电子产品两种振动方式的筛选转方法探讨

胡巨刚，宋巍，李劲

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东　广州　510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东　广州　510610；3.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东　广州　510610；

4.空军驻广州地区军事代表室，广东　广州　510000）

电子产品两种振动方式的筛选转方法探讨

胡巨刚1，2，3，宋巍4，李劲1，2，3

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东广州510610；3.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东广州510610；

4.空军驻广州地区军事代表室，广东广州510000）

为了有效地提高振动筛选效率，通过对某型惯导产品的机箱、电子线路板等部件、组件的振动响应特性进行系统的测试，在归纳分析测试结果的基础上，有针对性地提高了产品振动敏感频带上的振动量级，形成了产品高效筛选振动谱设计方法，为电子产品的加速筛选方法设计提供了新的思路。

电子产品振动；筛选；等效转化

0　引言

高加速应力筛选 （以下简称 “HASS”）［1］是一种采用激发原理，通过对产品施加远高于产品正常工作的环境应力，在极短的时间内快速地激发并剔除产品的潜在生产缺陷，达到能够提高产品使用可靠性的技术手段。该技术目前已在欧美、日本等发达国家得到广泛的应用，随着我国技术的发展和大量新装备逐渐由设计阶段转入批量生产阶段，HASS技术必将成为我国军工生产质量控制的有力补充。

虽然HASS技术应用效果已得到验证［2］，但是，目前在国内推广HASS技术还存在着一系列的困难，主要体现在以下几个方面。

a）HASS设备缺乏

HASS的高效主要得益于新型的超高应力试验系统，能够施加振动、温度、湿度 “三综合”的超高应力环境，特别是三轴六自由度超高斯随机振动，即全轴随机振动环境。在实际的工程应用中，这种利用三轴气锤式振动台实现的全轴随机振动环境对产品缺陷表现出很高的激发效能。目前国内还没有普及能够满足HASS要求的这种试验设备，由于100%的电子产品均需进行筛选，因此无法依靠外协 （国内能够满足HASS技术要求的试验设备资源也极为匮乏）来完成，即便依靠技改购置少量满足HASS要求的试验设备，也不能满足多种类、大批量产品交付过程中的筛选需求，若全面推行HASS技术，势必需要大量的国家投资或自主投资，这在短期内都无法做到。

b）传统筛选设备资源的浪费

目前国内各装备制造厂所均配备了满足产能的传统筛选设备，若全面推行HASS技术，势必造成大量的、现有的环境应力筛选设备被闲置或者被报废，从而造成极大的资源浪费。

因此，在不具备HASS要求的硬件基础的条件下，基于现有的传统筛选设备资源，通过对HASS筛选效果的有效模拟，开发出高效的加速筛选方法，是解决目前批产筛选工作中效率不高，暴露缺陷不彻底等问题的有效途径，同时也可使现有的设备资源得到有效的利用。

传统的环境应力筛选和HASS最大的区别之一是传统振动台与三轴气锤式振动台的应用，因此，研究分析三轴气锤式振动台产生的振动信号特点（振动能量在频域中的分布情况、时域振动波形的峰值分布特性等），设计传统振动台振动谱型及相应的参数，确保两种振动台激发产品工艺薄弱环节的效果基本一致，是基于传统设备的加速筛选设计的基础。

本文通过分析两种振动方式的异同，尝试提出一种基于产品特点的振动筛选等效转化方案，并通过对典型产品进行试验，验证了方法的可行性。

1　两种振动方式的筛选等效转化方案

1.1开展等效处理的理论分析

a）快速激发故障机理分析

振动疲劳损伤累积理论指出:除功率谱密度分布外，应力响应幅值分布特性对疲劳损伤累积的快慢也有很大的影响。经研究发现，同等均方根值和量级的随机应力对疲劳损伤的强化程度存在如下关系:超高斯＞高斯＞亚高斯［3］。根据现代振动疲劳损伤理论，累积疲劳损伤主要由大于2σ的应力峰所造成。高斯及超高斯信号时域波形及幅值概率密度函数如图1所示。

b）气锤式全轴振动试验台产生振动波形特点

图1　　高斯、超高斯信号时域波形及其幅值概率密度函数

气锤式全轴振动试验台的优点在于能够提供一种幅值概率密度分布为超高斯的宽带伪随机强化振动环境，其对产品的疲劳缺陷表现出很高的激发效力，使得三轴台振动成为可靠性强化试验中一类重要的试验设备。研究表明:在三轴台振动随机振动环境特性的研究中，发现和证实其具有丰富的、远大于2σ的超高斯峰值概率分布 （最大可达10σ，σ为标准差）。

c）电磁振动试验台 （含具有超高斯振动控制器）能力

该类振动试验系统具有以下两个优点:

1）振动加速度功能普密度可根据实际需要进行设计——具有频谱可控性；

2）可以对时域波形幅值大于3σ的数量进行控制——波形峭度可控。

因此，基于以上分析可知:使用电磁振动试验系统开展加速筛选与气锤式全轴振动试验台开展加速筛选，其效果具有一致的可能性。

1.2振动筛选等效转化方案

为尽量使传统的电磁振动试验系统在加速筛选的效果上与气锤式全轴振动试验系统相一致，需按以下方案步骤实施:

a）对气锤式全轴振动试验系统产生的振动加速度信号 （X轴向、Y轴向、Z轴向3个方向信号）特性进行全面的分析，在不改变该信号特性的情况下，对其进行适当的处理以满足传统电磁振动控制系统的基本要求，以期作为传统电磁振动试验的激励输入。

b）选取典型产品，在确保安装状态一致的情况下，分别安装在两种振动台上；同时，在产品结构件、PCB板，以及元器件的主振方向 （针对电磁振动台）布置监测加速度传感器，施加第一步确定的振动加速度信号，采集分析加速度传感器信号，确定2 000～10 000 Hz之间的能量分布情况，已确定在2 000～10 000 Hz产品上，以及产品内部振动响应能量是否可以被忽略，以此证明传统的电磁振动台在加速筛选的效果上可以与气锤式全轴振动台达到一致并提供进一步的支撑。

c）选取两台植入相同缺陷且状态一致的产品，在确保安装状态一致的情况下，分别安装在两种振动台上，开展振动验证试验。统计各个故障发生时所经历的振动应力时间、应力水平，以及故障数量。

d）比较分析两种振动试验系统在激发产品潜在缺陷的效果，通过多次效果的比较迭代，给出适合产品的、基于传统振动系统的HASS等效振动谱。

2　两种振动方式的筛选等效转化案例

2.1验证样品的选取

经过前期的可靠性强化试验研究［4］，积累了丰富的某型惯导产品 （如图2所示）各种极限应力数据，这些数据可以在本验证过程中得到应用，且该产品线路板安装方式及散热方式等相对我国航空装备极具代表性，若以该产品进行验证，并取得成功，则可将结果推广到其他机载电子产品。

2.2 HASS振动实测响应调查

进行HASS振动响应调查的目的，是通过振动响应调查，掌握某型惯导产品在按照HASS筛选时，产品内部主要点位的振动响应值和特征值，为使用传统电磁振动设备模拟HASS设备振动的筛选效果提供依据和方向。

HASS振动与传统振动相比有以下特征:宽频带 （频率最高达10 000 Hz），超高斯 （增加了峭度值）和三方向同时振动。因此，HASS设备的振动响应调查需关注夹具 （托架）、产品机箱、在X、Y、Z 3个方向的响应频谱和响应加速度均方根值，同时关注PCB板敏感方向上的响应频谱和响应加速度均方根值；由于传统设备只能模拟2 000 Hz之内的振动，因此需关注HASS振动设备2 000 Hz和10 000 Hz频带内的响应情况，同时提取振动过程中的峭度值。

在振动响应调查过程中，振动方向的定义如图2所示。

图2　　某型惯导产品振动响应测试方向的定义

a）基于HASS设备的振动响应调查

振动调查过程如图3所示。

振动调查结果如表1-3所示。

图3　响应调查过程

表1　托架响应结果

表2 产品机箱响应结果

表3　产品电路板响应结果

b）基于传统设备的振动响应调查

为了解试验夹具、产品的振动传递特性，以及传统筛选振动时产品的响应特性，我们基于传统振动设备开展了相应的振动响应调查，为转化提供支持及对比数据。实施过程如图4所示，试验结果如表4所示。

图4　　传统振动台上的振动响应调查

表4振动调查结果

2.3基于传统设备的振动谱转化设计

基于传统设备的振动谱转化设计是以上节振动响应调查结果为基础，通过1）振动轴向的模拟；2）振动带宽的模拟；3）产品上响应谱和响应加速度的模拟；4）结合产品特点的振动谱调整；5）峭度的模拟等5个方面的分析，设计出筛选效率与HASS振动等效的振动谱，筛选振动时间取某型惯导产品HASS的总振动时间。

a）振动轴向的模拟研究

HASS为三轴向同时振动，而传统振动台在同一时间内只能在一个方向振动，因此需要一个在传统设备上能同时施加三方向振动的途径。经研究分析，我们根据HASS中产品振动3个方向的振动响应比例，借助仿真技术，设计了一个基于传统振动台的3向振动夹具 （如图5所示），解决了振动轴向的转化问题。

图5　 设计的三向振动夹具

根据对设计夹具的响应实测，我们认为该夹具满足单轴激励，三轴响应的要求。测试过程如图6所示，结果如下:

设计输入X:Y:Z=1:0.71:1.12；

实测响应X:Y:Z=1:0.9:1.13。

图6　 夹具响应测试

b）振动带宽的分析

HASS设备可提供10 000 Hz带宽的振动，传统设备可提供2 000 Hz带宽的振动，但通过基于HASS设备振动响应调查数据可发现，对于某型惯导产品，其内部主要部件的响应量值差别不大，如表5所示。

可见，某型惯导产品经过结构衰减后，内部电路板对2 000 Hz以上的振动响应有限，可用2 000 Hz的振动代替10 000 Hz的振动。

c）产品上响应谱和响应加速度的模拟

HASS设备只能控制加速度均方根值，通过气锤锤击产生的功率谱分布特征恒定且不可控制，要实现对HASS振动的有效模拟，功率谱分布特征是必须要模拟的，因此，我们在振动响应调查过程中对产品上的响应谱分布特征进行了提取。

在三轴响应夹具加工出来之后，将产品安装到该夹具上，我们利用传统的振动设备

作为激励源对产品上的响应谱进行了试模拟，由于传统设备的激励谱可以控制，可以调整振动台的激励谱，使在产品上测到的响应谱与HASS振动时产品内部电路板上的响应谱和响应加速度基本一致，振动响应谱的模拟图形如图7所示。

图7　　电路板振动响应谱的模拟图形

表5 主要部件频率响应比较

d）结合产品特点的振动谱调整

我们通过对某型惯导产品振动响应调查的数据分析，确定产品敏感频带范围约在90～450 Hz范围，如表6所示。

考虑传统振动设备激励谱的可控制性，结合产品特点，适当地提高低频及产品敏感频段内的振动量级（如图8所示），可提高振动筛选的筛选效率。

表6 振动频率分析f/Hz

图8　　结合产品特点的振动谱调整

e）峭度的模拟与分析

HASS振动设备提供的是超高斯随机振动激励（如图9所示），能够更加高效地激发产品缺陷，超高斯特征主要用峭度指标来衡量。目前我们使用的传统振动控制系统产生的都是高斯随机振动激励，无法控制峭度参数，因此不能产生超高斯随机振动激励。

图9　 两种振动激励信号的差异

我们通过全方位的峭度值测试 （包括不同设备及量级下的峭度值、峭度对产品性能指标的影响等）解决该问题，实测结果如表7-8所示。

表7　峭度值测试结果汇总

表8　峭度对产品性能的影响

通过上述对峭度值的实测，我们认为:对于某型惯导产品，传统振动和HASS设备振动在产品内部的峭度相当，且峭度对产品性能无明显的影响，因此，在本次基于传统设备的振动谱转化设计中不加入峭度参数。

f）基于传统设备的筛选振动谱

通过上述数据采集，我们设计了转化后的基于传统设备的振动谱，如图10所示。

图10　　转化后的基于传统设备的振动谱

3.4筛选效果等效评价

实现了产品HASS振动对传统筛选设备的转化后，需对其筛选效果进行评估，我们采用故障植入法比较两种筛选方法的筛选效果［6］。本次验证植入的缺陷依据产品外场主要故障模式和部位，共植入6个缺陷，分别按产品HASS振动和转化后振动应力实施筛选，其激发效果如表9所示。

表9　HASS与转化后筛选的缺陷析出情况对比

根据表9所示的埋入缺陷的析出情况对比，我们认为本次基于HASS转化的振动谱的筛选效果能等效HASS振动，即我们提出的筛选等效转化方法可行。

3　结束语

环境应力筛选是产品生产交付过程中的一项重要试验，我们不能希望一个固定的方法就能够解决产品筛选过程中的所有问题。纵观所有的先进筛选标准和方法，都集中地体现了筛选的 “动态性”和“非通用性”。只有根据产品特点有针对性地设计筛选方法，在使用过程中通过对筛选过程中数据的不断积累，实时对筛选方法进行调整，使筛选方法不断达到更优，最优永远是一个不断追求的目标。

随机振动是环境应力筛选的主要应力之一，目前的环境应力筛选振动剖面基本上都是从GJB 1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》中直接引用的，其振动谱的规定考虑了产品的一般敏感频率，但是对于某一特定的产品来说，GJB 1032-1990规定的振动剖面是否高效是由该产品的力学响应特性决定的。

本文为了有效地提高振动筛选效率，对某型惯导产品的机箱、电子线路板等部组件的振动响应特性进行了系统、全面的测试，在对这些测试结果进行分析的基础上，有针对性地提高了产品振动敏感频带上的振动量级，形成了产品高效筛选振动谱。通过试验验证，这些振动谱具有更高的振动筛选效率。

通过研究，我们掌握了基于HASS和电子产品内部响应的高效筛选振动谱设计、验证的所有环节，为我国电子产品的加速筛选方法设计提供了思路和方法，对后续军工电子产品开展加速筛选方法研究也具有十分重要的指导意义。

本文提出的筛选振动设计方法可在缺乏强应力试验系统的情况下，利用传统的振动设备大大提高筛选的激发效率，降低产品外场使用故障率，节省产品全寿命周期费用，具有明显的经济效益；同时，也具有良好的社会效益和军事效益，可在产品的研制和生产过程中进行推广应用。

［1］陆家乐，李劲，刘冬梅，等.高加速应力筛选定量评价的应用探讨 ［J］.电子产品可靠性与环境试验，2014，32（6）:26-31.

［2］李劲，张蕊.电子产品HASS的应用探讨 ［J］.环境技术2012，30（3）:5-10.

［3］蒋培.全轴随机振动环境的疲劳强化机理研究 ［D］.长沙:国防科学技术大学，2003:86.

［4］李劲，时钟.可靠性强化试验在机载高可靠产品中的应用探讨 ［J］.电子产品可靠性与环境试验，2011，29（5）:10-14.

［5］GJB 1032-1990，电子产品环境应力筛选方法 ［S］.

［6］李劲，沈峥嵘.生产阶段环境应力筛选动态改进方法探讨 ［J］.环境技术，2013，31（增刊一）:44-49.

App lication of Electronic Products Based on Two Kinds of Vibration Mode for Screening Equivalent Transformation M ethod

HU Ju-gang1，2，3，SONGWei4，LIJing1，2，3
（1.CEPREI，Guangzhou510610，China；2.Guangdong Key Laboratory of Electronics and Information Technology Product Reliability，Guangzhou 510610，China；3.Guangzhou Key Laboratory of Reliability and Environmental Engineering of Electronic Information Product，Guangzhou 510610，China；4.Military Representative Office of PLA in Guangzhou，Guangzhou510000，China）

In order to improve the efficiency of vibration screening，the paper gives a certain inertial navigation products as an example.We recode the vibration response characteristics on the chassis，electronic circuit boards and other components，improve the vibration level on the sensitive vibration frequency band based on the resu lts，and therefore form design m ethod of vibration spectrum efficient screening，which provides a new idea for the method of HASS electronic product design.

electronic products；vibration；HASS；equivalent transformation

TB 114.37；TB 24

A

1672-5468（2015）02-0019-07 doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2015.02.004

2014-10-10

2014-10-27

胡巨刚 （1985-），男，湖北黄冈人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心助理工程师，主要从事电子产品可靠性与环境试验评价，试验技术应用研究工作。