简单讨论一下环境试验箱应力筛选

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


   在第二次大战期间，受军事的驱驶，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，国外军工部门推荐了环境模拟试验的新装置，军事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的全面研究工作，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唯一办法，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