环境应力筛选研究

牛鑫，宋清山，王宾，刘冰洋

（总参信息化部驻新乡地区军事代表室，河南 新乡 453006）

0 引言

环境应力筛选 （ESS）是指通过向电子产品施加一定的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，并加以发现和排除的过程，是一种工艺手段。它能够发现和排除不良元器件、制造工艺和其他原因引起的早期故障，是装备研制和生产过程中一项非常重要的工作。GJB 450A-2004将其作为装备研制和生产过程重要的可靠性工作项目（工作项目401）之一，GJB 899A-2009的4.6节中明确地提出 “可靠性试验之前，受试产品应完成环境应力筛选”。将ESS用于装备生产，能够有效地加快生产进度、降低返修费用、提高备件有效性，确保装备战备完好性。将ESS用于研制过程，能够有效地缩短设计研制周期。美国工业界硬件研制中积累的可筛选缺陷数据表明，研制过程中可筛选缺陷引起的故障约占总故障数的90%，为使硬件设计和研制工作有效地进行，必须使用环境应力筛选来减少或消除设计问题。

1 环境应力筛选方法

环境应力筛选起源于电子设备制造过程中常用的老练 （老化）和敲击等工艺。1979年美国海军率先发布电子产品环境应力筛选大纲，在此后的30多年中，ESS应用越来越广泛，已逐渐地形成了一些通用工艺手段。

1.1 环境应力筛选的类型

ESS可分为常规筛选、定量筛选和高加速筛选3种类型。

a）常规筛选

常规筛选是目前应用最广泛的筛选方法，它以剔除早期故障为目标，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。典型的常规筛选标准有GJB 1032-90《电子产品环境应力筛选方法》[1]（对应美军标准MIL-STD-2164（1985））、QJ 3138-2001《航天产品环境应力筛选指南》[2]、HB/Z 213-1992《电子设备环境应力筛选指南》[3]（对应IES（1990）组件环境应力筛选指南）和美军标MIL-HDBK-2164A《电子设备环境应力筛选工序》[4]等。这些标准已经在工程实践中得到广泛的应用，对提高产品可靠性发挥了重要作用。

b）定量筛选

定量筛选主要参考GJB/Z 34-1993《电子产品定量环境应力筛选指南》[5]和MIL-HDBK-344A（1993） 《电子设备环境应力筛选》[6]这两个标准。定量筛选要求筛选效果和成本与产品的可靠性目标、现场故障修理费用之间建立定量关系。定量筛选要对引入缺陷密度、筛选检出度、残留缺陷密度这3个变量进行评估。采用定量筛选的好处是能够根据产品的结构特点和可靠性要求，适当地调整筛选组装等级和筛选应力，而且筛选后产品的可靠性水平与可靠性要求能够保持一致。定量筛选的约束条件较多，如计算引入缺陷密度和残留缺陷密度、评估筛选检出度等，需要经验丰富的ESS专家，以及元器件缺陷率和工艺缺陷率等基础数据。

c） 高加速应力筛选 （HASS）

HASS采用远大于常规ESS的应力，加速产品缺陷的暴露，所需的时间比常规ESS短得多。20世纪80年代后期，美国的Gregg K.Hobbs在强化设计和增强ESS理论的基础上提出了高加速寿命（HALT） 和高加速应力筛选 （HASS） 概念[7]， 并于1990年创办了QualMark公司，专门从事HALT和HASS试验设备制造。此后的30年间，HASS因其 “加速”特性而逐渐地被波音、惠普、福特等大型企业所接受。国内也有多家院校和研究所对HASS/HALT进行技术跟踪，并进行过多项强化试验，国内还颁布了GJB 5103-2004《弹药元件加速寿命试验方法》等HALT标准，但目前还没有一个能够被广泛接受的HASS标准。

1.2 环境应力筛选应力

典型的环境应力筛选应力有：恒定高温、温度循环 （可细分为慢速温变和快速温变）、温度冲击和扫频振动、随机振动，以及组合应力等。众所周知，温度循环加随机振动的组合方法的筛选效果最好，但其费用也是最高的。GJB 1032-90和GJB/Z 34-1993中对各种筛选方法的介绍非常详细，本文不再细述。

1.3 被筛选对象的组装等级

ESS可以在元器件、组件、单元或设备 （系统）4个产品组装等级上进行，由于任何一级组装和加工都会产生新的引入缺陷，因此，为彻底消除早期故障，任何一级上的筛选都不能代替高一等级上进行的筛选。在每个产品组装等级上均安排ESS，在费用和生产周期上往往是不现实的，这就需要在设计ESS大纲时科学、合理地确定被筛选对象的组装等级。

2 环境应力筛选效果验证

ESS具有工艺性、加速性、非通用性和动态性这四大特性。不同结构的产品应当有其特有的筛选方案。为了验证承制单位传统筛选方法的效果，笔者组织了验证试验。

2.1 验证方案

承制单位的传统筛选方法为：45℃中温老化120 h，之后进行高、低温摸底 （各一天）。

验证试验方案为：在完成传统筛选后，抽取6部整机，按GJB 1032-90附录D提供的简化方案实施无故障检测验证。验证试验采用10个周期的温度循环，4 h/周期，温度变化率7℃/min，低温最后30 min加电，高温结束时断电，高温和低温最后30 min检测。试验曲线如图1所示。

图1 环境应力筛选验证试验程序

2.2 筛选效果的理论分析

2.2.1 筛选效果的度量

GJB/Z 34-1993在介绍定量筛选方法的过程中引入了筛选检出度和筛选度。筛选度的定义为：产品中存在对某一特定筛选敏感的潜在缺陷时，该筛选将该缺陷以故障形式析出的概率。从定义上看，筛选度反映的是故障与筛选应力的相关性，而与采取常规筛选还是定量筛选无关。因此，筛选度可以作为筛选效果的参考数据。

2.2.2 传统筛选方法的筛选度

承制单位的传统筛选可以分解恒温筛选和慢温变 （或55℃恒温）两次筛选。根据GJB/Z 34-1993中4.2.1.1.3中的公式和4.2.1.2.3公式计算如下：

a）恒温筛选度

公式为：

式 （1）中：R——温度变化范围，假设室温25℃，则R=45-25=20℃；

T——高温持续时间，T=120 h。

将R和T的值代入式 （1），得到SS1=0.7144。

b） 慢温变筛选度

公式为：

式 （2）中：R——温度变化范围，R=55-（-40）=95℃；

V——温度变化速率，按4 h计，V=95/4/60=0.40℃/min；

N——循环次数，N=1。

将R、V、N的数值代入式 （2），得到SS2=0.04。

c）55℃恒温的筛选度

将R=30℃、T=24 h代入公式后，得到SS2=0.27。

d）总筛选度

假设筛选出的故障经修复后不再出现 （未引入新的缺陷），也就是检出及修复，那么高低温摸底过程可以看作是对恒温筛选残留缺陷的筛选。此时，总的筛选度为：

按恒温筛选和慢温变的计算，传统筛选的筛选度约为72%；

按45℃和55℃两次恒温计算，传统筛选的筛选度约为79%。由于低温摸底未计入，实际的筛选度可能会略高。

2.2.3 GJB 1032-90中标准筛选方法的筛选度

GJB 1032-90提供了一种温度循环加随机振动的常规筛选方法，仅考虑温度循环时，筛选度公式同公式 （2）。

按产品规范规定的试验温度条件，可得到R=95℃；

按温度变化速率范围为5～10℃/min，循环次数N=10；

将上述参数代入公式 （2），得到筛选度为：SStol=0.893～0.987。

如果将筛选验证试验也看作一次筛选，将各参数代入公式 （2），得到筛选度为：SStol=0.95。

2.3 筛选效果的比较

从筛选度计算结果可以看出，传统筛选工艺的筛选度仅为80%左右，这也就意味着有20%能够被检出的故障仍未被筛选出来，而采取GJB 1032-90中的筛选方法，筛选度能够达到90%以上。仅以本次验证试验所达到的筛选度来看，也比传统的恒温筛选效果好。

验证试验的真实情况也证实了这种计算结果。虽然6部整机是在通过了传统老化筛选的基础上进行的验证试验，但在验证试验第二周期的低温试验中又检出了一例故障。

3 对环境应力筛选方案的思考

3.1 快速温度循环筛选的局限性

从前文的分析中可以看出，GJB 1032-90中的温度循环筛选具有非常高的筛选度，筛选效果非常好。但实践中一些制约因素限制着这种方法的全面普及。

a）合适的试验箱较少

温度循环所用的试验箱是快速温变箱，温变速度要求达到10℃/min以上，这样的温变箱要么费用较高，不易购买；要么体积过小，放不下几台整机设备。订货数量较大时，筛选时间会拉得很长，难以满足进度要求。

b）故障检测困难

GJB 1032-90中规定的循环周期时间最长为4 h，用于装备测试的时间很短，更来不及排查故障。

c）劳动强度大

GJB 1032-90要求每4 h完成一次测试，本文采用的验证试验方法中每2 h要进行一次测试，测试工作量大，不易组织。

d）低温时未进行加电检测

只对低温环境敏感的故障存在未被检出的风险，影响筛选检测效率。

本文提到的恒温ESS方案虽然筛选度相对较低，但更便于生产组织。由于环境试验箱可以做得很大，几乎不用顾及生产批量的大小，可以在试验箱 （或试验房）中一次性地完成整批产品的环境应力筛选，而且检测场地和时间比较宽裕，检测效率高得多。

3.2 组装等级选择问题

有一种观点认为：组装级别越低，检出缺陷的成本越低，因此，环境应力筛选应尽可能地在较低的组装级别上实施，一些专业文献还以国外的修理费用统计数据对这种观点进行支撑。从笔者了解到的情况看，并不是这样。由于整机装备中元器件品种多、数量少，筛选检测设备的利用率很低，而且随着器件更新换代，检测设备只有几年的使用期。为进行元器件筛选，某承制单位每年花费巨额的资金采购集成电路筛选和检测设备，即便如此，元器件进厂筛选和检测率也仅能达到70%左右。因此，从整机生产的实践经验看，元器件级别的筛选费用反而是最高的，不宜在整机厂进行元器件级的筛选。

3.3 环境应力筛选优化

ESS的目标是尽快筛选和剔除早期缺陷，环境应力的选择对筛选效果的影响很大，因此，合理地确定筛选应力是制订ESS方案的首要问题。GJB 1032-90和GJB/Z 34-1993并未刻意强调极限应力的选取问题，实践中，大多采用工作条件或储存条件作为筛选应力。1996年颁布的美军标MILHDBK-2164A较好地解答了环境应力的取值问题，“图1筛选流程”明确了ESS工作程序：首先确定装备环境应力设计极限，再按极限条件进行筛选。该图展示的方法与现行的HALT/HASS非常相似，都是要先确定产品设计极限，而这一点正是装备科研和生产过程的一个薄弱环节。在筛选方案的确定上，GJB/Z 34-1993为我们打开了另一扇窗户，通过评估筛选度可非常便捷地评价和优选筛选效果较好的筛选方案，从而为确定最佳筛选方案提供理论支撑。

4 结束语

环境应力筛选是一个老课题，但仍有许多新情况需要研究，尤其是近年来HALT/HASS迅猛发展的势头与标准法规匮乏的矛盾日渐突出，加速推进自动测试和数字化军检对保证装备质量和推进HALT/HASS、GJB 1032-90在更广的范围内应用，具有非常重要的意义。

[1]GJB 1032-1990，电子产品环境应力筛选方法 [S].

[2]QJ 3138-2001，航天产品环境应力筛选指南 [S].

[3]HB/Z 213-1992，电子设备环境应力筛选指南 [S].

[4]MIL-HDBK-2164A-1996，电子设备环境应力筛选工序[S].

[5]GJB/Z 34-1993，电子产品定量环境应力筛选指南 [S].

[6]MIL-HDBK-344A-1993，电子设备环境应力筛选 [S].

[7] （美）HOBBS G K.高加速寿命试验与高加速应力筛选[M].北京：航空工业出版社，2012.