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技術文章

ESS-環境應力篩選介紹
ESS-環境應力篩選介紹
                  一、概念                
                  環境應力篩選(Environment Stress
                  Screen,ESS)是一種工藝手段，是通過向電子產品施加合理的環境應力和電應力，將其內部的潛在缺陷加速變成故障，并通過檢驗發現和排除故障的過程。
                  ESS旨在激發并排除早期故障，使產品的可靠性接近設計的固有可靠性水平。應力水平以能激發出缺陷但不損壞產品為原則。ESS分為常規篩選和定量篩選。目前國內僅廣泛開展常規篩選。
                  ESS的對象為元器件和各個組裝等級，
                  二、 典型篩選應力
                  各類典型篩選應力的強度及費用如下表所列。
                  表1 典型篩選應力強度及費用對比
                  應力類型 應力強度 費用
                  溫度 恒定高溫 低 低
                  溫度循環 慢速溫變 較高 較高
                  快速溫變 高 高
                  溫度沖擊 較高 適中
                  振動 正弦掃頻 較低 適中
                  隨機振動 高 高
                  綜合 溫度循環與隨機振動 高 很高
                  下面簡單介紹以上幾種典型篩選應力并比較其篩選效果。
                  1. 恒定高溫
                  也稱為高溫老化，使產品在規定高溫下連續不斷地工作，激發出早期故障。篩選方法要根據受篩產品是否發熱制定。該篩選廣泛應用于元器件的篩選，不適用于組件級（印制線路板、單元或系統）篩選。篩選效果遠低于溫度循環。
                  2. 溫度循環
                  影響篩選結果的主要參數為溫度變化范圍、溫度變化速率及循環次數。通常適用于組件級篩選。篩選溫度時間歷程考慮受篩產品通電和不通電兩種情況。激發的故障模式主要有：
                  a) 使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴大。
                  b) 使粘結不好的接頭松弛。
                  c) 使螺釘連接或鉚接不當的接頭松弛。
                  d) 使機械張力不足的壓配接頭松弛。
                  e) 使質量差的釬焊接觸電阻加大或造成開路。
                  f) 粒子污染。
                  3. 溫度沖擊
                  影響篩選結果的主要參數為溫度變化速率、溫度轉換時間及溫度沖擊循環次數。因其溫度變化率較高，產生的熱應力較大，是篩選元器件，尤其是集成電路器件的有效方法。用于組裝等級時要注意其可能造成的附加損壞。篩選效果類似于溫度循環。激發的故障模式類似于溫度循環。
                  4. 正弦掃頻
                  在一定時間段內依次對產品內需要重點篩選的元部件的共振頻率進行激勵，產生共振。篩選效果較隨機振動低。激發的故障模式主要有：
                  a) 結構部件、引線或元件接頭產生疲勞，特別是導線上有裂紋或類似缺陷的情況下。
                  b) 電纜磨損。
                  c) 螺釘接頭松弛。
                  d) 安裝加工不當的集成電路片離開插座。
                  e) 匯流條及連到電路板上的釬焊接頭受到高應力，引起釬焊薄弱點故障。
                  f) 與可作相對運動的部件橋形連接的元器件引線因沒有充分消除應力而造成損壞。
                  g) 已受損或安裝不當的脆性絕緣材料出現裂紋。
                  5. 隨機振動
                  在很寬的頻率范圍上對產品施加振動，產品在不同的頻率上同時受到應力，使產品的許多共振點同時受到激勵。篩選效果大大增強，篩選持續時間也減少到正弦掃頻的1/3-1/5。激發的故障模式與正弦掃頻的相同，但能激發的故障機理更復雜，激發故障的速度更快。
                  6. 篩選效果對比
                  a) 振動應力對于激發如松弛、碎屑和固定不緊的工藝缺陷更為有效。一般說來，發現缺陷中約20%是對振動響應的結果。
                  b) 溫度循環對于發現參數漂移、污染之類的元器件缺陷更為有效。一般說來，發現缺陷中約80%是對溫度響應的結果。
                  三、 針對不同組裝等級的ESS
                  根據圖1可知，組裝等級分為組件級、單元級和系統（設備）級。下面介紹組件級和單元級的優缺點及可篩選出的主要缺陷。
                  1. 組件級
                  優點：尺寸小，不通電測試，成本低；熱慣性小，溫度變化率較高；能進行比單元級的溫度變化幅度更大的篩選，篩選效率高。
                  缺點：不通電導致尋找故障效率低；如要通電檢測，則需專門測試設備，成本將增加；無法篩選單元級、系統級引入的缺陷。
                  缺陷：漏檢的元器件缺陷；元器件和電路板焊接點分離；焊接缺陷；參數漂移、超出容差。
                  2. 單元級及以上組裝級
                  優點：因為不需要專門設計檢測系統，篩選期間易進行通電和檢測，檢測效率高；單元中各級間的接口也能得到篩選；能篩選出各種類型的潛在缺陷；能發現某些設計缺陷。
                  缺點：熱慣性大，溫度變化速率小，溫度循環時間需加長；要考慮多種元部件的溫度極限，篩選溫度變化幅度減小，篩選率降低；成本高。
                  缺陷：組件級的連接缺陷；導線連接缺陷；輸入/輸出連接缺陷；單元內部電纜缺陷；組裝中使用了以前未經篩選組件（如采購的組件等）引入的缺陷。
                  小結：理論上應當對各個組裝等級進行逐級ESS，實際工作中則要權衡技術和成本等各方面因素，結合產品確定最佳的篩選方案。如果根據產品使用情況和其他試驗信息得知故障主要出現在某一組裝等級，則可僅針對該組裝等級進行ESS。通常較為實用的方法是對組件進行溫度循環篩選，對單元以上等級進行隨機振動試驗。
                  四、 主要工作
                  ESS是提高批產品可靠性的重要工序，是進行其他可靠性試驗的前提條件。后續工作如下。
                  1. 對需篩選產品的各類故障信息進行統計分析，盡可能確定故障主要出現的組裝等級。故障信息主要包括：
                  1) 研制階段的故障信息，特別是故障類型分布和數量，以及故障所在部位的信息。
                  2) 各類試驗，如性能試驗、環境試驗、可靠性試驗等中的故障信息。
                  3) 產品使用過程中的故障信息。
                  2.收集受篩選產品對溫度和振動響應的特征信息，主要包括產品中各重要元器件的熱點、溫度穩定時間、產品的共振點、產品中振動響應最大的部位等。
                  3. 收集產品使用的元器件和其他外構件質量水平信息。主要包括出廠前是否進行ESS、批生產采用的ESS篩選應力等。
                  4. 根據以上收集到的信息進行評估分析，權衡ESS效果、試驗設備能力及成本等因素，初步設計ESS大綱。
                  5. 按規定的設計準則對大綱進行適當調整，并根據實際情況實時調整，使ESS更為經濟有效。

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