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温度循环应力筛选

应力筛选(Environmental Stress Screening,简称ESS)

说明: 应力筛选是产品在设计强度极限下,运用加速技巧外加环境应力,如:预烧(burn in)、温度循环(temperature cycling)、随机振动(random vibration)、开闭循环(power cycle)..等方法,透过加速应力来使潜存于产品的瑕疵浮现[潜在零件材料瑕疵、设计瑕疵、製程瑕疵、工艺瑕疵],以及消除电子或机械类残留应力,还有消除多层电路板间的杂散电容,将澡盆曲线裡面的早夭期阶段的产品事先剔除与修裡,使产品透过适度的筛选,保存澡盆曲线的正常期与衰退期的产品,以避免该产品于使用过程中,受到环境应力的考验时而导致失效,造成不必要的损失,虽然使用ESS应力筛选会增加成本与时间,但是对于提高产品出货良率与降低返修次数,有显着的效果,对于总成本反而会降低,另外客户信任度也会有所提升,一般针对于电子零件的应力筛选方式有预烧、温度循环、高温、低温,PCB印刷电路板的应力筛选方式为温度循环,针对于电子成本的的应力筛选为:通电预烧、温度循环、随机振动,另外应力筛本身是一种製程阶段的过程,而不是一种试验,筛选是100%对产品进行的程序。

应力筛选适用产品阶段:研发阶段、批量生产阶段、出厂前(筛选试验可以在元件、器件、连接器等产品或整机系统中进行,根据要求不同可以有不同的筛选应力)

应力筛选比较:

a.恆定高温预烧(Burn in)的应力筛选,是目前电子IT产业常用析出电子元器件缺陷的方法,但是这种方式比较不适合用于筛选零件(PCB、IC、电阻、电容),根据统计在美国使用温度循环对零件进行筛选的公司数要比使用恆定高温预烧对元件进行筛选的公司数多5倍。

b.GJB/DZ34表示温度循环和随机振动筛选出缺陷的比例,温度约占80%,振动约占20%各种产品中筛出缺陷的分情况。

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c.美国曾对42家企业进行调查统计,随机振动应力可筛出15~25%的缺陷,而温度循环可筛选出75~85%,如果两者结合的话可达90%。

d.藉由温度循环所检测出的产品瑕疵类型比例:设计裕度不足:5%、生产做工失误:33%、瑕疵零件:62%

温度循环应力筛选的故障诱发说明:
温度循环诱发的产品故障原因为:当温度在上、下限极值温度内进行循环时,产品产生交替膨胀和收缩,使产品中产生热应力和应变。如果产品内部有暂态的热梯变(温度不均匀性),或产品内部邻接材料的热膨胀係数彼此不匹配时,则这些热应力和应变将会更加剧变。这种应力和应变在缺陷处最大,这种循环使缺陷长大,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。热循环使焊接和印刷电路板上电镀通孔..等产生故障的首要原因,温度循环应力筛选尤其最为适用于印刷电路板结构的电子产品。

温度迴圈所激发出的故障模式或对产品的影响如下:
a.使涂层、材料或线头上各种微观裂纹扩大
b.使粘接不好的接头鬆弛
c.使螺钉连接或铆接不当的接头鬆弛
d.使机械张力不足的压配接头鬆弛
e.使品质差的焊点接触电阻加大或造成开路
f.粒子、化学污染
g.密封失效
h.包装问题,例如保护涂层的连结
i.变压器和线圈短路或断路
j.电位计有瑕疵
k.焊接和熔接点接续不良
l.冷銲接点
m.多层板因处理不当而开路、短路
n.功率电晶体短路
o.电容器、电晶体不良
p.双列式积体电路破损
q.因毁损或不当组装,造成几乎短路的线匣或电缆
r.因处理不当造成材质的断裂、破裂、刻痕..等
s.超差零件与材质
t.电阻器因缺乏合成橡胶缓冲涂层而破裂
u.电晶体发涉及金属带接地出现髮样裂纹
v.云母绝缘垫片破裂,导致电晶体短路
w.调协线圈金属片固定方式不当,导致不规律输出
x.两极真空管在低温下内部开路
y.线圈间接性的短路
z.没有接地的接线头
a1.元器件参数漂移
a2.元器件安装不当
a3.错用元器件
a4.密封失效

温度循环应力筛选的应力参数介绍:
温度循环应力筛选的应力参数主要有下列几项:高低温极值范围、驻留时间、温变率、循环数
高低温极值范围:高低温极值范围愈大,所需循环数愈少,成本愈低,但是不可以超过产品可承受的极限,不引发新的故障构因为原则,温度变化的上下限差距不要少88°C,典型的变化范围为-54°C到55°C。
驻留时间:另外驻留时间也不可以太短,否则来不及使待测品产生热涨冷缩的应力变化,至于驻留时间多少,不同产品的驻留时间皆不相同,可以参考相关规范要求。
循环数:至于温度循环应力筛选的循环数,也是考量产品特性、複杂度、温度上下限以及筛选率在订定,其筛选数也不可超过,否则会让产品产生不必要的伤害,也无法提高筛选率,温度循环数从1~10个循环[普通筛选、一次筛选]到20~60个循环[精密筛选、二次筛选]都有,针对去除最可能发生的做工(workmanship)缺陷,大约需要6~10个循环才能够有效去除,另外针对于温度循环的有效性,主要取决于产品表面的温变率,而不是试验箱体裡面温变率。

温度循环的主要影响参数有下列七项:
(1)温度范围(Temperature Range)
(2)循环数(Number of Cycles)
(3)温度变率(Temperature Rate of Chang)
(4)驻留时间(Dwell Time)
(5)风速(Airflow Velocities)
(6)应力均匀度(Uniformity of Stress)
(7)功能测试与否(Product Operating Condition)

温变率及循环数对筛选率的比较表:
说明:假设高低温差(R)固定的条件下,其循环数也固定,温变率越高其筛选率也会有所提高,如试验条件及规范有规定固定的温变率,则增加循环数也可提高筛选率,但其筛选率有一定限度,并没有办法成线性提高。

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应力筛选疲劳分类:

一般关于疲劳研究之分类如,可分为高週疲劳(High-cycle Fatigue)、低週疲劳(Low-cycle Fatigue)及疲劳裂缝成长(Fatigue Crack Growth),而在低週疲劳方面又可细分为热疲劳(Thermal Fatigue)及恆温疲劳(Isothermal Fatigue)两种。

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应力筛选专门名词整理:

part(元器件) 产品中可以拆装的最小可分辨专案,如分立半导体器件、电阻、积体电路、焊点和连接器等。
assembly(组件) 设计成可装入某一单元并与类似或其他的元件一起工作,且由一定数量的元器件组成的组合件,如印製线路板元件、电源模组和磁心存贮器模组等。
unit(单元) 装在机箱内的一些机箱自含元器件和(或)组件。它能完成一个特定功能或一组功能,并且可作为一个独立的部分从系统中更换,如自动驾驶仪的电脑和甚高频通讯设备的发射机。
equipment/system(设备或系统) 互连或组装在一起后,能执行完整功能的若干单元的总称,如飞行控制系统和通讯系统。
item(产品) 可以单独考虑的任一元件、单元、设备或系统的统称。
defect(缺陷) 产品中可能导致出现故障的固有或诱发的薄弱点。
patent defect(明显缺陷) 用常规的检查、功能测试和其他规定的方法,而不需用环境应力筛选可发现的缺陷。
latent defect(潜在缺陷) 用常规的检查、功能测试和其他规定的方法不能发现的缺陷。其中一部分缺陷若不用环境应力筛选将其排除,则在使用环境中可能会以早期故障形式暴露出来。
escaped defect(漏筛缺陷) 引入缺陷中用筛选和检测未曾发现,漏入到下一组装等级的部分。
defect density(缺陷密度) 一组(批)产品中每个产品所含缺陷的平均数。缺陷密度可分为引入缺陷密度、漏筛缺陷密度、残留缺陷密度和观察到的残留缺陷密度。
part fraction defective(元器件缺陷率) 以百万分之一(ppm)为单位表示的一组元器件中有缺陷元器件所占的比例。
fallout(析出量) 在应力筛选期间或在应力筛选之后立即检测到的故障数。
screenable latent defect(可筛选出的潜在缺陷) 现场使用中应判为是以早期故障形式析出的缺陷,定量筛选中可把故障率大于 的潜在缺陷作为要筛选出的潜在缺陷。
stress screening(应力筛选) 将机械应力、电应力和(或)热应力施加到产品上,以使元器件和工艺方面的潜在缺陷以早期故障形式析出的过程。
screen parameter(筛选参数) 筛选度公式中的诸参数,如振动量值,温度变化速率和持续时间等。
screening strength(筛选度) 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。
test detection efficiency(检测效率) 检测充分程度的度量,它是由规定检测程式发现的缺陷数与筛出的总缺陷数之比值。
test strength of screening(筛选检出度) 用筛选和检测将缺陷析出的概率,它是筛选度和检测效率的乘积。
thermal survey(热测定) 使受筛产品处于规定温度下,并在产品内有关的部位测量其热回应特性的过程。有关部位可以是热惯性最大的部位,也可以是关键部位。
vibration survey(振动测定) 使受筛产品经受振动激励,并在产品内有关部位测量其振动回应特性的过程。有关部位可以是预计回应最大部位,也可以是关键部位。
selection/placement of screening(筛选的选择和安排) 系统地选择最有效的应力筛选并把它安排在适当的组装级上的过程。
yield(筛选成品率)  经筛选交收时,设备内可筛选出的潜在缺陷为零的概率。

应力筛选专门名词缩写词:

ESS:环境应力筛选

FBT:功能板测试仪

ICA:电路分析仪

ICT:电路测试仪

LBS:负载板短路测试仪

MTBF:平均故障间隔时间

温度循环循环数:

a.MIL-STD-2164(GJB 1302-90):在缺陷剔除试验中,温度循环数为10、12次,在无故障检测中则为10~20次或12~24次针对去除最可能发生的做工(workmanship)缺陷,大约需要6~10个循环才能够有效去除,1~10个循环[普通筛选、一次筛选]、20~60个循环[精密筛选、二次筛选]。

b.DOD-HDBK-344(GJB/DZ34)初始筛选设备和单元一级採用10~20个迴圈(通常≧10),元件级採用20~40迴圈(通常≧25)。

温变率:

a.MIL-STD-2164(GJB1032)明确说明:[温度迴圈的温度变化率5℃/min]

b.DOD-HDBK-344(GJB/DZ34)组件级15℃/min、系统5℃/min

c.一般未规定温变率的温度循环应力筛选,其常用的度变化率通常为5°C/min

温度循环应力筛选试验条件:

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应力筛选规范列表

应力筛选规范:

MIL-202C-106、107 电子及电器部件试验方法标准
MIL-781 可靠性试验方法手册
HB/Z213 机载电子设备环境应力筛选指南
HB6206 机载电子设备环境应力筛选方法
JESD22-A109-A 器密试验方法
TE000-AB-GTP-020 环境应力筛选要求与海军电子设备应用
CFR-Title 47-Chapter I-68.302 美国联邦通讯委员会环境模拟
GJB/Z34 电子产品定量环境应力筛选指南
HB/Z213 组件级环境应力筛选

温度循环:

EC 68-2-14 温度变化
MIL-STD-2164 电子设备环境应力筛选方法=GJB1032-1990
GJB1032-1990 电子设备环境应力筛选方法
DOD-HDBK-344 电子设备环境应力筛选=GJB/Z34-1993
NABMAT-9492 美军海军製造筛选
JIS C5030 热循环试验

零件预烧试验:

MIL-STD-883,Method 1008 预烧
MIL-STD-883,Method 1015 (IC类预烧)
MIL-STD-750,Method 1038 (二极体类预烧)
MIL-STD-750,Method1039 电晶体类预烧)
MIL-STD-883,Method 1010 温度循环
MIL-M-38510 军用微型电路的一般规格
MIL-S-19500 半导体器件要求和特点

系统预烧:

MIL-781 可靠性设计鉴定与生产接收试验
MIL-810 美国军标环境工程考虑和实验室试验

相关厂商温度循环应力筛选循环数与温度条件:

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相关试验设备

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    快速温变应力筛选机

    温度循环(temperature cycling)应力筛选是产品在设计强度极限下,运用温度加速技巧(在上、下限极值温度内进行循环时,产品产生交替膨胀和收缩)改变外在环境应力,使产品中产生热应力和应变,透过加速应力来使潜存于产品的瑕疵浮现[潜在零件材料瑕疵、製程瑕疵、工艺瑕疵],以避免该产品于使用过程中,受到环境应力的考验时而导致失效,造成不必要的损失,对于提高产品出货良率与降低返修次数有显着的效果,另外应力筛本身是一种製程阶段的过程,而不是一种可靠度试验,所以应力筛选是100%对产品进行的程序。

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