筛选试验方法在产品研发过程中的应用 论文

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　　摘要： 筛选试验是保证产品质量可靠性的重要环节， 而筛选方法的选择、筛选应力的大小也对产品的质量及可靠性有着深刻的影 响， 在产品交付前正确进行筛选试验具有重大意义。阐述筛选试验的原理及目的; 介绍筛选试验的分类， 以及产品研发到生产各 阶段应对应使用的筛选试验; 介绍筛选应力的选择， 筛选应力的大小直接关系到产品的质量及可靠性。提供相关案例， 帮助相关 人员正确地选择筛选程序及方法， 为设计人员提供参考。

　　Abstract: Screening test is an important link to ensure the quality and reliability of products, and the selection of screening methods and the size of screening stress also have a profound impact on the quality and reliability of products, so the correct application of screening test before product delivery is of great significance. The principle and purpose of screening test were introduced; the classifications of screening test were introduced, and the screening test that would be used in each stage of product development to production; because the size of screening stress was directly related to the quality and reliability of the products, the selection of screening stress was introduced. Relevant cases were provided to help relevant personnel correctly choose screening procedures and methods, and provide references for designers.

　　Key words: reliability; screening; application

　　0 引言

　　产品的可靠性是设计出来的， 生产出来的。而生产 涉及到材料、工艺、设备等， 这些因素中任何因素不稳 定， 都不利于产品的可靠性。可靠性筛选就是为了剔除 由这些不稳定因素导致的低可靠性的样品。马萍[1] 针对 元器件二筛试验方案不当导致产品可靠性低的问题， 制 定元器件二筛试验方案的原则和方法。杨少华等[2] 在电 子元器件筛选试验中， 提出了环境应力筛选的加速因子 和筛选度， 为电子元器件筛选提供了参考。黄龙等[3] 针 对 SOI 电路提出了筛选方法， 同时对失效机理进行了研 究。付玉娟[4]设计了电子元器件可靠性筛选方法， 并阐 述了常用的可靠性筛选方案。王鲁宁[5] 阐述了筛选固体 钽电容的试验方案， 对出现问题的电容进行了失效分析， 从根本上提高了固体钽电容的可靠性。蒲晓明等[6] 针对 电子元器件筛选环节中无法测试电性能的问题， 重新设 计了军用电子元器件筛选流程， 并验证了采用该流程能 够取得更为准确的结果。骆燕燕等[7] 在小型断路器工作 特点、失效模式及失效机理的基础上， 提出了一种可靠 性筛选的试验方法。

　　可靠性筛选不只是在产品组件级别中进行， 实际上 筛选是一直延续到产品阶段的。元器件级别有该级别特 有的筛选方法， 而产品级也有相应的筛选剔除缺陷产品 的方案。但是， 元器件级应该应用何种方法， 产品级应 该使用何种测试方案， 筛选应力大小是否合适， 都对产 品的质量及可靠性有较大影响。因此， 本文阐述筛选方 法的基本原理及分类， 介绍常用的筛选方法， 并对何时 用何种方法进行说明， 有助于相关人员正确使用筛选方 法， 提高产品的质量及可靠性。

　　1 基础理论

　　筛选试验的目的是剔除由于材料、工艺以及生产设 备的不稳定性导致的具有早期失效的产品， 从而保证批 次性产品出厂以及使用中的可靠性。在元器件级别的筛 选中， 除了检测类型的筛选外， 元器件级别的环境应力 以及产品级别的环境应力筛选， 均是以损耗器件或产品 中极其微小的寿命代价来保证批次产品的高可靠性的 方法。

　　如图 1 所示， 具有早期失效的产品可以用经典的 “浴盆曲线” [8]定义。浴盆曲线包含 3 个部分， 分别为早期失效、偶然失效、耗损失效。由图可以看出，早期失效就是产品开始工 作 之 初 出 现 的 失 效，其失效率较高; 而随着使用时间的延长， 产品进入了较稳定的偶然失效时期。可靠性筛选的目的， 就是通过对器件、产品使 用相应的筛选检测手段， 剔除早期可靠性较低的产品， 从而保证批次产品投入使用即进入偶然失效的稳定期。 而能用筛选的方法剔除早期失效产品的原因是： 由于材 料、生产等因素导致的部分不可靠产品， 在经受检测以 及一定应力后很快会发生失效。通过可靠性筛选， 剔除 批次产品中早期失效的产品， 可提高批次产品的可靠性。 筛选试验对可靠性要求较高的大型系统， 尤其是对一些 如卫星、海底通信产品等很难维修的产品， 剔除早期失 效产品尤为重要。

　　2 筛选试验的分类及应用阶段

　　从产品研发到交付， 均应进行可靠性筛选检测或试 验。从元器件级、板卡级一直到产品出厂， 每个阶段所 使用的方法均不同， 具体可分为检查及测试两大类。

　　2.1 检查类筛选

　　检查类筛选主要是在组件及板卡级别应用较多， 此 类筛选方法一般是无破坏性的， 通过目视或者相关仪器 设备进行检查。一般地， 在相关标准中给出了器件类型 筛选方法， 如 GJB548B[9] 、GJB360B[10] 规定了相关方法， 主要分为以下方面：

　　( 1) 检查类筛选： 目视筛选、放大镜或显微镜检查 筛选、红外线检查筛选、X 射线、颗粒碰撞噪声;

　　( 2) 密封性筛选： 氦质谱检漏筛选、放射性同位素 气体跟踪检漏筛选、潮湿筛选。

　　检查类筛选一般适用于器件及板卡级别检测， 进行 的是无损检测。目视主要指肉眼， 同时可以借助放大镜 或显微镜的检查筛选， 是一项费用低成效高的检查方法。 这种方法在半导体及板卡等方面应用较多， 可以发现器 件上是否有沾污、损伤、键合不良、虚焊等缺陷， 以便 马上进行剔除。红外线检查是利用分子的热骚动产生的 红外辐射， 检查器件的热特性的一种无损检测方法。利 用红外热扫描仪检查元器件工作热特性的方法， 在器件 及板卡上检测均有应用。陈华等[11]利用红外热成像仪对 电路板的故障进行检测; 吕昂等[12]使用红外热成像对板 载器件进行了故障检测。在产品设计不合理、工艺存在 缺陷或生产过程中存在异常的情况下， 当板卡工作时， 会在有缺陷的局部产生热区， 红外线成像即可检测这种 缺陷， 便于剔除有缺陷的板卡或器件。

　　X 射线及 PIND (颗粒碰撞噪声) 都可用来检查器件 或芯片内部的缺陷， X 射线透过外壳检查内部是否有沾 污、微尘、键合不良以及引线损伤; PIND 利用振动原理 检测器件空腔内部有无松散粒子， 可以检出 X 射线所不 能检测出的质量小于 1 μg、直径小于 25 μm 的粒子。

　　2.2 测试类筛选

　　测试类筛选是通过对器件、板卡乃至产品进行功能 性能测试、环境应力以及寿命类 (老炼) 筛选。

　　( 1) 环境应力筛选： 力学环境筛选、温度环境筛选、 混合应力筛选。

　　( 2) 老炼筛选： 高温老炼、功率老炼。

　　环境应力类及老炼筛选一般是用于产品级的一种筛 选方法， 向产品施加合理的环境应力和电应力， 将产品 内部的缺陷激发出来， 达到剔除早期失效产品的目的。 对于电子类产品， 环境应力筛选有相关标准规定的筛选 方法， 如 GJB1032[13]， 一般采用的是随机振动和温度循 环， 随机振动的频率至少为 100~1 000 Hz， 一般是单轴 振动 10 min 左右; 温度循环需要综合考虑温度上下限、 温 变 速 率 以 及 循 环 数， 这 些 都 会 影 响 筛 选 结 果 。 GJB1032 中规定了至少 10 个温度循环。通过随机振动以 及温度循环组合， 可以剔除器件缺陷以及生产工艺导致 的具有早期故障的产品。环境应力筛选适用于器件级、 分机以及系统级检测。

　　随机振动和温度循环的应力对激发缺陷具有应力叠 加的作用。一般可激发产品上微观裂纹的缺陷、黏结不 好或铆接不当的铆接、焊接不良或虚焊导致的线路连接、 粒子污染等。

　　老炼筛选的方法中应用最多的是高温老炼。该方法 是在试验箱内模拟高温环境条件， 对器件或产品施加高 温应力， 在同时施加电应力的作用下， 加速暴露器件中 可能存在的缺陷， 剔除有缺陷的器件。高温老炼主要可 以激发以下几种故障： 金属触点表面氧化， 导致接触不 良; 电容器或电池漏液缺陷导致干涸; 低质量等级的橡 胶或塑料软化或蠕变; 绝缘损坏发生击穿。

　　3 筛选项目、应力大小及时间

　　3.1 筛选项目

　　器件乃至产品进行筛选试验的项目， 一般是依据其 失效模式和失效机理分析出失效机理与应力之间的关系， 才可选定的筛选项目。对于电子器件来说， 筛选方法的 种类较多， 表 1 中列出了常用的筛选方法及对应的失效 模式。

　　3.2 筛选应力选择

　　筛选应力是指测试类筛选方法中所需要选择的环境 类应力。筛选应力选择过小， 不能剔除有缺陷的产品; 筛选应力选择过大， 虽然可以剔除有缺陷的产品， 但是对无缺陷的产品也会有一定损伤， 降低了批次产品的使 用寿命。而在随机振动、高温老炼以及温度循环筛选的 方法中， 普遍认为温度循环是最有效的筛选方法[14]， 其 筛选效率可以达到 77%。在高低温环境下， 不同材料制 成的部件或产品， 在热胀冷缩的作用下会暴露出一些结 合不良或材料不均匀性导致的缺陷， 使部件或产品迅速 发生故障， 进而达到剔除早期缺陷产品的目的。而机械 应力， 如随机振动或加速度等， 用于剔除结构、焊接、 封装等存在微裂纹或潜在缺陷的产品。在实际检查中， 有时会先后施加温度循环和随机振动， 这两种应力叠加 到同一产品上会加速暴露其存在的缺陷， 提高筛选效率。 筛选应力应以不改变产品失效机理为前提进行选择。

　　温度应力一般不要超过产品内部组件规定工作温度的上 下限， 温度变化速率依据产品可能存在的失效机理进行 选择， 一般按 10 ℃/min 作为选择的分界线， 大于等于 10 ℃/min 可能会存在温度冲击的失效机理。振动应力可 根据质量、工作环境或相关标准推荐的值进行选择， 一 般的频率范围为 100~1 000 Hz， 有些标准规定了振动的应力大小， 如 GJB1032.

　　3.3 筛选时间选择

　　筛选时间的长短同样是筛选试验中的双刃剑。有的 筛选时间是根据经验值确定的， 如某个产品的高温筛选 时间为 72 h， 而常温筛选时间为 168 h; 有的筛选时间是 依据标准确定的， 如 GJB1032 中规定了 2 次振动、至少 10 个 温 度 循 环 的 筛 选 次 数 。 而 在 某 些 标 准 中， 如 GJBZ34[15]， 根据失效率、筛选度、寿命分布、成品率 等， 可以推算出筛选的试验， 如以成品率推导筛选时间，则筛选时间 t可用式 (1) 进行推导。

　　式中： Y为成品率; D为无故障检验开始时产品的缺陷密 度; λD 为无故障检验应力下缺陷的故障率; t 为筛选时 间。λD 为已知值， t为待计算的筛选时间， 依据 Brownlee 的推算结果， D可用 CDE 模型的可靠度函数进行计算， 如式 (2) 所示：

　　4 测试验证与结果分析

　　筛选试验涉及到应力类型、应力大小以及时间， 只 有正确选择试验方法， 才能达到较好的筛选效果。本文 介绍筛选试验的一个案例， 为进行可靠性筛选提供参考。

　　某航空电子设备的 MTBF 规定值为 1 000 h， 即其 λ0 为 0.001 次/h; 而其工作温度上限为 55 ℃， 故采用高温 老炼方法， 温度为 55 ℃， 在 70%置信度条件下筛选， 成 品率下限 yL=90%， 求解筛选时间t。

　　已知 yL=0.9. 置信度为 70%， λ0=0.001. 依据 55 ℃ 得 出 可 靠 度 为 30% 的 λD 为 0.013 2 次/h。 求 取λD
λ0= 13.2; 根据 yL=0.9. 置信度为 70%， 查表得到 λD T=2.3.

　　因此， 筛选时间 t为：

　　通过本例， 为读者展示了进行筛选试验所要考虑的 方面， 根据产品的失效率、置信度、工作温度等， 可确 定高温老炼的条件、时间等。同时， GJB1032A-2020也 为可靠性筛选提供了具体的可实施方法。

　　5 结束语

　　本文介绍了可靠性筛选的基础理论、筛选项目选 择及应用阶段、筛选应力选择及筛选时间的确定， 阐 述了可靠性筛选的作用， 为使用可靠性筛选的相关人 员提供了参考。可靠性筛选作为把控产品质量的一种 检测分析手段， 不仅可以剔除产品研发生产过程中由 于材料、生产工艺以及设备不稳定导致的早期故障， 也可为产品后期的设计改进、生产工艺的提升以及生 产设备的保养及维护， 提供有效的输入信息。筛选试 验是研发生产及交付中保证产品质量及可靠性的重要 一环， 只有做到对早期故障产品的有效筛选， 才能使 产品真正的“可靠”。

　　参考文献：

　　[1] 马萍 . 元器件二次筛选方案的制定[J].机电工程技术,2020.49 (5):193-194.
　　[2] 杨少华,吴福根,黄瑞毅 . 电子元器件的可靠性筛选[J]. 广东工 业大学学报,2006(1):67-70.
　　[3] 黄龙,刘迪,陆坚,等 .SOI 电路可靠性筛选技术及失效机理研究 [J]. 电子与封装,2013.13(12):30-34.
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　　[5] 王鲁宁 . 固体钽电容的可靠性筛选研究[J]. 计算机与数字工 程,2010.38(4):184-186.
　　[6] 蒲晓明,高景旭 . 军用电子元器件可靠性筛选试验流程创新研究[J]. 电子测试,2022.36(6):97-98.
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　　[13] 中国航天科技集团有限公司 . 电子产品环境应力筛选方法:GJB1032A-2020[S].2020.
　　[14] 郑赞赞,郭丽丽 . 浅谈军用产品筛选中的温度循环试验[J]. 电 子质量,2020(10):125- 127.
　　[15] 国防科学技术工业委员会 . 电子产品定量环境应力筛选指 南:GJB/Z34- 1993[S]. 1993.
 
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