可靠性试验2：环境应力筛选(ESS)

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一、定义

环境应力筛选（ESS）是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速成为故障，并通过检验发现和排除的过程，是一种工艺手段。

二、目的

环境应力筛选的目的是为了发现和排除不良元器件、制造工艺和其他原因引入的缺陷造成的早期故障。

三、依据

（a）GJB 1032-90 《电子产品环境应力筛选方法》

（b）GJB/Z 34-93 《电子产品定量环境筛选指南》

四、适用对象与适用时机

主要适用于电子产品，也可用于电气、机电、光电和电化学产品。在研制阶段，产品参加大型试验前或进行可靠性增长试验或鉴定试验前，均须先通过环境应力筛选。批生产阶段的环境应力筛选在产品交付前完成。

五、环境应力筛选的基本特性

1)环境应力筛选既是一种工艺，也是一种试验。其目的是迫使存在于产品中的可能变成早期故障的缺陷提前激发出来。

2)环境应力筛选不能损坏好的部分或引入新的缺陷。应力不能超出工作应力的界限。

3)每一种结构类型的产品应对有其特有的筛选。严格来说，不存在一种通用的、对所有产品都具有最佳效果的筛选方法。

六、环境应力筛选的条件

良好的环境应力筛选应具备以下条件：

1)能够很快析出潜在缺陷，包括暴露设计缺陷。

2)不会诱发附加的故障，消耗受筛产品寿命。

七、环境应力筛选在产品生命周期各阶段的应用

八、环境应力筛选与其他试验的关系

1.与可靠性增长和可靠性增长摸底试验的关系

环境应力筛选一般只用于揭示并排除早期故障，使产品的可靠性接近设计的固有可靠性水平。

可靠性增长和增长摸底试验是通过消除产品中由设计缺陷造成的故障源或降低由设计缺陷造成的故障出现概率，提高产品的固有可靠性水平。

备注：可靠性增长摸底试验是一种以可靠性增长为目的，无增长模型也不确定增长目标的短时间可靠性增长试验。可靠性研制试验和可靠性增长试验的目的均是为了提高产品的可靠性，但两者在试验方法和开展时期等方面是有差异的。首先，可靠性研制试验一般在研制初期和中期进行开展，而可靠性增长试验在研制中后期开展。其次，相对于可靠性增长试验，可靠性增长摸底试验无定量目标要求，也无定量评估产品可靠性水平的要求。

2.与可靠性统计试验的关系

环境应力筛选是可靠性统计试验的预处理工艺。任何提交用于可靠性统计试验的样本必须经过环境应力筛选。只有通过环境应力筛选、消除了早期故障的样本，其统计结果才能代表真实的可靠性水平。

环境应力筛选与可靠性验证试验(包含可靠性鉴定试验、可靠性验收试验，属于可靠性统计试验)的对比如下表所示：

项目	环境应力筛选	可靠性验证试验
应用目的	发现和排除不良元器件、制造工艺和其他原因引入的缺陷所造成的早期故障	验证产品可靠性要求
样本量	100%	抽样
故障数	期望筛出更多早期故障	故障数≤规定的允许数
应力类型	温度循环、随机振动、电应力	典型任务剖面的应力
应力水平	以能激发出故障、不损坏产品为原则的较大应力值	典型任务剖面的应力值
应力施加次序	一般为振动-温度-振动	综合模拟使用环境或现场使用环境

九、环境应力筛选使用的典型环境应力

常用的应力及其强度、费用和筛选效果如下表所示。

环境应力	应力类型		应力 强度	费用	筛选效果
温度	恒定高温		低	低	对元器件较好
	温度 循环	慢速温变	较高	较低	不显著
		快速温变	高	高	好
	温度冲击		较高	适中	较好
振动	扫频正弦		较低	适中	不显著
	随机振动		高	高	好
综合	温度循环与随机振动		高	很高	很好

美国有关的统计数据表明，温度筛选出缺陷的比例约占80％，振动约占20％，如下表所示，可供参考。必须强调的是，产品（电子、机电、光电、电气）特性会对这些百分比产生重大影响。热应力在揭示有缺陷的元器件方面起主要作用，而随机振动在揭示工艺和组装缺陷方面起主要作用。

恒定高温筛选介绍

恒定高温筛选也叫做高温老化(老炼)，是一种静态工艺。

真正影响恒定高温筛选效果的变量是上限温度与室内环境温度之差，即温度改变幅度。

恒定高温筛选广泛应用于元器件的筛选，但不推荐用于组件级(印刷电路板、设备)的筛选。

恒定高温筛选的效果低于温度循环。

激发出的故障模式或影响如下：

1）使未加防护的金属表面氧化，导致接触不良

2）加速金属之间的扩散，如基本金属和外包金属，钎焊焊料与元器件，半导体材料与喷镀金属之间的扩散

3）使液体干涸，如电解电容器和电池的泄露造成的干涸

4）使塑料软化或变形

5）使保护性化合物和灌封的蜡软化或蠕弯

6）提高化学反应速度，加速与内部污染粒子的反应过程

7）使部分绝缘击穿

温度循环筛选介绍

对筛选效果最优影响的是温度变化范围、温度变化速率以及循环次数。增加温度变化范围和变化速率能加强产品的热胀冷缩程度，

循环次数的增加则能累积这种激发效应。

激发出的故障模式或影响如下：

1）涂层、材料或线头上的各种微观裂纹扩大

2）连接不好的接头松弛

3）螺钉连接或者铆接不当的接头松弛

4）质量差的钎焊接触电阻加大或造成开路

5）粒子污染

6）密封失效

温度冲击筛选介绍

温度冲击能够提供较高的温度变化速率，产生的热应力较大，是筛选元器件，特别是集成电路的有效方法。

激发出的故障模式或影响：类似于温度循环。

和温度循环的对比：

A.温度冲击试验和温度循环试验的定义

温度冲击试验，是一种通过急速改变温度来模拟真实使用条件下的极端温度环境的测试方法。

而温度循环试验，则是通过在不同温度下循环测试来模拟产品在使用过程中所遭遇的温度环境。

B.温度冲击试验和温度循环试验的基本原理

温度冲击测试通常会将产品放置在高温箱和低温箱中交替测试，以对产品在不同温度环境中的适应性进行验证。

而温度循环试验则是在不同温度下交替测试产品，以验证其在温度变化环境下的可靠性和耐久性。

C.温度冲击试验和温度循环试验的区别

1.测试方式不同：温度冲击试验主要是通过快速改变温度进行测试，而温度循环试验则是在不同温度下进行循环测试。

2.测试结果不同：由于测试方式的不同，温度冲击试验得到的是产品在不同温度间快速切换时的表现，而温度循环试验得到的则是

产品在长时间、不同温度条件下的表现。

3.测试目的不同：温度冲击试验主要是测试产品所能承受的温度冲击，以验证其在急热急冷环境下的适应性；而温度循环试验更多

用于验证产品在长期不同温度条件下的可靠性和耐久性。

随机振动筛选介绍

随机振动是在很宽的频率范围上对受筛产品施加振动，产品在不同的频率上同时受到应力，使产品的许多共振点同时受到激励。

这意味着，具有不同共振频率的元器件同时在共振，从而使安装不当的元器件受扭曲、碰撞等损坏的概率增加。

激发出的故障模式或影响：

1）结构部件、引线或元件接头产生疲劳

2）电缆磨损

3）螺钉接头松弛

4）安装加工不当的集成电路片离开插座

5）汇流条及连到电路板上的钎焊接头受到高应力，引起钎接薄弱点故障

6）已受损或安装不当的脆性绝缘材料出现裂纹

各种应力筛选效果的比较

国外对13种应力的筛选效果进行有限调查统计得出的，有一定的代表性。

它说明温度循环是最有效的筛选应力，其次是随机振动。但激发的缺陷种类不完全相同，两者不能相互替代。

十、筛选方法步骤

1.GJB 1032-1990给出的初始筛选方法

2.常规筛选方法

常规筛选方法是以GJB 1032提供的方法为依据，并借鉴了定量筛选（GJB/Z 34）和相关参考资料中一些相关的内容。

常规筛选是指不要求筛选结果与产品可靠性目标和成本之间建立定量关系的筛选。

筛选所用的方法是凭经验确定的，仅以能筛选出早期故障为目标。

常规筛选方法是目前广泛应用的一种方法。一般包含筛选前准备工作、初始化性能检测、寻找和排除故障及无故障检验、最终性能检测四个阶段。

十一、环境应力筛选的工程应用要点

1）环境应力筛选的效果主要取决于施加的环境应力、电应力水平和检测仪表的能力。

2）环境应力筛选主要适用于电子产品，也可用于电气、机电、光电和电化学产品。

3）电子产品的环境应力筛选以GJB 1032-1990为基础，根据受筛产品特点进行适当的剪裁。非电子产品环境应力筛选尚没有相应的标准，其筛选应力种类和量值只能借鉴GJB 1032-1990并结合产品结构特点确定。对于已知脆弱、经受不住筛选应力的硬件，可以降低应力或不参与筛选，不参与筛选的硬件必须在适当的文件中说明。

4）环境应力筛选可用于产品的研发和生产阶段。

5）环境应力筛选应在元器件级、电路板级、设备级等每一组装层次上100%地进行，以剔除低层次产品组装成高层次产品过程中引入的缺陷和接口方面的缺陷，对备件也实施相应层次的环境应力筛选。

6）环境应力筛选所使用的环境条件和应力施加程序应着重于能发现引起早期故障的缺陷，而无须对使用环境应力进行准确模拟。环境应力一般是依次施加，并且环境应力的种类和量值在不同装配层次上可以调整。

7）应制定环境应力筛选大纲，大纲中应确定每个产品的最短环境应力筛选时间、无故障工作时间，以及最长环境应力筛选时间。

8）对研发阶段的环境应力筛选结果应进一步深入分析，作为制定生产中环境应力筛选大纲的基础。对生产阶段环境应力筛选的结果及实验室试验和使用信息也应定期进行对比分析，以及及时调整环境应力筛选大纲，始终保持进行最有效的筛选。