环境应力筛选方案设计——昆山丹泊仪器

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环境应力筛选试验方案的设计

4.1  设计原则

    环境应力筛选试验方案的设计原则是:使筛选应力能激发出由于潜在设计缺陷、制造缺陷、元器件缺陷引起的故障;所施加的应力不必模拟产品规定的寿命剖面、任务剖面、环境剖面;在试验中,应模拟设计规定的各种工作模式。

    根据条件和是否必要来确定常规筛选或是定量筛选;根据不同阶段和产品的特征制订筛选方案。

4.1.1 研制阶段的筛选

    研制阶段一般按照经验得到的筛选方法进行常规筛选.,其主要作用是:一方面用于收集产品中可能存在的缺陷类型、数量及筛选方法效果等信息;另一方面,在可靠性增长和工程研制试验前进行了常规试验,可节省试验时间和资金;同时利于设计成熟快捷的研制试验方法。

    研制阶段的常规筛选要为生产阶段的定量筛选收集数据,为定量筛选作准备,设计定量筛选的大纲。

4.1.2 生产阶段的筛选

    生产阶段的筛选主要是实施研制阶段设计的定量筛选大纲;并通过记录缺陷析出量和设计估计值的比较,提出调整筛选和制造工艺的措施;参考结构和成熟度相似产品的定量筛选经验数据,完善或重新制订定量筛选大纲。这些经验数据主要有:

    故障率高的元器件和组件型号;故障率高的产品供货方;元器件接收检验、测试和筛选的数据;以往筛选和测试的记录;可靠性增长试验记录;其它试验记录。

4.2 设计依据

4.2.1 依据产品缺陷确定筛选应力

本实验使用的试验设备为高低温试验箱、恒温恒湿试验箱、快温变试验箱、三综合试验箱等环境试验设备。

4.2..1.1  影响产品缺陷数量的因素

    如前所述,产品在设计和制造过程引入的缺陷主要是:设计缺陷、工艺缺陷、元器件缺陷。这些缺陷可归纳为两种类型,一是固有缺陷,它是存在于产品内部的缺陷,如材料缺陷、外购元器(部)件缺陷和设计缺陷;二是诱发缺陷,它是人们在生产或修理过程中引入的缺陷,如虚焊、连接不良等。这些缺陷的可视缺陷或用常规检测手段便可发现缺陷,可在生产中被排除;除此之外的缺陷便成为潜在缺陷,构成装备的早期故障根源。装备的早期故障一般要经过100小时以内的工作才能暴露,从而被排除。

    影响产品缺陷数量的主要因素有:

    产品的复杂程度。产品越复杂,包含的元器件类型和数量越多、接头类型和数量越多,则设计和装焊的难度越大,设计制造中引入缺陷的可能性越大。同时也增加环境防护设计的难度。

    元器件质量水平。元器件质量水平是装备缺陷的主要来源,元器件质量水平包括质量等级和缺陷率指标两个方面,后者用PPM表示,一般生产厂要在说明书中表示。这是定量筛选方案设计的重要依据。

    组装密度。组装密度高,元器件排列拥挤,装焊操作难度大,易碰伤元器件,工作中散热条件差,易引入工艺缺陷和使缺陷加速扩大。

    设计和工艺成熟程度。设计和工艺的成熟程度的提高,可以大大地减少产品的设计缺陷和工艺缺陷的种类及其数量。一般,在研制阶段,在结构设计定型之前,设计缺陷占主导地位;在生产阶段,设计缺陷减少,元器件缺陷和工艺缺陷比例增加,并且随着设计的改进和工艺的不断成熟,元器件缺陷将占主导地位。

    制造过程控制。制造过程控制主要是质量控制,包括采用先进的工艺质量控制标准和管理制度,管理控制得越严格,引入缺陷的机会就越少。

4.2.1.2 环境应力对缺陷的影响

    现场环境应力是影响缺陷发展成故障的主要因素。任何缺陷发展成为故障都需要受到一定强度应力经过一定时间的作用,产品只有受到能产生等于或大于阈值的环境应力才能使某些缺陷变为故障;在某些温和的环境应力中,许多缺陷不会发展为故障。因此,只有选择能暴露某些缺陷的应力作为筛选的条件,才能达到筛选的目的。常用的应力所能发现的典型缺陷见表2-4-1。据统计,温度应力可筛选出80%的缺陷,振动应力可筛选出20%左右的缺陷。

 

表2-4-1  常用应力能发现的典型缺陷

温度循环应力

振动应力

温度加振动应力

元器件参数漂移

电路板开路、短路

粒子污染

焊接缺陷

压紧导线磨损

硬件松脱

 

晶体缺陷

 

元器件安装不当

混装

元器件缺陷

错用元器件

邻近板摩擦

紧固件问题

密封失效

相邻元器件短路

元器件破损

 

导线松脱

电路板蚀刻缺陷

导线束端头缺陷

元器件粘接不良

 

夹接不当

机械性缺陷

 
 

大质量元器件紧固不当

 

4.2.2  根据缺陷分布确定筛选等级

4.2.2.1 缺陷分布

缺陷在装备研制生产的不同阶段的类别和分布是变化的,因此在制定筛选大纲时要根据产品缺陷的分布确定筛选等级。在研制阶段,设计缺陷的比例最大;在生产初期,设计缺陷比例下降,工艺缺陷比例增加,占最大比例;在生产成熟阶段,设计和工艺趋于成熟,个人操作熟练,元器件缺陷比例变得最大,此时设计缺陷一般只占5%以下,工艺缺陷在30%以下,而元器件缺陷可占60%以上。表2-4-2是不同装备在单元或模块组装等级进行环境应力筛选暴露的缺陷比例,反映了缺陷的分布情况,可作参考。

表2-4-2  各种产品筛选的缺陷比例

硬件类型

筛选组装等级

温度筛选故障%

振动筛选故障%

飞机发电机

单元

55

45

计算机电源

单元

88

12

航空设备计算机

单元

87

13

舰载计算机

单元

93

7

接收处理机

单元

71

29

惯性导航装置

单元

77

23

接收系统

单元

87

13

机载计算机

模块

87

13

控制指示器

单元

78

27

接收、发射机

模块

74

26

平均

综合

79

21

4.2.2.2  筛选组装等级的选择

    为了保证基本消除装备的早期故障,最好在各个装配等级上都安排环境应力筛选。任何筛选都不可能代替高一装配等级上的筛选。而任何高一级的筛选虽然可以代替低一级的筛选,但筛选效率会降低,筛选成本要提高。一般装备分成设备或系统级(包括电缆和采购的单元)、单元级(包括采购的组件和布线)、组件级(包括印制电路板和布线)、元器件等4个级别。据经验介绍,对元器件的筛选成本需要1~5个货币单位的话,组件级筛选则需要30~50货币单位,单元级需要250~500货币单位,设备或系统级需要500~1000货币单位。

    根据多数单位的情况来看,设计筛选取组件级及以下和取单元级及以上的较多。

    从综合的角度来看,组件级筛选的优点是:每检出一个缺陷的成本低,尺寸小、不通电可进行成批筛选、效率高;组件的热惯性低,可进行更高温度变化率的筛选,筛选效率提高。其缺点是:由于不通电,难以检测性能,筛选寻找故障的效率低;如果改成通电筛选检测,需要专门设计设备,成本高;不能筛选出该组装等级以上的组装引入的缺陷。

    单元级以上的筛选优点是:筛选过程易于安排通电监测,检测效率高;通常不用专门设计检测设备;单元中各组件的接口部分也得到筛选,能筛选各组件级引入的潜在缺陷。其缺点是:由于热惯性较大,温度变化速率不能大,温度循环时间需要加长;单元级包含了各种元部件,温度变化范围较小,会降低筛选效率;每检出一个缺陷的成本高。

4.2.3 根据检测效率确定定量筛选目标

    检测效率是环境应力筛选工作的重要因素。给产品施加应力把潜在缺陷变成明显的故障后,能否准确定位和消除,就要取决于检测手段及其能力。当选择在较高组装等级进行筛选时,有可能利用较现成的测试系统或机内检测系统;在选择高组装级筛选时,能准确地模拟各种功能接口,也便于规定合理的验收准则,容易实现高效率的检测,提高检测效率。表2-4-3列出了不同组装等级情况的检测效率,表2-4-4列出了各种测试系统的检测效率范围,可用于计算析出量的估计值。需要指出的是,综合利用各种检测系统能提高检测效率。

表2-4-3  不同组装等级情况的检测效率

组装等级

测试方式

检测效率

组件

生产线工序间合格测试

0.85

组件

生产线电路测试

0.90

组件

高性能自动测试

0.95

单元

性能合格鉴定测试

0.90

单元

工厂检测测试

0.95

单元

最终验收测试

0.98

系统

在线性能监测测试

0.90

系统

工厂检测测试

0.95

系统

定购方最终验收测试

0.99

表2-4-4  不同测试系统检测效率范围(%)

电 路

类 型

负载板短路测试

(LBS)

电路分析仪

(ICT)

电路测试仪

(ICT)

功能板测试仪

(FBT)

数字式

45~65

50~75

85~94

90~98

模拟式

35~55

70~2

90~96

80~90

混合式

40~0

60~0

87~94

83~95

4.2.4  元器件缺陷率的确定

    确定环境应力筛选的定量目标必须确定产品的元器件缺陷率。可以按以下方法确定元器件缺陷率。

4.2.4.1 查表法

    国产元器件由GJB299《电子设备可靠性预计手册》规定质量等级,当产品选定某个等级的元器件后,按照使用环境条件,可以从GJB/Z34《电子产品定量环境应力筛选指南》的附录A的相应表中查得不同质量等级、不同使用环境的各种电子元器件的缺陷率数据(以PPM表示)。进口元器件问题较复杂,我们不可能查得每一个国家每一种元器件的缺陷率,只能参考美国MIL-HDBK-217E查出质量等级,然后从GJB/Z34中查出进口元器件的缺陷率。

4.2.4.2 试验验证法

    当所用的元器件质量等级无法从手册中查得缺陷率数据时,可根据GJB/Z34《电子产品定量环境应力筛选指南》提供的方法对元器件进行抽样筛选,处理试验数据获得该元器件的缺陷率。

4.2.4.3 推算法

    当具备足够的失效率、缺陷率、环境系数、质量系数等数据时,可以按照以下步骤推算同类元器件在同种环境中其它质量等级下的缺陷率。

4.2.4.3.1 根据质量系数推算同类元器件在同种环境中其它质量等级下的缺陷率

    a) 基本信息

    某类元器件的缺陷率DP ,包括在生产厂发现的缺陷率DPF和在现场使用中发现的缺陷率DPU,即DP=DPF+DPU,用PPM表示。

    已知缺陷率和质量等级的元器件的质量系数πQ1和未知质量等级的缺陷率元器件的系数πQ2

    b) 计算公式

    失效率与质量系数成正比的元器件,其缺陷率为

        DPC=(πQ2/ πQ1 )×DPO =(πQ2/ πQ1 )×(Dpfo+Dpuo)      (2-4-1)

式中: DPC——要计算的缺陷率,PPM;

       DPO——已知质量等级元器件的总缺陷率,PPM;

       πQ1——已知质量等级元器件的质量系数,可从有关标准中查得;

       πQ2——要计算其缺陷率的质量等级元器件的质量系数,可从有关标准查得;

       Dpfo——已知质量等级元器件工厂缺陷率,PPM;

       Dpuo——已知质量等级元器件现场使用中发现的缺陷率,PPM。

    c) 示例

    已知:某进口晶体管的质量等级为JAN级,缺陷率为D P(JAN)=346PPM;求取:质量等级为JANTX进口晶体管的缺陷率。

    步骤:从有关标准查得:

        πQ(JΑΝ)=1.2

        πQ(JΑΝTX)=2.4

        按式(2-4-1)计算

             DP(JANTX)=(πQ(JANTX)/ πQ(JAN))×DP(JAN)

                  =(0.24/1.2)×346

                  =69.2    (PPM)

 4.2.4.3.2  根据环境系数推算同类元器件同一质量等级在其它环境中的缺陷率

    其一:失效率与环境系数成正比的元器件

    a) 基本信息

    某质量等级的元器件在给定环境中的缺陷率DP,包括在生产中发现的缺陷率DPf和现场使用环境中的缺陷率DPU,在生产中发现的缺陷率实际上就是地面固定环境(GF)的缺陷率。

    给定环境的相应环境系数πE1

    求取缺陷率所处环境相应的环境系数πE2

    b) 计算公式

         DPC=Dpf+(πE2/ πE1 )×Dpu         (2-4-2)           

式中:DPC——要计算的缺陷率,PPM;

      Dpf——已知的在工厂的缺陷率,PPM;

      Dpu——已知的在使用现场的缺陷率,PPM;

      πE1——已知缺陷率所在环境的环境系数,可从有关标准查得;

      πE2——要计算的缺陷率所在环境的环境系数,可从有关标准查得。

    c) 示例

    已知:进口的质量等级为JAN的晶体管在地面固定环境(GF)中的缺陷率为346PPM,其中工厂缺陷率为60PPM,使用环境缺陷率为286PPM;

    求取:该等级晶体管在地面移动环境(GM)中的缺陷率。

    步骤:从有关标准查得两种环境的环境系数:

        πE1E(GF)=5.3

        πE2E(GM)=18

   应用公式(2-4-2)计算:

         DPC=Dpf+(πE2/ πE1 )×Dpu

                    =60+(18/5.3)×286

           =60+971

           =1031         (PPM)

    其二:失效率与环境系数不成正比的元器件,以半导体集成电路为主

    a) 基本信息:

    半导体集成电路的质量等级;半导体集成电路的总量;半导体集成电路工厂缺陷率,PPM;半导体集成电路现场工作小时数;半导体集成电路现场失效率。

    b)  确定失效率模型

    半导体集成电路失效模型为:

        λPQ×[C1×πT×πV×πPT+(C2+C3)×πE]×πL                    (2-4-3)

式中:λP——工作失效率;

      πQ——质量系数;

      πT——温度应力系数;

      πV——电应力系数;

      πE——环境系数;

      C1,C2——电路复杂度失效率;

      C3——封装复杂度失效率;

      πL——器材成熟系数;

      πPT可编程工艺系数,除可编程序的只读存储器外,其余为一。

    可根据半导体集成电路的质量系数和有关技术,确定πE、πQ、πT、πV、πPT和C1,把它们和已知的现场失效率数据一并代入式(2-4-3),可求得C1×πT×πV×πPT和C2+C3的值,并分别令其为K1、K2,式(2-4-3)简化为:

        λPQ×(K1+K2×πE)×πL                 (2-4-4)

式中:K1=C1×πT×πV×πTP

      K2=C2+C3

    c) 导出现场缺陷率计算公式

    现场缺陷率等于现场失效率与现场工作时间的乘积除以元器件总数。从基本信息可得到现场工作时间和元器件总数,再利用式(2-4-3)求得的失效率数据,就可导出缺陷率计算公式:

        DPUΡ×Τ/Ν                 (2-4-5)

 式中:DPU——现场缺陷率;

      λΡ——统计得到的工厂缺陷率;

       Τ——现场工作总时间;

       Ν——统计的元器件总数。

    令K3=T/N,合并式(2-4-3)、(2-4-4)、(2-4-5)得:

        DPU=DPf+Dpu

          =Dpf+K3×πQ×(K1+K2×πE)×π        (2-4-6)

式中: DPU——要计算的缺陷率;

      Dpf——统计得到的工厂缺陷率;

      πQ——质量系数;

      πE——环境系数;

      πL——器材成熟系数;

      K1、K2、K3——根据统计数据导出的常数。

    d) 示例

    已知:进口集成电路的质量等级为C-1,统计的集成电路数量N为624087个,统计的工厂缺陷率 Dpf为160PPM,现场总工作时间T为8580×106h,现场失效率为0.025×10-6/h;求取:该质量等级集成电路的失效率计算公式和缺陷率计算公式。

    步骤:根据有关标准确定某些值为:

    πQ=13.0    C1=0.0053    πT=0.032   πV=1.0

    πPT=1.0    πE=4.0      πL=1.0

代入式(2-4-3):λPQ×[C1×πT×πV×πPT+(C2+C3)×πE]×π有:

    0.025=13.0[(0.0053×0.032×1.0×1.0)+(C2+C3)4.0]1.0

则:C2+C3=K2=0.00044

     C1×πT×πV×πTP=K1=0.00017

    将上述数据代入式(2-4-4)得到失效率计算公式:

        λPQ×(0.00017+0.00044πE)

    现场缺陷率计算公式为:

         DPUΡ×Τ/Ν

           =λΡ×8580×106/624087

           =[πQ×(0.00017+0.00044πE)]×0.0137481

           =πQ×(2.3372+6.0492πE)×10-6

           =πQ×(2.3372+6.0492πE)    (PPM)

    总缺陷率计算公式为:

       DPU=DPf+Dpu

               =160+πQ×(2.3372+6.0492πE)    (PPM)

    用此公式可以推算其它质量等级和环境下元器件的缺陷率。

4.2.4.3 根据某元器件的缺陷率和失效率求取另一失效率已知的元器件缺陷率

    此方法的前提是:假设失效率类似的元器件,其缺陷率也类似。

    a)  基本信息

    要计算的元器件的失效率λ1;已知缺陷率为DPO的元器件的失效率λ

    b)  计算公式

        DPC=DPO×λ/ λ1                 (2-4-7)

式中:DPC——要求解的缺陷率,PPM;

      DPO——已知的缺陷率,PPM;

     λ1——已知缺陷率的元器件的失效率;

     λ2——要求解缺陷率的元器件的失效率。

    此式求解的缺陷率是指某质量等级的该类元器件在某种环境条件下的缺陷率,如果要求解的元器件是在不同环境条件和不同质量等级的缺陷率,则可用本节相应的其它方法求解。其总关系式为:

     DPC=(πQ2Q1 )[DPU×(πE2E1)+DPf]    (2-4-8)

式中:DPC——要计算的缺陷率,PPM;

     πQ1——已知缺陷率的元器件的质量系数;

     πQ2 ——要求取缺陷率的元器件的质量系数;

     DPU——已知的现场缺陷率,PPM;

     πE1——已知缺陷率的元器件的环境系数;

     πE2——要求取缺陷率的元器件的环境系数;

     DPf——已知的工厂中缺陷率,PPM。

    c)  示例

    已知:质量为M等级的进口元器件在地面固定环境中的失效率为0.00207×10-6;C-1级进口集成电路在地面固定环境的失效率为0.05123×10-6,总缺陷率为503.2PPM,工厂缺陷率为160PPM。

    求取:质量等级为M的电阻器在地面固定环境中的缺陷率。

    步骤:

        DPC=DPO×λ/ λ1

           =503.2×10-6×(0.00207×10-6/0.5123×10-6)

           =(160+343.2)×10-6×(0.00207/0.5123)

           =6.46+13.87         (PPM)

           =20.33              (PPM)

    求取其它质量等级和环境中的缺陷率公式为:

         DPC=(πQ2Q1 )[13.87×(πE2E1)+6.46]  PPM

4.2.5 依据残留缺陷密度的相关性

4.2.5.1 残留缺陷密度与平均故障间隔时间的关系

    据统计,目前良好的元器件的平均失效率在10-6/h至10-7/h之间,现场环境中由潜在缺陷造成的故障率合理范围是大于10-3/h。假定装备交付时故障率比规定的故障率λ0大10%是可接受的,且假定潜在缺陷造成的故障率λD为10-3/h,根据GJB/Z34提供的故障率与残留缺陷密度的关系式:

        DR=100λ0                       (2-4-9)

        DR=100/MTBF                     (2-4-10)

式中: DR——残留在产品中的缺陷密度;

       λ0——产品规定的故障率,1/h。

    根据该标准提供的关系式计算得的缺陷密度与MTBF的关系数据见表2-4-5。

表 2-4-5残留缺陷密度与MTBF的关系

(前提条件:λD为10-3/h,交付时允许故障率比规定的高0.1)

故障率λ0

0.1

0.01

0.005

0.002

0.001

0.0005

0.0002

0.0001

0.00001

MTBF

10

100

200

500

1000

2000

5000

10000

100000

DR

10

1

0.5

0.2

0.1

0.05

0.02

0.01

0.001

4.2.5.2  残留缺陷密度与筛选成品率的关系

    筛选成品率是指提交验收时产品中可筛选的潜在缺陷数为零的概率。其关系式为:

        Y=e -DR                                                   (2-4-11)

式中:Y——筛选成品率;

     DR——残留缺陷密度。

    置信度不同,筛选成品率的下限YL也不同,它是缺陷故障率与无故障试验时间的乘积、缺陷故障率与规定故障率的比值的函数,表2-4-6列出了置信度为90%的筛选成品率下限数据,其它参数的数据可参阅GJB/Z34。

2019年4月3日 10:33
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