TSS10030环境应力筛选ESS规范V10.docx
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TSS10030环境应力筛选ESS规范V10
艾默生网络能源
有限公司
规范编码：
TS-S1*******2
版本：
V1.0
密级：
秘密
可靠性规范
生效日期：
页数：
1
环境应力筛选规范
（EnvironmentalStressScreen）
拟制：
___________________日期：
__________
审核：
___________________日期：
__________
_______________________________________________
规范化审查：
_________________日期：
__________
批准：
___________________日期：
__________
更改信息登记表
规范名称:
环境应力筛选规范（EnvironmentalStressScreen）
规范编码:
版本
更改原因
更改说明
更改人
更改时间
V1.0
新拟制
无
胡林忠
2002.1.16
1.目的
2.适用范围
3.引用/参考标准或资料
4.定义
5.规范内容
5.1环境应力筛选程序
5.2快速温度循环筛选基本参数
5.3温度循环特性分析
5.3.1诱发故障和筛选机理
5.3.2温度上、下限极值选定准则
5.3.3上、下限温度的持续时间确定准则
5.5.4温度变化速率确定准则
5.3.5温度循环次数（或筛选时间）选择准则
5.3.6设备状态（通断电和性能测试）确定准则
5.3.7温度循环筛选度计算
5.3.8温度箱内产品的安装
1.目的
本文规定了快速温度循环环境应力筛选的基本程序和方法，以规范环境应力筛选工作。
2.适用范围
本规范适用于二次电源模块以及其他产品的单板环境应力筛选。
对中试验证批产品、生产返修产品和某些可靠性要求较高的产品需要采用以下方法进行筛选。
对其他产品是否按照以下方法筛选参考有关文件规定。
3.引用/参考标准或资料
《可靠性试验技术》，国防工业出版社
《可靠性试验》，航空航天出版社
MIL-HDBK-338B，《ElectronicReliabilityDesignHandbook》，1998.10
GJB/Z34-93《电子产品定量环境应力筛选指南》，1993
4.定义
4.1环境应力筛选（EnvironmentalStressScreen）
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变成故障，并通过检验发现和排除的过程，是一种工艺手段。
典型的筛选应力为随机振动、温度循环和电应力，根据我司的实际情况选择快速温度循环＋高温工作老炼筛选方法。
4.2筛选度（ScreenStrength）
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。
5.规范内容
5.1环境应力筛选程序
图一、环境应力筛选程序
程序说明：
00开始
安排筛选计划，准备筛选有关资源。
01初始性能检测
根据规定对产品安排初始性能检测和外观检查，不合格的产品需要排除。
如果从历次的结果来看合格率较高，达到98％以上，则可不安排初始性能检查。
02筛选预处理
为避免产品内部水汽含量过高，在进行快速温度循环筛选之前需要进行干燥处理，在温度循环筛选试验箱内在以下条件下进行预处理：
温度：
100℃或者产品最高存贮温度（两者取其最低值）
时间：
30min（如果样品较大，可适当延长干燥时间）
03快速温度循环筛选
按照5.2节的要求进行快速温度循环筛选。
04温度恢复
在进行温度循环筛选后，在试验箱内按照以下条件恢复：
温度：
25℃或者室温
时间：
30min（如果样品较大，可适当延长恢复时间）
05检查测试
在进行温度循环筛选后，根据有关规定对产品进行外观检查和性能测试。
如果根据以往的数据，筛选中发现的失效较少，可以简化该步骤，可以在产品高温老炼时上电检测其主要功能。
对筛选中发现的问题需要进行认真分析，要求闭环解决。
06高温老炼
产品安排高温带载老炼，具体的老炼时间、加载方式等参考有关规定执行。
07检查测试
老化过程后进行外观检查和性能测试。
08结束
合格样品入库。
5.2快速温度循环筛选基本参数
表征温度循环筛选应力的基本参数包括上限温度Tu、下限温度TL、温度变化速率V、上限温度保温时间tu、下限温度保温时间tL、和循环次数N，见图2。
根据我司实际情况，制定以下基线筛选方案，一般产品可按照以下方案选取筛选条件，对有特殊要求的产品根据下文的选择准则进行调整。
表1温度循环筛选基线条件
应力类型
应力参数
组装等级
确定原则
快速温度循环
二次电源
单板
单元设备级
下限温度
（℃）
-40
-40
－40
参考5.3.2
上限温度
（℃）
100
85
70
参考5.3.2
温度持续时间
（min）
30
30
60
参考5.3.3
温度变化速率
（℃/min）
15
15
15
参考5.3.4
循环次数
10
10
10
参考5.3.5
通/断电工作
不通电
不通电
通电
参考5.3.6
筛选度
0.9996
0.9993
0.9989
参考5.3.7
5.3温度循环特性分析
5.3.1诱发故障和筛选机理
当温度在上、下限温度内循环时，设备交替膨胀和收缩，使设备中产生热应力和应变。
如果某产品内部有瞬时的热梯度（温度不均匀性），或产品内部邻接材料的热膨胀系数不匹配，则这些热应力和应变将会加剧。
这种应力和应变在缺陷处最大，它起着应力集中者（“提升者”）的作用，这种循环加载使缺陷长大，最终可大到能造成结构故障并产生电故障。
例如，有裂纹的电镀通孔其周围最终完全裂开，引起开路。
热循环是使钎焊接头和印制电路板上电镀通孔等产生故障的首要原因。
温度循环激发出的主要故障模式如下：
a.使涂层、材料或线头上各种微观裂纹扩大；
b.使粘结不好的接头松弛；
c.使螺钉连接不当的接头松弛；
d.使机械张力不足的压配接头松弛；
e.使质差的钎焊接触电阻加大或造成开路；
f.粒子污染。
由于缺陷在应力条件下的失效速度远高于正常部位，因此使有缺陷的产品出故障要比使完好产品出故障所需循环次数少许多，适当地确定热应力大小，就能析出故障而不消耗使用寿命。
温度循环诸参数中，对筛选效果最有影响的是温度变化范围R、温度变化速率V以及循环次数N。
提高温度变化范围和变化速率能加强产品的热胀冷缩程度和缩短这一过程的时间，增强热应力，而循环次数的增加则能积累这种激发效应。
因此加大上述参数中任一参数的量值均有利于提高温度循环筛选效果。
缩短在上、下限温度值上的停留时间有利于缩短整个温度循环的周期，提高筛选的效率。
产品温度达到稳定的时间可以以产品中的关键部件为准，必要时要特别监测该部件的温度，以保证筛选有效和防止其损坏。
温度循环中试验箱内气流速度是关键因素，因为它直接影响到产品的温度变化速率。
产品温度变化速率一般远低于试验箱内空气温度的变化速率，提高箱内气流速度能使产品温度变化速率加大。
5.3.2温度上、下限极值选定准则
温度循环中的温度极值决定了筛选强度，温度范围（高、低温之差）表明了产品在每一个循环中经受的热应力/应变。
筛选方案设计者可通过选择最佳温度极值，使将缺陷发展为故障析出所需的循环次数最少。
选择温度极值的关键是给硬件施加适当应力以析出缺陷而又不损坏好的产品。
一般情况下，对不通电筛选可选择以下条件中较大的值：
a、在不通电的情况下可以直接选取产品的最高和最低存贮温度；
b、组成产品中组件、原材料和电子元器件的存贮温度极限，取其最差者；。
c、如果产品已进行摸底试验，那么可在高低温存贮极限范围内取20℃的安全余量进行筛选。
对通电产品，可选择以下条件中较大的值：
a、产品的最高和最低工作温度进行筛选。
b、如果产品已进行摸底试验，低温选择最低工作极限，高温可选择高温工作极限范围内取20℃的安全余量。
5.3.3上、下限温度的持续时间（温度极值下的停留时间）确定准则
受筛产品在温度箱空气温度中停留时间包括元器件（零部件）温度达到稳定所需要时间和在温度极值下浸泡所需要的时间，该时间会影响筛选持续时间和效果，从而也影响筛选费用。
由于在温度循环筛选中，最主要的激发应力是温度变化，因此高低温浸泡时间主要目的是使产品温度与空气温度到达均衡。
有以下两种选取准则：
a、当受筛产品中响应最慢的部分的温度与最终温度之差在规定值△Te（一般选择△Te=10℃）之内时，就认为实现了稳定。
不推荐把受筛产品中具有最高热惯性（最慢热响应或最大热滞后）的元、部（器）件作为确定温度稳定的部位，因为这样会要求用过多的时间来使那些不重要的大质量元、部（器）件作为确定温度稳定的部位；这样做可能使一些重要的元、部（器）件经受不到适当的热应力来析出其内部缺陷。
b、当受筛产品中响应最慢的部分的温度变化速率达到某一规定最小值时，就认为实现了稳定。
经验表明，这一准则会导致筛选持续时间太长，筛选费用太大，因此一般不采用。
5.5.4温度变化速率确定准则
温度变化速率以复杂的方式影响筛选强度，也影响筛选持续时间，从而影响筛选费用。
温度变化速率的选择取决于受筛产品特性和预期的缺陷性质。
对析出像电镀通孔这样一类结构部分的缺陷而言，高的温度变化速率预期最为有效；相反，对析出锡焊接头处的缺陷而言，低的温度变化速率和在高温下长的停留时间预期最为有效。
筛选强度不会随着温度变化速率的增加而无限增加。
温度变化速率不小于5℃/min。
这一速率是指试验箱内空气温度变化的平均速率，由于受筛产品本身的热惯性，其实际温度变化速率远低于5℃/min，具体取决于受筛产品本身的热惯性，产品在箱内的安装，风速和试验箱的能力等。
温度变化速率低于5℃/min，筛选效果将降低。
温度循环下限温度高于0℃的筛选效果不大，宁可进行长时间恒定高温筛选。
5.3.5温度循环次数（或筛选时间）选择准则
温度循环次数影响筛选的有效性和持续时间，从而影响筛选费用。
对电子设备来说，由于基本上是结构件和电子元器件组成，其失效率水平一般都在10－6/h水平，因此环境应力筛选所消耗的元器件寿命可以忽略不计，不必担心ESS持续时间对产品可靠性的影响。
选择筛选循环次数的时间需要根据筛选效果要求或时间要求确定。
5.3.6设备状态（通断电和性能测试）确定准则
筛选中是否通电和进行性能测试视具体情况而定。
从提高筛选效果出发，筛选中应尽量通电并进行性能检测。
这是因为电应力本身将受筛产品中某些缺陷加速发展成为故障；另一方面，筛选出的故障中，有50%左右的故障是在环境应力下才能发现的间歇故障，必须在筛选环境应力作用下通过通电检测才能找出来。
从可能性和经济性出发，一般在高组装级（单元或系统级）进行通电和检测，低组装级（印刷电路组件）不进行通电和检测，这是因为低组装级往往不具备检测性能的条件。
对于通断电筛选，因为通电使产品发热，会影响产品温度变化速率，所以从低温升向高温和高温保温期间，应通电并检测性能；工作时处于最大电源负载状态，高温向低温下降且达到温度稳定以前应断电。
在温度循环筛选中，在高低温温度稳定后应通断电源各三次，同时应尽量增加性能检测次数，以及时发现故障和进行修复，节省筛选时间。
5.3.7温度循环筛选度
温度循环筛选度可按公式
（1）计算：
SS=1-exp（-0.0017（R+0.6）0.6[ln（e+v）]3N）
（1）
式中：
SS----筛选度；
R------温度变化范围（Tu-TL）℃；
e----自然对数的底；
v----温度变化速率（℃/min）;
N----循环次数。
下表是关于温度循环筛选度计算的一个自动表格。
表二筛选度计算表
图3为温度变化幅度80℃时几种温度变化速率的筛选度对比曲线。
从图中看出，温度变化速率越快，筛选度越大。
图3温度循环筛选度曲线
5.3.8温度箱内产品安装
受筛产品在箱内的安装，除必要的支点外，产品应被空气包围，不能直接放在箱底，也不能放在实心垫板上，以保证受筛产品四周都能直接与空气进行热交换。
受筛产品体积不能大于温度箱有效容积的1/5（不发热产品）或1/10（发热产品），受筛产品必须置于温度箱的有效容积内。
一台产品进行筛选时，尽量置于试验箱中央，多台产品同时进行筛选时，除了其总体积不能违反上述规定外，各台产品之间应保持一定距离，以利于箱内空气的流动，保持试验箱内温度均匀。
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