基于应力调查分析的环境应力筛选优化方法

文 | 中国船舶重工集团公司第七一六研究所 孙玉玉 陆彬彬 王大兵

基于应力调查分析的环境应力筛选优化方法

文 | 中国船舶重工集团公司第七一六研究所 孙玉玉 陆彬彬 王大兵

文章针对GJB1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》提供的环境应力筛选方法在实际应用中的筛选能力不足的问题，介绍了一种基于应力调查分析的优化方法，通过在加固计算机生产中的实际应用，证明此方法对提高产品缺陷筛选剔除率具有非常明显的作用。

环境应力筛选；优化；加固计算机

自上世纪80年代初，环境应力筛选技术在我国得到应用，取得了较好的效果，特别是国军标GJB1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》[1]的颁布以及国内对环境应力筛选认识的提高，ESS在我国军工产品的研制生产中应用日趋广泛，对于提高我国军工产品的质量与可靠性起到了十分重要的作用。

1.述

目前环境应力筛选技术主要有三种，常规环境应力筛选技术、定量环境应力筛选技术及高加速环境应力筛选[2]。由于定量环境应力筛选及高加速环境应力筛选在我国目前均没有大规模开展，因此本文所提到的环境应力筛选技术是指GJB1032提供的常规环境应力筛选技术。

1.1.术背景

基于GJB1032-1990的常规环境应力筛选是一得以广泛应用的成熟技术，已有一套成熟的标准支持。根据相关要求，我单位的所有产品均要进行全数的模块级、单元级和分机级的环境应力筛选。筛选条件按照GJB1032-90《电子产品环境应力筛选方法》的要求在生产阶段对于全数试验按照简化方案至少进行40小时的筛选，这40小时必须是产品连续无故障工作时间。目前我单位产品的单元级、分机级环境应力参数见表1所示。

但是，由于所有产品单元级、分机级筛选采用相同的激发条件和方法，没有具体考虑产品不同的类型、结构及自身的特点，采取有针对性的激发条件和方法，造成产品在经过三级筛选后，依旧存在着效果不佳的情况。虽然筛选过程中能激发出部分制造、工艺等方面的缺陷，但总体来说，产品在现用筛选方法中缺陷排除率相对较低，在使用过程中依然不时地出现早期失效。这种情况的出现，一方面增加了产品的保障费用和生产成本，另一方面，不能保证提交用户产品的可靠性，降低了产品的竞争力。

为了提高我单位产品单元级、分机级筛选缺陷剔除率，增强产品竞争力，开展了针对某型加固计算机的基于应力调查分析的筛选优化。

2.于应力调查的常规环境应力筛选优化分析

需要指出的是，筛选的有效性取决于产品对振动和热的响应特性，并不是单纯由振动输入和热输入确定的，因此，应当

表1.用筛选循环参数

在充分了解与产品设计极限和工作极限等有关的振动特性和热特性后再调整筛选应力[2]。基于以上的原则，在开展优化工作之初，首先与产品电路设计、结构设计人员共同完成现用筛选模式下，产品内部相关部件的对热应力响应、振动应力响应数据及各部分应力变化数据的调查；分析出现用筛选方法的筛选能力；收集该型产品在以往筛选过程中激发的故障数据及提交用户后的使用故障数据，并综合分析两种数据，确定出现用户故障数据是否有早期失效、现用筛选方法筛选能力是否有提升的空间，与相关设计人员协同研究并提出优化方法，采用优化后的方法进行该型产品的筛选验证，收集筛选数据并进行分析，判断优化方法能否最大程度地将提交用户后的早期失效在筛选过程中加以激发、排除。具体流程图见图1。

图1.于应力调查加固计算机筛选方法优化流程图

3.于应力调查分析的筛选优化方法

3.1.施方法

以我单位某型加固计算机为对象，通过应力调查，采集该型加固计算机内部的应力响应及分布变化等数据，分析现用筛选方法的筛选能力；综合收集到的该型加固计算机在筛选中及提交用户后的故障数据，研究并提出优化方法，通过一定量的该型加固计算机进行验证。判断该优化方法是否满足要求。

3.2.型加固计算机筛选应力响应测量、采集、分析方法研究

环境应力筛选是通过施加加速环境应力，在最短的时间内析出最多的可筛选缺陷。其目的是找出产品中的潜在缺陷[2]。其加速作用是通过施加高于正常执行任务时遇到的环境应力来实现的。

根据该型加固计算机的热学及力学结构设计的特点，结合用户故障数据，分别针对筛选过程中的振动输入及热输入，在该型加固计算机内部相关区域布置监测传感器，收集其振动响应数据及热响应数据，完成其内部相关区域的温度应力及振动应力变化、分布图，实现其内部相关区域的热学及力学响应特性分析及筛选能力定量评估。

3.2.1.度应力的测量、采集

在开始温度应力响应测量、采集之前，首先，针对该型加固计算机不同的使用配置，确定出需要测量、采集温度应力的插件板、联接件，采集传感器的类型，安装安式、响应应力的采集频率、采集时间及传感器连接方式等事项。与设计部门技术人员讨论、完善后作为温度类应力响应测量、采集的作业指导书。既要保证应力采集的准确性、全面性，同时又要保证受试设备、采集仪器的安全。

3.2.2.动类应力的测量、采集

在开始振动类应力响应测量、采集之前，同样，针对该型加固计算机不同的使用配置，确定出需要测量、采集振动类应力的插件板、联接件，采集传感器的类型，安装安式、采集时间及传感器连接方式等事项，由于筛选采用的是随机振动，是一种不能用时间的确定函数来描述的振动形式[3]，为了保证数据采集的准确性，必须在采集时遵循一定的法则并采取一些技术措施，以确保获取数据的真实可信。同样，需与设计部门相关技术人员共同商讨、完善后作为振动类应力响应测量、采集的作业指导书。

3.2.3.应应力分析

将采集到的温度类、振动类响应应力按插件板、联接件分别完成最大响应应力、最小响应应力、各响应应力持续时间、响应应力变动幅度、响应应力变化速率等参数的分析计算。将分析计算结果与设计部门的技术人员进行交流，确认是否有过设计的响应应力存在。定量的完成各相关部件的响应应力分布、变化及该型加固计算机内部的应力分布、变化处理结果。

3.3.选效果综合评估方法研究

环境应力筛选的目的是通过施加一种或几种规定的应力，将制造过程中引入产品的各种潜在缺陷在出厂前以硬件故障的形式暴露出来并加以剔除，以防止其交付后在使用环境中变成故障，降低产品的使用可靠性[2]。因此，交付使用后早期失效率的高低是环境应力筛选效果的评判依据之一。

收集该型加固计算机在使用过程中的故障数据，统计分析出故障多发部件、故障表现形式、故障原因等数据；同时收集其在试验室筛选过程中产生的故障数据，统计分析出故障多发部件、故障表现形式、故障原因等。对两类故障数据进行分析，判断出试验室筛选主要缺陷激发类型及缺陷激发不足的部件。结合应力响应测量、采集、分析方法研究给出的定量分析结果，综合定性得出现用筛选方法综合筛选效果。具体见流程图2。

3.4.选优化方法

图2.固计算机筛选效果综合评估流程图

环境应力筛选的目标是通过对产品施加一定的应力，使产品中本来会在寿命早期在使用环境应力作用下以早期故障形式暴露出来的潜在缺陷提前在出厂前暴露出来并加以排除，从而使交付的产品达到设计规定的可靠性水平。因此筛选的优化是以产品设计定型的可靠性水平做为目标。

根据评估的该型加固计算机综合筛选效果，与设计部门的技术人员协作，以其响应应力实测分析结果为依据，各部件设计的极值为目标，利用应力测量分析技术为手段，对其用户故障多发部件加大应力，同时，避免响应应力较大的部件出现过应力的情况，分别对传统筛选方法的温度应力、振动应力及综合筛选效果进行优化。采用闭环的方式得出在筛选效率、筛选效果、筛选费用等方面最佳的优化方案。

3.5.固计算机筛选优化方法验证

优化后的环境应力筛选方法不仅应当在最短的时间内析出最多的可筛选缺陷，同时又不能损坏好的部分或引入新的缺陷。因此，优化后的筛选方法必须经过验证。

通过加固计算机应力响应实测分析技术，对筛选优化方法的响应应力进行测量，分析，以筛选实测时传感器的布点为依据。采集优化方法的各测量点的响应应力。完成优化方法各部件的温度应力及振动应力变化、分布数据及定量的评估结果。并完成优化筛选后加固计算机的可靠性验证试验，评价可靠性是否满足鉴定指标。

表2.选优化后循环参数

4.用及效果

目前使用的筛选方案温度变化速率为5℃/min，由于该型加固计算机外表铸件，近乎于密封，经测量设备内部的温度变化速率远远小于5℃/min，只有1℃/min～3℃/min，只有整机外表面是在进行5℃/min温度循环；且设备内部远没有达到筛选规定的上、下限极限温度，对于设备内部各功能部件其实是在进行高温试验和低温试验。筛选的作用被大大减弱了，没有起到筛选的作用。

根据温度循环筛选度计算模型公式[4]：

筛选度 ss=1-exp{-0.0017(R+0.6)0.6[ln(e+V)]3n}

式中， 为温度变化范围； 为温度变化速率； 为循环次数；为自然对数的底。可知，温度保温时间在筛选度公式中没有出现，对温度循环筛选度没有直接作用，因此只要加固计算机内部达到温度稳定即可。再者由于加固计算机外表面为铸件，可以承受较高的温度，可以考虑减少保温时间，增加温度范围，同时利用特定遮挡板改变局部的循环风向，加强筛选薄弱部件的风速，增强筛选能力，减弱响应应力较强部件的循环风速等措施后。经过多次应力实测分析，经设计部门技术人员讨论，最终的优化后温度循环参数见表2。

同样根据随机振动筛选度计算模型公式[4]：

筛选度 ss=1-exp(-0.0046(Grms)1.71t)

可见对随机振动筛选度起作用的主要是均方根加速度Grms和振动时间t。但经过对加固计算机的随机振动响应实测发现，虽然机箱外表面的振动响应应力为6.06Grms,但其内部插件板的响应应力大于6.06Grms。因此只能考虑增加振动时间。另一方面，由于加固计算机内部不是所有的插件板都是一个方向安装，即使一个方向安装的插件板也由于其元器件不是同方向安装，因此考虑可以增加振动轴向。经过多次应力调查分析，经与设计部门技术人员讨论，最终优化确定的随机振动参数见表2。

采用以上的筛选参数，到目前为止，已有近百台的该型加固计算机采用优化后的筛选方法进行了出厂前的环境应力筛选。近一年来的用户数据收集，早期失效故障同比大幅度减少。同时，先后进行了四次可靠性验证试验，试验过程中受试样机均没有发生故障，其MTBF真值的单边置信下限值均达到产品设计目标值。因此，在不改变失效机理的前提下，通过有针对性的应力调查分析，增加应力强度，对于改变目前常规环境应力筛选能力不足的问题，是一种可以考虑的方案。

[1]GJB1032,电子产品环境应力筛选方法[S]，1990

[2]祝耀昌，环境应力筛选技术及其应用和发展综述[J].航天器环境工程，2007，24（4）：191-193

[3]戴诗亮，随机振动试验技术[M]，清华大学出版社，1984

[4]何国伟，戴慈庄，可靠性试验技术[M]，国防工业出版社，1995

The Optimization Method for Environmental Stress Screening Based on the Stress Investigation and Analysis

As for the deficiencies in the application of the environmental stress screening by GJB1032《Environmental stress screening process for electronic products》,this essay aims to introduce an optimization method for environmental stress screening based on the investigation and analysis. This method has proved quite effective in improving efficiency of screening return rate for product defects, by means of ruggedized computer the application to the practical use.

environmental stress screening；optimization；ruggedized computer

孙玉玉 男 1980年生，山东招远人，中国船舶重工集团公司第七一六研究所检测中心工程师，长期从事电子设备可靠性工作。