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欣宝仪器邀您一起浅析ESS

秒懂环境应力筛选(ESS

东莞市欣宝仪器邀您一起浅析ESS



基本概念

环境应力筛选(Environmental Stress Screening),简称ESS,是为发现和排除产品中不良零件、元器件、工艺缺陷和防止出现早期失效,在环境应力下所做的一系列试验。它的意义就是筛选产品,把通过不能用常规检验或试验的方法,或肉眼检验或电气试验方法查出的缺陷,暴露出来,这些有缺陷的零部件与其制造工艺或工艺技术有关,并大量分布在早期失效区域。



ESS是可靠性试验中的一种类型,也是产品制造过程中的一道工序。产品的组装等级可分为设备级、组件级和元器件级,ESS可以在产品不同的组装等级上实施。应对三个组装等级的产品100%实施ESS。应根据对产品筛选的效果选择相应的环境应力。对电子产品,ESS的应力主要选择温度(高、低温)循环和随机振动,这两种应力的组合筛选效果较好,能暴露产品各组装等级大部分故障。研究表明,高低温循环的筛选效果取决于四个方面:高、低温的设定值,高、低温保持的时间,温度变化速率和循环的次数。增大温度变化速率,效果较好。设备中元器件数量多,则循环次数应增加。随机振动筛选效果好于扫频正弦振动,在不造成对产品损坏的情况下,振动应力强一些,则效果好。



关于ESS的五大误解

为了更好地理解和应用环境应力筛选程序,需要澄清如下的误解:

误解一:ESS与老化试验是一样的

ESS是从老化理论发展起来的,但它是一个有显著优点的程序,老化是使产品长时间受恒定温度的作用,而ESS是一个加速程序,即在预先确定的环境温度之间,使产品承受多次的循环应力。



误解二:ESS就是随机抽样

ESS要求100%的产品作暴露试验,而不能随机抽样,因为产品潜在的缺陷特性是随机的,将所有产品进行筛选是唯一办法,以保证筛选程序的有效性。



误解三:ESS可用于确认设计

尽管ESS可能有时暴露一个不合理的设计,但它的意图是不同的。设计有效性用环境模拟和实验室分析去确定,即当产品用在不超过规定的环境下,产品是否有效。而ESS则不同,为了达到暴露产品潜在缺陷的目的,对其施以最大容许的激励,强制潜在缺陷失效,并从失效数据中分析零、部件及产品失效的模式,是工艺缺陷还是设计错误。这与模拟试验的任务是完全不同的。


              

误解四:ESS无需失效

ESS是用以强制发生最适当的失效,这些失效在产品正常使用情况下都会发生,ESS基于某种产品的模拟性而确定最大允许加载应力,无缺陷的产品能吸收而不影响其使用寿命,绝大多数有潜在缺陷的产品将失效,并在出厂前在厂内检查出来。


       

误解五:ESS是昂贵的

ESS程序虽然要花去一些费用和时间,但是,由于可大大减少维修费用,三包费用,提高产品的价值,增大市场占有份额,其综合效益是非常明显的,ESS提供的方法,是理想的使用产品维修费降到最低点的方法。

不同环境应力对应的失效形式

不同的环境应力会激发多种不同的失效,需要注意的是当某种失效类型发生时,这时再出现另外一个应力,之前的失效可能会因为新的应力的出现而加剧,也就是说前面应力会为后面应力创造条件,从而使得产品更容易失效。

从产品开发角度来看我们是需要避免这样的情况发生,从而最大限度保证产品少失效。但是从试验的角度看,我们又需要这么做来尽可能的暴露产品的潜在失效,从而降低在现场使用的失效,提高产品的可靠性。

雨、雪、雾及结露:结构退化、破坏及腐蚀;电子失效和保护膜的损坏

沙尘:引发表面损坏;增加表面摩擦;润滑油污染;管道堵塞;促进疲劳和断裂和材料断裂

盐雾:传导性能降低;金属的化学腐蚀;电子迁移

湿度:低湿导致脆性增加;垫片膨胀;促进腐蚀;材料表面传导性能发生变化;加速氧化

阳光辐射:色彩褪色;橡胶老化;容器内部温度上升;热老化

高温:导致参数漂移,例如电阻值、电容值、电感值、功率因数和介电常数;引起运动部件软化或者膨胀;引起表面膨胀;引起部件热老化;化学活性增加;润滑油的粘性变化;由于物理变形导致结构过载

低温:橡胶弹性降低;结露;增加热损耗导致表明破裂;润滑油粘性增加;物理膨胀而导致结构过载

温度冲击:导致电子性能参数变化;材料短时过载导致结构失效或者断裂

/低气压:爆炸;容器或者建筑物损坏;空气密封失效;散热性能降低;仪表显示错误;

气体:加速金属腐蚀;介电性能降低;加速氧化;改变热电转换参数;空气爆炸


          

对于常见的环境应力,他们对产品失效的影响的大小是不同的,下面所有失效中不同环境应力的比例关系,其中可以看到温度所占的比重最高,其次是振动和湿度,实施上在实际的用户使用环境中这三类环境应力是最常见的,相应来讲如果没有很好的就这几个应力进行充分测试就变的非常危险。



筛选度计算

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(摘自GJB/Z34)。

筛选度计算公式

GJB/Z34介绍了几个常用计算公式,英文原版来自MIL-HDBK-344A

1、恒定高温筛选强度
SS=1-exp [-0.0017(R+0.6)^0.6t]
式中:R—高温与室温(一般取25)的差值;t—恒定高温持续时间(h)

例:用85℃对某一元器件进行48H的筛选,则其筛选强度为:61.6%=1-EXP[-0.0017*(60+0.6)^0.6*48];注意:这里R=85-25=60,而不是直接用85代入计算;

分析:若上例中如果产品的潜在缺陷对于恒定高温敏感,85&48小时的测试仅有61.6%的概率暴露出故障,若要提高概率,可以通过增加温度或者增加测试时间。这里算了下,若温度不变,将测试时间增加到100小时可以有91.4%的概率暴露故障,实际情况根据不同需要更改时间或温度;

注意:选用此方案时,关机情况下温度上限不能超过产品的存储温度上限,开机时温度不能超过产品的工作温度上限。

2、温度循环的筛选强度
SS=1-exp{-0.0017(R+0.6)0.6[Ln(e+v)]^3N}
式中:R—温度循环的变化范围(℃);V—温变率(℃/min);N—温度循环次数,e为自然对数的底数2.71828.....;

例:60℃到-40℃以10/min的速率做15次循环,则对应的筛选强度为:99.87%=1-EXP{-0.0017*(100+0.6)^0.6*[ln(2.71828+10)]^3)*15}
分析:上例中如果产品的潜在缺陷对于温度循环敏感,85度&48小时的测试仅有61.6%的概率暴露出故障,若要提高概率,可以通过增加温度或者增加测试时间。这里算了下,若温度不变,将测试时间增加到100小时可以有91.4%的概率暴露故障,实际情况根据不同需要更改时间或温度;

注意:有的推荐每个循环20分钟,这里不建议选取,因为这不是温度冲击测试,通常在做温度循环筛选时,需要在每个温度点保持到产品温度稳定,一般电子产品选择2小时左右,也即一个循环需差不多4小时。

3、随机振动的筛选强度
SS=1-exp{-0.0046(Grms)^1.71*t}

 

4、扫频正弦振动的筛选强度
SS=1-exp{-0.000727(Grms)^0.863*t}

 

5、共振点驻留的筛选强度
SS=1-exp{-0.00047(Grms)^0.49*t}
3,4,5式中:t—为振动时间(min);Grms---振动G值;

例:用6Grms进行5分钟测试,则对应的筛选强度为:38.89%=1-EXP{-0.0046*6^1.71*5}

注意:对于振动筛选,通常选用随机振动进行筛选。

下图为MIL-HDBK-344A原版公式。

 


验证筛选有效性

先进行温度循环,接着进行随机振动,施加的应力量级与剔除失效的筛选应力等级相同,不同的是将温度循环时间增加到最大80小时,随机振动时间增加到最大15分钟,若试验样品在80小时内的连续40小时无故障,则认为其通过了温度循环筛选;若试验样品在15分钟内的连续5分钟无故障,则认为其通过了振动筛选。(摘自GJB/1032)