一、環(huán)境應(yīng)力篩選(EnvironmentalStressScoreening)的概念及發(fā)展
1.產(chǎn)品可靠性的提出：為了使用戶滿意；降低驚人的維修費(fèi)用和產(chǎn)品成本；增加利潤(rùn)，這些都是一些難以捉摸和控制的事情。但是必須控制電子元器件性能，并集中于產(chǎn)品可靠性這一焦點(diǎn)上.
要控制產(chǎn)品的可靠性，需要了解產(chǎn)品失效的原因，分析產(chǎn)品出廠施加應(yīng)力后出現(xiàn)的故障，最終，也是最重要的是確定產(chǎn)品失效的模式，而此種失效模式是經(jīng)過(guò)常規(guī)檢驗(yàn)或試驗(yàn)不可能被發(fā)現(xiàn)的，如：參數(shù)漂移、零部件安裝不正確、安裝了錯(cuò)誤零件、虛焊、零件被污染、有缺陷的零件等。
通過(guò)ESS程序可以完善電子產(chǎn)品，大大提高其可靠性，ESS技術(shù)開(kāi)展了對(duì)產(chǎn)品失效的查找，和如何正確的完成ESS程序。
為了努力使零部件、組裝件和最后完成的裝置合格，電器制造廠商已寄希望于一致強(qiáng)調(diào)的可靠性上，使可靠性被認(rèn)為是產(chǎn)品性能中的一個(gè)最重要參數(shù)。
這是因?yàn)楸M管有很好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并通過(guò)認(rèn)可的成熟的工藝來(lái)制造，產(chǎn)品也有可98失效，大多數(shù)失效不會(huì)超出三種類(lèi)型，即：有缺陷的零部件、制造工藝錯(cuò)誤和有工藝應(yīng)力，這些將帶來(lái)潛在的缺陷，而此種缺陷通過(guò)常規(guī)的試驗(yàn)不易出現(xiàn)，也不易鑒別，但是，隨著使用的增長(zhǎng)，可能使產(chǎn)品突然失效
根據(jù)產(chǎn)品累積失效的數(shù)據(jù)表明：潛在缺陷會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品早期失效，當(dāng)產(chǎn)品超過(guò)早期失效階段，通常就是可靠的，如圖A所示的產(chǎn)品典型壽命周期曲線，通常表示為一浴盆曲線。
由圖可看出，產(chǎn)品壽命分為三段，即：早期，有效壽命期和損壞期。
產(chǎn)品初期使用階段故障率高，可靠性差，因而控制產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵因素是保證產(chǎn)品銷(xiāo)售到用戶前已通過(guò)初期階段，或者說(shuō)，需要建立某種試驗(yàn)程序，使產(chǎn)品失效率高的初期階段在廠內(nèi)完成，從而保證用戶得到的是令其滿意的可靠的產(chǎn)品。這就引出了環(huán)境應(yīng)力篩選的概念。
2.ESS是什么?
環(huán)境應(yīng)力篩選(Ess)的意義就是篩選產(chǎn)品，把通過(guò)不能用常規(guī)檢驗(yàn)或試驗(yàn)的方法，或肉眼檢驗(yàn)或電氣試驗(yàn)方法查出的缺陷，暴露出來(lái)，這些有缺陷的零部件與其制造工藝或工藝技術(shù)有關(guān)，并大量分布在早期失效區(qū)域。
經(jīng)過(guò)一個(gè)ESS程序，使某類(lèi)產(chǎn)品100％的進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力激勵(lì)，并預(yù)行確定試驗(yàn)時(shí)間，強(qiáng)制有缺的產(chǎn)品失效在廠內(nèi)發(fā)生。
要了解ESS最重要的是在程序內(nèi)，失效產(chǎn)品被檢查出來(lái)是正常的和不可避免的，在此意義上，ESS與常規(guī)檢驗(yàn)根本不同，常規(guī)檢驗(yàn)要求100％合格。
同樣重要的是ESS不是簡(jiǎn)單的增大試驗(yàn)階段的強(qiáng)度和可能的破壞應(yīng)力于產(chǎn)品上，事實(shí)上，它完全不是一種常規(guī)試驗(yàn)，而是用于提高產(chǎn)品可靠性的一種方案，一種手段，而常規(guī)的試驗(yàn)卻不能。
以下兩個(gè)重要的因素是正確實(shí)現(xiàn)ESS的關(guān)鍵：
1）應(yīng)力最佳水平必須適合于強(qiáng)制產(chǎn)品的缺陷變?yōu)槭В?
2）應(yīng)力環(huán)境必須不超過(guò)產(chǎn)品電氣和機(jī)械性能的極限，強(qiáng)制應(yīng)力不應(yīng)使無(wú)缺陷的產(chǎn)品失效或減少產(chǎn)品的有效壽命。
ESS是一種高效的提高產(chǎn)品可靠性的工具，它將給企業(yè)帶來(lái)以下利益：
1）減少維修費(fèi)用；
2）淘汰無(wú)效的篩選方法，使有缺陷產(chǎn)品被篩選出來(lái)；
3）較早檢測(cè)出設(shè)計(jì)和制造工藝中的毛?。?
4）保證產(chǎn)品可靠；
5）增加產(chǎn)品價(jià)值；
6）保證用戶滿意。
3.ESS的發(fā)展
在第二次大戰(zhàn)期間，受軍事的驅(qū)駛，環(huán)境試驗(yàn)已成為重要的試驗(yàn)，由于武器激增，飛機(jī)通訊等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要的費(fèi)用高，且時(shí)間長(zhǎng)，于是發(fā)展了環(huán)境模擬技術(shù)，在一個(gè)隔熱試驗(yàn)箱內(nèi)，對(duì)產(chǎn)品作溫度、濕度、高度等模擬試驗(yàn)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)，在制造階段以檢查產(chǎn)品的制造工藝以保證設(shè)計(jì)的一致性。
戰(zhàn)后，電子技術(shù)逐步發(fā)展，產(chǎn)品尺寸減小，復(fù)雜性增加，更需要好的生產(chǎn)工藝和組裝程序，從產(chǎn)品累積失效的資料分析，發(fā)展許多不可預(yù)見(jiàn)的因素包含在零部件中，設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、加工工藝都可成為失效的原因，且失效多發(fā)生在產(chǎn)品使用的初期階段，故確定試驗(yàn)方法應(yīng)模擬產(chǎn)品初期階段，并提出措施。
通過(guò)對(duì)產(chǎn)品早期階段的試驗(yàn)中，提出了對(duì)產(chǎn)品延長(zhǎng)加載時(shí)間的方法，如老化試驗(yàn)，高溫工藝，許多人都相信，對(duì)使產(chǎn)品早期突然失效，某種應(yīng)力會(huì)有加大的效果。
老化試驗(yàn)使產(chǎn)品有較小數(shù)量的早期失效是成功的，但不足以大大地改變失效串范圍，此外，老化消耗時(shí)間長(zhǎng)，使生產(chǎn)速度慢，產(chǎn)品費(fèi)用增加并延誤交貨時(shí)間。
為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)軍工部門(mén)推薦了環(huán)境模擬試驗(yàn)的新裝置，軍事要求產(chǎn)品能用在多變的環(huán)境下，暴露在環(huán)境參數(shù)周期變化中。例如：噴氣機(jī)從沙漠跑道爬高到高空，將在短時(shí)間內(nèi)暴露于顯著的溫度變化中，靜止不變的環(huán)境參數(shù)，如老化，不能提供此種模擬。于是，一種綜合環(huán)境模擬型式被推出，如：早期的溫度循環(huán)加低頻機(jī)械振動(dòng)。模擬試驗(yàn)的基本原則：產(chǎn)品暴露的環(huán)境要相似于實(shí)際使用的環(huán)境，模擬試驗(yàn)產(chǎn)生一些重要結(jié)果：
首先，一定數(shù)量的產(chǎn)品能在恒定溫度應(yīng)力下正常工作，但在遭受多次溫度循環(huán)后就要失效。這就是溫度循環(huán)程序，它是ESS理論的基礎(chǔ)。其次，與熱老化比較，失效數(shù)大大增加，特別是失效型式將可能在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)才發(fā)現(xiàn)。最后，溫度循環(huán)使產(chǎn)品突然失效的時(shí)間很短。溫度循環(huán)試驗(yàn)通過(guò)溫度變化顯然產(chǎn)生了一種應(yīng)力，使事先未檢查出來(lái)的產(chǎn)品潛在缺陷暴露出來(lái)了。
從以上發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生了ESS基本原理，這門(mén)學(xué)科與通常試驗(yàn)方法的區(qū)別終于使人們弄明白，環(huán)境試驗(yàn)要用于確認(rèn)設(shè)計(jì)，而環(huán)境應(yīng)力篩選則用于考核產(chǎn)品的零部件、材料和制造工藝的失效性。
美國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)(IES)開(kāi)展了ESS的全面研究工作，其出版的(電子元器件的電學(xué)應(yīng)力篩選)(ESSEH)，提供了一些通用的ESS應(yīng)用指南。隨后，IES發(fā)表的論文和其它資料，提供了更加有力的論據(jù)，說(shuō)明ESS是一個(gè)提高產(chǎn)品可靠性非常成功的方法。
4.可能對(duì)ESS產(chǎn)生的誤解：
1）ESS是一種試驗(yàn)：ESS不是一種試驗(yàn)，它不是企圖確認(rèn)設(shè)計(jì)，確認(rèn)設(shè)計(jì)要求一個(gè)無(wú)失效的模擬程序。ESS是一個(gè)篩選程序，需要暴露產(chǎn)品潛在的缺陷，以及可能發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)的其它性質(zhì)的失效。
2）ESS與老化試驗(yàn)是一樣的：ESS是從老化理論發(fā)展起來(lái)的，但它是一個(gè)有顯著優(yōu)點(diǎn)的程序，老化是使產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間受恒定溫度的作用，而ESS是一個(gè)加速程序，即在預(yù)先確定的環(huán)境溫度之間，使產(chǎn)品承受多次的循環(huán)應(yīng)力。
3）ESS就是隨機(jī)抽樣：ESS要求100％的產(chǎn)品作暴露試驗(yàn)，而不能隨機(jī)抽樣，因?yàn)楫a(chǎn)品潛在的缺陷特性是隨機(jī)的，將所有產(chǎn)品進(jìn)行篩選是唯一辦法，以保證篩選程序的有效性。
4）ESS可用于確認(rèn)設(shè)計(jì)：僅管ESS可能有時(shí)暴露一個(gè)不合理的設(shè)計(jì)，但它的意圖是不同的。設(shè)計(jì)有效性用環(huán)境模擬和實(shí)驗(yàn)室分析去確定，即當(dāng)產(chǎn)品用在不超過(guò)規(guī)定的環(huán)境下，產(chǎn)品是否有效。而ESS則不同，為了達(dá)到暴露產(chǎn)品潛在缺陷的目的，對(duì)其施以最大容許的激勵(lì)，強(qiáng)制潛在缺陷失效，并從失效數(shù)據(jù)中分析零、部件及產(chǎn)品失效的模式，是工藝缺陷還是設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。這與模擬試驗(yàn)的任務(wù)是完全不同的。
5）ESS無(wú)需失效：ESS是用以強(qiáng)制發(fā)生最適當(dāng)?shù)氖?，這些失效在產(chǎn)品正常使用情況下都會(huì)發(fā)生，ESS基于某種產(chǎn)品的模擬性而確定最大允許加載應(yīng)力，無(wú)缺陷的產(chǎn)品能吸收而不影響其使用壽命，絕大多數(shù)有潛在缺陷的產(chǎn)品將失效，并在出廠前在廠內(nèi)檢查出來(lái)。
6）ESS是昂貴的：ESS程序雖然要花去一些經(jīng)贊和時(shí)間，但是，由于可大大減少維修費(fèi)用，三包費(fèi)用，提高產(chǎn)品的價(jià)值，增大市場(chǎng)占有份額，其綜合效益是非常明顯的，ESS提供的方法，是理想的使用產(chǎn)品維修費(fèi)降到最低點(diǎn)的方法。
二.ESS的型式
ESS使產(chǎn)品暴露在一種或多種應(yīng)力環(huán)境中，如溫度循環(huán)、振動(dòng)、高溫、電、熱沖擊和其它。模擬的特性為應(yīng)力極限、變化速率、振幅、頻率等。對(duì)每一種產(chǎn)品必須明確持續(xù)時(shí)間。
常用的ESS型式如下：
1.溫度循環(huán)：
包含在預(yù)定極限之間多次溫度變化循環(huán)，典型的溫度循環(huán)曲線如圖B。
溫度極值與產(chǎn)品相關(guān)，必須不使無(wú)缺陷產(chǎn)品突然失效。溫度變化極限之間的差值應(yīng)足夠大，以提供最佳的應(yīng)力范圍。如果是恒定變化速率，可以縮短或延長(zhǎng)周期時(shí)間，但必須對(duì)產(chǎn)品施以足夠的影響。
ESS的溫度循環(huán)，其試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣溫度變化速率必須≥5℃/min，且試品溫度應(yīng)盡可能緊跟箱溫的變化，這樣才能對(duì)試品起到激勵(lì)作用，強(qiáng)制其潛在缺陷失效，達(dá)到ESS的目的。
一般的高低溫試驗(yàn)箱，由于溫度變化速率<5℃/min，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，因此產(chǎn)品的溫度化速率太小，或跟不上箱溫的變化，無(wú)法用于ESS。如圖C：
作為ESS溫度循環(huán)的試驗(yàn)箱，試品溫度應(yīng)緊跟＞5℃／min的箱溫變化。如圖D所示，在達(dá)到高、低溫的恒定段時(shí)間，對(duì)試品應(yīng)力影響不大，為了提高篩選效率，許多廠家縮短了恒定時(shí)間，所以作為ESS的溫度循環(huán)試驗(yàn)箱需作用專(zhuān)門(mén)的設(shè)汁，屬另一類(lèi)品種，而絕非普通的高低溫試驗(yàn)箱。
在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，風(fēng)速有決定性的直接影響，圖G說(shuō)明，在同一箱內(nèi)空氣溫度循環(huán)變化下，不同風(fēng)速，試品的溫度變化曲線是不一樣的，風(fēng)速低試品溫度變化慢，只有較小的應(yīng)力施加于試品，風(fēng)速高試品溫度變化快，使試品溫度較好的接近箱內(nèi)空氣溫度，從而承受了較高的應(yīng)力。
最佳風(fēng)速的大小與試品有關(guān)，在某種風(fēng)速下可獲得最大的熱交換，超過(guò)此風(fēng)速可能得到相反的效果，對(duì)于一種特定的試品，正確的風(fēng)速和風(fēng)向可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。
2、隨機(jī)振動(dòng)
用隨機(jī)振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行篩選與其它ESS型式比較需時(shí)較短，對(duì)暴露產(chǎn)品的機(jī)械缺陷特別有效，如脫焊、虛焊等。
隨機(jī)振動(dòng)費(fèi)用太貴，僅管如此，仍被認(rèn)為比其它振動(dòng)型式更好，并經(jīng)常采用，如果費(fèi)用允許，可與溫度循環(huán)一起進(jìn)行篩選。
3、高溫老化
這個(gè)篩選程序通常是靜態(tài)的，使產(chǎn)品承受預(yù)定時(shí)間提高了的溫度，相信產(chǎn)品在連續(xù)工作，和施加的熱能下，可強(qiáng)制出現(xiàn)早期失效。現(xiàn)在的研究說(shuō)明，高溫老化效果比溫度循環(huán)差得多。
4、電應(yīng)力
用于電路系統(tǒng)的篩選，有兩種基本型式：1)周期通電；2)擴(kuò)大電壓范圍，包括輸人變化的電壓，用電應(yīng)力篩選比較省錢(qián)，與其它型式篩選一起可增加整個(gè)篩選的有效性，同時(shí)為了尋找模糊不清的失效，對(duì)產(chǎn)品通電也是必需的。
5、熱沖擊
使產(chǎn)品暴露在急劇的溫度極限，常用快速方式，即；產(chǎn)品按時(shí)間程序不斷循環(huán)移動(dòng)一不論是機(jī)械的還是動(dòng)手的，從極端熱環(huán)境到極端冷環(huán)境，通常認(rèn)為，對(duì)篩選零、部件、組裝件的缺陷熱沖擊是有效的。
6、固定頻率的正弦振動(dòng)
此種型式的振動(dòng)，通常用一種頻率60HZ以上的機(jī)械振動(dòng)臺(tái)，與隨機(jī)振動(dòng)相比費(fèi)用少且易于控制，但常被認(rèn)為沒(méi)有提供有效水平，
7、低溫
相似于高溫篩選的概念，其原理是：失效是由于產(chǎn)品受熱后又置于冷環(huán)境，使其強(qiáng)制收縮而發(fā)生的。
8、正弦振動(dòng)、擺動(dòng)頻率
通常需要頻率范圍在500Hz以上的液壓振動(dòng)臺(tái)，此種振動(dòng)與固定頻率相比，其綜合效能是相似的。
9、綜合環(huán)境
按產(chǎn)品的復(fù)雜性、價(jià)值或可靠性規(guī)程，環(huán)境應(yīng)力篩選型式可以相互組合。例如：溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)常常綜合在一個(gè)ESS程序內(nèi)，但費(fèi)用昂貴。如果兩種篩選順序進(jìn)行則費(fèi)用較低，因?yàn)榻档土藢?duì)篩選設(shè)備的要求。
在上述ESS型式中，普遍的意見(jiàn)認(rèn)為溫度循環(huán)是最有效的方式。
總之，所用ESS型式和如何施加應(yīng)力，完全決定于什么應(yīng)力將在某特定產(chǎn)品中，在最時(shí)間內(nèi)，使有缺陷的產(chǎn)品最大數(shù)量的失效。
三、溫度循環(huán)是ESS最有效的方式
根據(jù)美國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)(1E5)等單位的研究資料，斷定溫度循環(huán)是篩選最有效的型式，如圖E所示，不同的ESS程序之間，篩選有效性的排列次序。
從圖中可以看出，溫度變化循環(huán)是最有效性別潛在缺陷的篩選型式。其次是隨機(jī)振動(dòng)，其發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效數(shù)約為溫度循環(huán)的2／3多。
其次，溫度循環(huán)對(duì)產(chǎn)品加載應(yīng)力均勻，每一產(chǎn)品都承受相同的應(yīng)力，應(yīng)力均勻性也較易控制，在執(zhí)行程序或修改程序方面有較大的靈活性。
最后，溫度循環(huán)的篩選時(shí)間較大多數(shù)其它型式短,(與其它型式強(qiáng)制最大數(shù)量缺陷失效的時(shí)間比較)
溫度循環(huán)應(yīng)遵循以下三個(gè)基本原則；
第一，溫度極限的溫差盡可能大，而不管產(chǎn)品預(yù)定的使用極限，只要產(chǎn)品不引起不必要的危險(xiǎn)。
第二，在溫度極限之間的變化速率必須盡可能快，通常大于或等于5℃/min，以產(chǎn)生最佳應(yīng)力水平，且多次循環(huán)而不危害無(wú)缺陷產(chǎn)品，圖F表示出不同變化速率對(duì)篩選強(qiáng)度的影響。
第三，產(chǎn)品溫度必須緊跟箱內(nèi)的溫度，這可以通過(guò)提高產(chǎn)品周?chē)娘L(fēng)速來(lái)達(dá)到。圖G顯示，在不同風(fēng)速下產(chǎn)品溫度變化的快慢不同，當(dāng)風(fēng)速增大，產(chǎn)品的溫度變化就加快，較快的濕度變化使產(chǎn)品產(chǎn)生較大的應(yīng)力，因此就可更快的強(qiáng)制潛在缺陷失效。
具體地說(shuō)，確定一個(gè)有效的溫度循環(huán)篩選曲線，應(yīng)從以下幾點(diǎn)著手：
（1）高溫和低溫極限之間的溫差應(yīng)大于或等于100℃；
（2）產(chǎn)品溫度變化速率大于或等于5℃/min；
（3）產(chǎn)品上的風(fēng)速約3.8m/s;
（4）確保引起產(chǎn)品缺陷失效的足夠循環(huán)周期。
