴向振动5～10min，最少不少于5min。如果产品中多数印制板呈同一个方向排列，则可仅在垂直于印制板方向进行10 min的随机振动。正弦振动也应在三个轴向上进行，一般进行30min，不超过60min。

随机振动的最大效果发生在15～20min内，延长振动时间不仅无益于筛选，反而会引起疲劳损

2

伤,一般用0.04g/Hz振动20min。我们可按此数据进行等效振动时间的计算：

3

T=20(W0/W1) (2-4-12) 式中：T——等效时间，min；

2

W0——0.04 g/Hz；

2

W1——所用振动量值，g/Hz。

表2-4-7列出按式(2-4-12)计算的数据。

表2-4-7 功率谱密度、加速度均方根值和等效时间对照

4.3.3.3 加电和性能检测时间的选择 a) 一般原则

为保证筛选效果，筛选中应尽量进行加电和性能检测，以便发现间歇故障和电应力缺陷。从可能和经济性出发，一般在高装配等级筛选时进行间歇加电和性能检测，低装配等级可能不具备性能检测的条件，需专门设计制造一套检测仪表费用太大，筛选时只好不进行加电和性能检测。 b) 温度循环的加电和性能检测

为了不影响降温速率，在降温过程不加电，为了发现间歇性故障也可加电；尽量在其它温度段加电，期间如果不能做到连续进行性能检测，也应尽量频繁的进行，以便及时发现故障和节省筛选时间。

c) 随机振动的加电和性能检测

在振动过程中，应加电和进行性能检测，以保证及时发现故障、不漏检间歇故障；如果出现故障后不影响加电和检测，则在振动结束后再修理。

4.4 无故障验证试验

4.4.1 无故障验证试验的作用

无故障筛选是环境应力筛选的一个重要步骤，是在完成暴露缺陷的筛选试验之后安排一段试验，要求不再发生因缺陷引起的故障，以便证明筛选目的已经达到，暴露的故障已经排除，证明能在规定的置信度下满足定量筛选的目标。因此又称无故障筛选为无故障验收筛选试验。当试验中发生缺陷型故障时，应重新试验，以保证在规定的时间内不发生缺陷性故障。其作用是：作为筛选圆满程度的度量，作为修复是否完成的度量。 4.4.2 无故障筛选应力的确定

无故障筛选所用应力一般与环境应力筛选应力相同，有条件的也可模拟工作环境应力。 4.4.3 无故障筛选时间的确定

无故障验收的筛选试验时间T的确定方法如下： a) 搜集信息

受筛选产品预计的（规定值）失效率λ０； 在选定的筛选应力作用下的缺陷故障率λD；

受筛选产品的缺陷平均故障率与规定的故障率之比：λD／λ0； 在给定的置信度下筛选成品率下限值YL。 b) 步骤

无故障筛选时间T的确定过程参阅图2-4-2。 具体如下：

根据产品规定的可靠性值MTBF确定定量筛选目标DRG：DRG=100λ０，λ０=1/MTBF； 计算系统级的缺陷目标DIN；

选定无故障验收的筛选应力，一般与缺陷筛选应力相同； 确定所需的筛选检出度TS=1－DRG/DIN； 确定所用的检测设备及其检测效率DE； 计算所需的筛选度SS=TS/DE；

从有关标准查得所用筛选应力参数和筛选度对应的λD； 将λD除以λ0值；

－D

根据公式YL=eRG求取筛选成品率YL；

确定筛选成品率的置信度，据此和 λD/λ0 值,从有关标准查出λDT值；

图2.4.2 无故障验收筛选时间T确定过程

5 方案的实施与应用实例

环境应力筛选是装备研制生产的工艺过程，装备承制方要编制大纲，在不同阶段按照大纲实施。为了收到预期效果，必须认真做好各项工作。

5.1 样品的准备

无论是在那一个组装等级上进行环境应力筛选，一般都要全数进行。因此，筛选前的样品准备就是全部产品的技术状态准备。其主要工作就是在该组装等级完成装配之后，根据产品的不同情况进行性能检测、性能调试和电缆连接、机械结构的连接和紧固。

5.2 实验室的准备

实验室是进行环境应力筛选的场所，需要提供满足大纲要求符合精度的应力条件和检测设备、标准大气环境条件、仲裁大气环境条件等。 5.2.1 实验室大气环境条件

实验室需要提供标准大气环境条件和仲裁大气环境条件， 标准大气环境条件，主要用于产品筛选前后的性能检测，其温度为15～35℃，相对湿度即为实验室湿度，大气压力即为实验室气压，不加控制。仲裁大气环境条件，用于必要的产品性能检测，以解决有争议内容的仲裁，其温度为23±2℃，相对湿度为50±5％RH，大气压力为86～106kPa，都需要进行控制。 5.2.2 环境应力条件的容差

提供环境应力的设备必须按规定进行定期计量，保证筛选应力的精度。 a) 温度容差

除必要的支持点外，受筛产品应完全被试验箱内空气所包围，受筛产品周围的温度梯度应小于1℃/m，箱内温度不得超过试验温度±2℃的范围。 b) 随机振动容差

随机振动应力条件的容差，GJB 1032作了规定，参阅表2-5-1。容差的dB数按公式(2-5-1)计算。

dB=10lg(W/W0) (2-5-1)

2

式中：W—实测的加速度功率谱密度，g/Hz；

2

W0—规定的加速度功率谱密度，g/Hz。

均方根加速度容差不大于1.5dB，其容差的分贝数（dB）由公式(2-5-2)计算。 dB=20lg(GRMS/GRMS0) (2-5-2) 式中：GRMS—实测的均方根加速度，g； GRMS0—规定的均方根加速度，g。

c) 试验时间容差

标准规定，试验时间的容差为±１％。 5.2.3 试验设备的准备

a) 筛选试验所用的温度循环试验箱应按以下要求进行准备：

产品除必要的安装支点外，都能全部暴露在传热的空气介质之中； 满足高低温范围要求，温度变化速率平均不低于5℃/min； 试验箱内没有直接到达产品的辐射热；

控制箱温的温度传感器应只采集箱内循环气流的温度，而不受产品和箱的辐射热的影响； 箱内气流应使样品周围的温度场分布均匀，并能在样品和箱壁之间自由循环； 能控制箱内气流的温度和湿度，保证在试验期间样品上不出现凝露。 b) 随机振动试验设备及其夹具的准备

随机振动设备必须满足标准规定的应力要求；

夹具在规定的功率谱密度上限频率2000Hz以内不应有共振频率存在，即在20～2000Hz范围内沿振轴方向的传递函数必须保持平坦；，不平坦容差不得超过±3dB，如有困难，在500～2000Hz频率范围内允许放宽到±6dB，但累计带宽在300Hz以内。 c) 通用仪表的准备

通用仪表应有计量合格的证明，测试准确度不应低于测试参数容差的1/3。 d) 筛选记录的准备

为了保证在筛选期间能有效地采集数据、分析故障、记录纠正措施，必须准备相应的记录表，同时参加人员必须熟悉产品性能、接口、检测仪表、试验装置、筛选程序、操作规定等内容。

5.3 环境应力筛选管理

5.3.1 环境应力筛选的计划管理

装备承制方要在产品研制的方案阶段就根据产品可靠性要求和试验条件制定环境应力筛选大纲和计划，并与产品研制计划相协调，纳入研制生产计划网络之中，随着产品研制生产的进度适时安排各项筛选工作。环境应力筛选需要耗费资源，要占用一定时间，要使用技术力量，因此要在研制生产周期和费用的预算方面，在人员安排方面综合考虑这些因素。这样才能使环境应力筛选工作得以落实。

5.3.2 环境应力筛选条件的剪裁

环境应力筛选条件一般按照GJB 1032标准和产品环境应力筛选大纲的规定设计。在筛选过程中，还要根据产品的工艺成熟程度及使用信息对筛选条件进行调整，甚至采用简化或抽样的筛选方案。

a) 简化原则

当产品制造工艺成熟，其MTBF数值很大，接收概率接近100％，且得到定购方的认可，环境应力筛选条件才可以在标准规定的基础上进行简化。 b) 简化方案的选择

其一，抽样筛选方案：抽样按GJB 8052标准规定进行，要求在整个筛选过程中不发生失效，才能判定该批产品通过环境应力筛选，简化有效，否则不能采用简化方案。因此选择抽样筛选方案风险较大。

其二，简化筛选程序方案：筛选的无故障检验阶段的程序时间，可从缺陷剔除试验阶段就开始计算，在标准规定的最大120小时范围内，有连续40小时以上的时间无故障。如果程序的前40小时不出现故障，则可以免去其后的程序时间。 5.3.3 环境应力的筛选程序

无论是一般环境应力筛选还是定量环境应力筛选，其程序由初始性能检测、缺陷剔除试验、

图2-5-1 环境应力筛选程序示意

初始性能检测在标准大气（即实验室大气温度环境）条件下进行，按照有关标准或技术文件进行外观、机械和电气性能检测并记录。凡检测不合格的不能进行环境应力筛选。 环境应力筛选包括缺陷剔除试验和无故障检验试验两个阶段：

缺陷剔除试验，对样品施加规定的随机振动和温度循环应力，先进行随机振动，后进行温度循环。对试验发现的所有故障都要详细记录，在随机试验中发现的故障要待振动结束后排除，在温度循环中发现故障时应即时中断试验，排除后继续试验，并从发现故障的循环起点继续计算试验时间（即扣除发现故障该循环的试验时间）。

无故障检验试验的目的是验证筛选的有效性，先进行温度循环，后进行随机振动。应力量级可与缺陷剔除试验相同，温度循环时间增加到最大80小时，随机振动时间加长到15分钟。无故障检验试验始终要对样品进行功能监测，在温度循环中，应有连续40小时无故障；在随机振动中，应有连续5分钟无故障，验证试验才算通过。如在温度循环的前40小时发现故障，允许排除后继续验证试验；在随机振动的前10分钟出现故障，也允许在排除故障后继续验证试验。试验情况同样要作详细记录。

最后性能检测是将通过无故障验证试验的样品在标准大气环境条件下，按其技术条件逐项检测并记录，将结果与初始检测的结果进行比较，根据规定的验收极限值对产品作出评价。

整个环境应力筛选过程结束后，要编制环境应力筛选报告，作为装备可靠性信息资料保存，纳入可靠性信息管理。

5.4 试验记录与故障信息的综合应用

5.4.1 试验记录的管理

环境应力筛选是装备研制生产工艺的重要环节，对试验过程获得的所有记录、数据、分析报告既要按照承制方的工艺文件管理的规定实施，又要纳入FRACAS管理，防止信息流失。 5.4.2 故障信息的综合应用

环境应力筛选获得的故障信息是宝贵的资源，综合应用故障信息可以获得良好的效益。其作用如下：a) 用于直接排除产品的缺陷，这是环境应力筛选的首要目标；

b) 用于检查和排除同型号同批次尚未进行环境应力筛选产品的缺陷，有可能实现简化筛

选，从而节省资源和时间。

c) 用于修改设计，有可能到达可靠性增长的效果。环境应力筛选暴露的故障，除了来自工艺缺陷、元器件缺陷之外，还可能有来自设计的缺陷，前者按照环境应力筛选的程序加以排除，后者必须对其进行分析、判断，确认属于设计缺陷导致的故障后，反馈给设计部门，可以通过修改设计的方法消除，从而到达可靠性增长的效果。

d) 用于承制单位技术信息数据库保存，为以后产品的性能设计、工艺设计、可靠性设计积累经验，提供依据，提高整体水平。

5.5 应用实例

5.5.1 基本情况

在原国防科工委科技部4局和7局、电科院预研局7处的支持下，在某厂的配合下，电子工业部五所工程中心于1991～1992年对某厂生产的6部某型号短波自适应电台进行环境应力筛选，共暴露了23个故障，连同无故障验收试验共进行了123小时的试验，获得圆满结果，使电台可靠性水平得到提高，收到了生产厂家预料之外的效果。

5.5.2 环境应力筛选方案

由于某厂引进国产化生产该型号电台，技术性能和可靠性指标都照抄原机的，国产化后许多内容尚未定量化，因此没有条件进行定量环境应力筛选，而采用环境应力筛选方案。

5.5.2.1 筛选应力的确定

按照环境应力筛选标准GJB 1032，采用高低温循环和随机振动两种应力组合。

a) 温度循环应力

根据电台设计的工作环境条件温度范围＋60℃、-40℃和五所试验设备的能力确定：

产品通电工作筛选温度范围为＋60℃、－40℃，温度变化率为＋7℃/min、－11℃/min；根据性能检测要求，确定高、低温停留时间各为1.5小时，一个温度循环时间为3.5小时；暴露缺陷的循环次数为10，无故障验收试验循环次数为20。

b) 随机振动应力

按照GJB 1032标准的规定和五所随机振动设备的能力确定：频率范围为20～2000Hz，功率谱

2密度为：0.04g /Hz（在80～350Hz之间），20～80Hz和350～2000Hz功率谱密度变化率为±3dB/倍

频程(见图2.5.2）。

5.5.2.2 应力施加步骤

根据GJB 1032标准的规定，应力施加的顺序是：随机振动15分钟→温度循环10个周期（暴露缺陷过程）→温度循环20个周期（无故障验证试验）→随机振动(5～15分钟)。

+60℃1.5h +60℃1.5h ℃ +7℃－11

－40℃ a) 温度循环剖面示意

功率谱密度

频率

20Hz 80Hz 350Hz 2000Hz

b) 随机振动谱示意

图2.5.2 筛选应力示意

5.5.3.1 故障记录

6部电台按照环境应力筛选方案和标准规定的程序实施性能检测和环境应力筛选，在剔除缺陷阶段共暴露了23个故障列于表2-5-2。在无故障验收试验阶段未发现故障，6部电台的筛选工作顺利完成。此次筛选还进行了可靠性保证试验的研究，其它情况将在本教材的其它章叙述。5.5.3.2 故障分析

对23个故障进行分析，可以得到以下认识：

a) 随机振动应力筛选效率高，暴露产品的结构和装配工艺缺陷效果很好

该电台的环境应力筛选共暴露了23个故障，其中有19个是在随机振动应力筛选下暴露的，占82％；只有4个故障是温度循环应力筛选暴露的，仅占18％。在随机振动应力暴露的19个故障中，有16个属于工艺缺陷，可见该应力对此类缺陷的暴露效果极佳。

b) 温度循环应力筛选对暴露半导体器件的缺陷效果良好

温度循环应力筛选虽然只暴露了4个故障，但都属于半导体器件的（IC）故障，其中有2个是整机设计的缺陷、有1个是装配工艺的缺陷、有1个是器件失效（器件本身是否有缺陷未作进一步分析），可见温度循环应力对此类器件缺陷的筛选作用是十分显著的。

c) 环境应力筛选能够暴露设计缺陷，可为产品的可靠性增长提供依据

本筛选试验暴露的23个故障中有9个属于设计缺陷，需要采取纠正设计措施才能消除这类故障模式，并可使电台可靠性水平获得增长。这里介绍4个典型例子，供有关人员参考。

其一，晶体滤波器内部晶体片的固定工艺设计缺陷：

筛选中共发生4起晶体滤波器故障，经过解剖检查发现其内部晶体片的固定工艺设计有缺陷，只在晶体的一端靠电路引线固定，而另一端悬空，受到振动应力的激励后脱落。后来改进结构设计，在晶体片的另一端增加固定措施，此后再未发现这种故障模式。

其二，可充电电池的安装设计缺陷：

筛选中发生了可充电电池受震脱落的故障，经分析该电池重量超过14克，工艺设计没有按规范采取捆绑固定措施，而是依靠电池两端的自焊引线与印制电路板连接（波峰焊接），结果经不起随机振动应力的激励。后来采取加捆绑设计而解决。

其三，IC热设计缺陷

筛选中发生2次IC烧坏的故障，经查该器件消耗的功率较大，设计上又没有加装散热片，在温度循环高温停留段发生过热而损坏，这是热设计的缺陷。后来设计增加不大的散热片，该故障模式消除。

其四，印制电路板某电容器的安装孔距离设计缺陷

筛选中发生过某单元的C39 电容器脱落故障2次，经查是印制电路板的安装孔距离与电容器不匹

配，安装时电容器的引线必须歪斜才能插入，导致波烽焊接后两极的长度不一，固定不牢，在随机振动应力的激励下便发生脱落。这是印制电路板结构设计的缺陷，改进后可以消除这个故障模式。

由此可见，环境应力筛选不仅可以暴露元器件和工艺的缺陷，消除产品的早期失效，还可以暴露某些设计缺陷，起到可靠性增长试验的作用，经过分析采取有效的纠正措施后，同样可以使产品实现可靠性增长，从而使产品可靠性水平比设计值大大地提高。

5.6 注意事项

环境应力筛选是整机研制与生产的工艺过程，每一个产品都必须进行，为了节省资源和时间，要尽量选取效率高的应力条件和费用低的装配等级。随机振动设备和温度循环设备是必备的，承制单位要尽早配备，在配备之前可到附近具备这些条件的单位去实施，此时精选筛选装配等级显得更加重要。

环境应力筛选方案设计是一项综合工作，要掌握产品的设计、工艺、元器件的历史和现况信息，收集必要的数据；选取环境应力筛选或是定量环境应力筛选、选取何种筛选装配等级时，都要承担一些风险。因此，必须应用系统工程方法，围绕产品可靠性要求进行综合权衡。

环境应力筛选与可靠性增长试验同属于可靠性工程试验，它们有相同的总目标，也有各自的特点，可以相互补充却不能相互取代，可以应用环境应力筛选做一些可靠性增长的事情，以充分应用环境应力筛选的结果，提高试验效率。