浅析无线电高度表按照GJB 1032选取环境应力筛选方案

李 妍

（北京蓝天航空科技有限责任公司， 北京 100085）

随着现代科学技术的快速发展，现代化战争武器装备的使用要求也在逐步提高。对军事装备的可靠性的要求也更加严格、精准。

环境应力筛选是可靠性工程工作的一个重要环节。产品质量的好坏与其是密不可分的。有些人认为做环境应力筛选是浪费人力物力。的确，做环境应力筛选需要投入一定的人力、物力、财力，但我们应该这样算一笔账，虽然前期投入了不少，但产品质量能够保证，这比什么都要重要。否则不但会增加产品因质量问题来回更换所造成的损失，外场的维护费用也是一笔不小的开支，无形中增加了产品的质量成本。而且最关键的是产品质量不过关，还会有谁敢使用你的产品。

虽然有些产品也号称做过了环境应力筛选，但如果方案中所规定的产品所受应力时间和循环次数均达不到GJB 1032–1990《电子产品环境应力筛选方法》的要求，那还是不能算是真正进行了环境应力筛选。这也是许多产品可靠性指标不高和使用中故障率较高的原因之一。

那么我们应该怎样才能制定出符合GJB 1032的环境应力筛选方案，使产品能达到要求，从而使其可靠性能有质的提高？

现在我们就以无线电高度表为例，简要说明它的环境应力筛选方案。

1 无线电高度表环境应力筛选方案

无线电高度表是一种应用连续波雷达原理测量飞行体离地面真实高度的测高设备，它以大地或海面作为反射面，测量无线电波从飞机到地面再反射到飞机所需的往返时间，从而来计算出飞行器离地的高度。

因此，无线电高度表能在各种环境条件下精确测量高度。民用客机、军用飞机、直升机、以及导弹等飞行器上都需要利用无线电高度表来提供高度信息。

由于无线电高度表应用的广泛性和重要性，它质量的稳定性、可靠性的好坏直接影响了飞机性能，甚至关系到飞行员的生命安全，所以，无线电高度表的环境应力筛选也就尤为重要。

环境应力筛选主要分为温度循环和随机振动两种。

1.1.温度循环法

温度循环是环境应力筛选中最有效的筛选应力之一。

温度循环的机理主要是热应力和热疲劳。

电子产品是由各类元器件组成，而元器件由不同材料组成，这些材料的热膨胀系数不同，温度变化时，不同材料交界间就会产生压缩或拉伸应力，即热应力。当热应力达到一定程度后会对器件产生破坏作用，造成破坏性失效。

此外，某些器件在工作时所产生的热循环在具有不同热膨胀系数的材料之间会产生周期性的切向应力，这种应力的反复作用导致界面处材料的疲劳和界面结合的损伤，使器件特性裂化，这就是热疲劳失效。

其试验主要选择的参数是试验温度范围、温度变化速率、高低温保持时间、循环次数及通断电要求等。这几个参数的组合是否适当，直接影响到筛选效果，因此针对不同产品的具体情况，如何选择每种参数，再进行组合是一项十分关键的工作。

1.1.1.温度范围

温度范围它由高、低温极值决定，选择温度极值的关键是给产品施加适当应力以析出缺陷而不损坏好的产品。

不同的电子产品根据不同使用要求和环境要求，其所用的元器件类型和等级不同，采用的安装工艺也不同，所以要暴露其潜在缺陷所需的极值温度也不同，应针对产品的特点选择合理的高低温试验范围。

按照GJB 1032 “温度循环试验条件”的规定，高低温极限值一般取产品的工作极限温度，也可取非工作温度。

通常情况下，是根据电子元器件的工作温度来确定筛选所用的温度范围的：选取所有元器件高温工作极限中的最低温度作为温度筛选的上限温度；所有元器件低温工作极限中的最高温度作为温度筛选的下限温度。

在实践中，使用的温度范围基本上在90℃～180℃之间，选取的最小温度变化范围是：组件125℃（通常低温-55℃，高温75℃），单元110℃（通常低温-40℃，高温70℃），系统100 ℃（通常低温-45℃，高温60 ℃）。在上述确定方法的基础上，根据产品的设计能力，选取的温度变化范围尽可能大，以提高筛选效率。

这里它的高低温极限值为：高温：60℃ 低温：-45℃。

1.1.2.温度变化速率

温度变化速率通常指的是筛选箱内空气温度变化的平均速率。

升、降温速率的快慢直接影响到热应力的强度。如果升、降温速率变化过慢，热应力作用慢，一些潜在缺陷不足以发展成故障，所以达不到剔除潜在缺陷之目的；但是升、降温速率过快，热应力强度是增大了，但这势必会由于热力学应力作用过大而损伤质量好的器件。

温度变化速率的选择取决于受筛产品的特性，同时还应考虑筛选设备能力。为寻找最佳的温度变化速率，要求对受筛产品进行温度调查，尤其对产品的关键部位，依据产生在产品上的温度响应结果并结合筛选设备能力进行确定。

按照GJB 1032 “温度循环试验条件”的规定，我们这里采用的温度变化率的平均值为5℃/min。

1.1.3.高低温保持时间

按照GJB 1032 “温度循环试验条件”的规定，按照GJB 1032附录B的方法试验确定。一次循环的时间为3 h20 min或4 h。

高、低温保持时间由两部分组成：元器件温度达到稳定所需的时间和在温度极值下硬件浸泡的时间。

对于前者，通常有两种稳定准则：一种是当产品内响应最慢的元件的温度与极值温度之差在极值温度的15% 以内时，就认为达到了温度稳定。

另一种是在受筛产品的典型部位安装温度传感器进行温度调查，当温度传感器指示值在极值温度的 土2℃时，才认为达到温度稳定。

为了缩短温度稳定时间，可采用风速大的筛选箱来筛选，在不影响产品结构强度和各级组件固定连接方式的情况下，尽可能去除机柜盖子，加快产品部件周围的空气对流速度。

对于后者，即浸泡时间，其目的有2个：保证钎料发生蠕变，这段时间一般为5 min；完成功能测试，时间常常大于5 min。因此，对于不需要监测的产品，浸泡时间为5 min，对于需要监测的产品，浸泡时间则延长至完成功能测试所需要的时间（≥5 min）。

1.1.4.循环次数

温度循环次数的选取与受筛产品的结构复杂程度、设计和工艺成熟度密切相关。结构简单的产品，温度循环次数可适当少些；产品结构越复杂，所需的温度循环次数也就越多。用于筛选的产品，一方面希望产品内部潜在缺陷尽可能析出，另一方面又不至于过分消耗产品的有效寿命。对印制板组件来说，一般选择为20～40个温度循环，而对单元和系统来说，常选择为12～20个温度循环。

按照GJB 1032 “温度循环试验条件”的规定，在缺陷剔除试验中，温度循环为10次或12次，相应试验时间为40h。在无故障检验中则为10～20次或12～24次，时间为40 h～80 h。

1.1.5.通/断电

按照GJB 1032 “温度循环试验条件”的规定，对无冷却系统的试验产品，在升温和高温保持阶段通电，而在降温及低温保持阶段断电。

由于无线电高度表是无冷却系统的产品，故应按以上要求进行试验。

在通电过程中对产品进行性能检测，及在高温保持阶段的后10 min进行产品测试。如图1所示。

1.2.随机振动法

图1 温度循环图

随机振动是在宽频率范围上对产品施加振动，产品上所有谐振频率在整个振动时间内同时受到激励，因而能快速析出潜在的缺陷。

振动筛选的关键核心是谱形和总量值。如图2所示。

图2 随机振动图

1.2.1.振动谱型和量值

一个充分筛选的振动频谱应当是宽带的，频率范围常为20 Hz～2 000 Hz，必要时可依据产品情况，将频率范围缩小到100 Hz～1 000 Hz，以保证受筛产品所有谐振频率在整个振动时间内同时受到激励。

由于产品中缺陷的析出取决于缺陷处的振动响应，而不是取决于振动输入，因此为了能将产品中的缺陷很好地析出，而又不使敏感的和关键的元器件以及好的元器件损坏，必须先对产品尤其对振动响应不清楚的产品进行振动调查，摸清产品对振动输入的响应特性，包括共振频率、优势频率和各组件对振动输入的响应情况，再根据产品的振动响应特性来确定振动量值，以保证振动输入的量值大小既能激发缺陷又不损坏产品，从而达到理想的筛选效果。

根据经验，元件级、组件级筛选量值通常取（0.04～0.045 g2/Hz，而整机产品或含有不耐振部件的产品筛选量值一般低于0.04 g2/Hz（通常取0.02～0.04 g2/Hz)，但具体量值需经过振动调查来确定。

按照GJB 1032“随机振动实验条件”的规定，筛选振动量值一般为0.04 g2/Hz，加速度均方根值（Grms）为6.06 g。

1.2.2.振动轴向和振动时间

随机振动原则上应在3个轴向进行。但由于产品的结构特点及复杂程度、内部部件布局以及产品对不同轴向振动的响应程度不同，振动轴向可以是1个轴向也可以是2个或3个轴向。

按照GJB 1032 “随机振动试验条件”的规定，一般情况下只选取单一轴向振动即可有效地完成筛选，但这一轴向应是最敏感的轴向，析出的缺陷应远大于其它2个轴向，具体振动轴向需要通过对3个互相垂直轴向进行振动调查，确定产品关键部位的响应，找出最敏感的轴向，必要时，可以增加振动轴向以使筛选更充分。我们这里选取Y轴方向振动。

按照GJB 1032–1990中 “随机振动试验条件”的规定，在缺陷剔除试验阶段为5 min、在无故障检验阶段为（5～15）min。

2 间歇故障及处理方法

之所以要做环境应力筛选，就是为了发现问题，解决问题。通过筛选，以激发出尽可能多的故障。所有故障都应记录下来并加以修复。

2.1 温度循环中的间歇故障

当在温度循环中发现间歇故障而又无法定位时，应通过复现故障应力环境的方法查找故障源：

将有故障的产品（或其组件）安装在试验箱中，连接好电源及其检测线路。

将试验箱的温度调到出现故障的温度，让产品以最大或最小负荷周期工作使故障重现，并找出故障源；

如果温度循环中出现故障，但不知道出现故障的具体时间和温度应力环境，可以按正常温度循环的应力施加一个完整的循环，直到出现故障并找出故障源为止。

2.2 振动循环中的间歇故障

若在振动中发现故障、停止振动后又无法定位时，应通过复现振动应力的方法使故障再现，从而找出故障源。

将产品安装在振动台上，连接好功能检测设备和仪表。

由低到高选定振动量值（如表1），以复现故障，如果选定的量值不能复现故障，则适当增加量值，直到复现故障为止，并找出故障源，同时记录每个量值振动所用时间。

计算使用每一量值振动的时间相当于0.04 g2/Hz的等效时间并相加，但其总时间不能超过15 min。

如果低量值无法发现故障，则应把量值增加到0.04 g2/Hz调查，若故障仍不复现，则应检查检测设备及其线路，以确定是否存在非关联故障。

3 试验报告

试验报告是记录整个试验的过程，可以对试验进程进行控制和管理。因此试验报告表格的编写也尤为关键。这里建议至少编写以下4个表格：无线电高度表温度筛选记录表、无线电高度表振动试验记录表、温度筛选故障情况记录表、振动筛选故障情况记录表。

表1 加速度均方根值、功率谱密度及等效时间对照表

4 结束语

综上所述，环境应力筛选是产品质量的可靠性保证，我们应该科学、合理地确定筛选方案。根据环境应力筛选机理、产品的可靠性和GJB 1032的要求，选取温度循环一随机振动作为应力组合，可以有效的剔除早期失效。环境应力筛选将会成为我们将来产品质量、可靠性强而有力的后盾支持。