4.1 設(shè)計原則

 環(huán)境應(yīng)力篩選試驗方案的設(shè)計原則是：使篩選應(yīng)力能激發(fā)出由于潛在設(shè)計缺陷、制造缺陷、元器件缺陷引起的故障；所施加的應(yīng)力不必模擬產(chǎn)品規(guī)定的壽命剖面、任務(wù)剖面、環(huán)境剖面；在試驗中，應(yīng)模擬設(shè)計規(guī)定的各種工作模式。

 根據(jù)條件和是否必要來確定常規(guī)篩選或是定量篩選；根據(jù)不同階段和產(chǎn)品的特征制訂篩選方案。

4.1.1 研制階段的篩選

 研制階段一般按照經(jīng)驗得到的篩選方法進(jìn)行常規(guī)篩選.，其主要作用是：一方面用于收集產(chǎn)品中可能存在的缺陷類型、數(shù)量及篩選方法效果等信息；另一方面，在可靠性增長和工程研制試驗前進(jìn)行了常規(guī)試驗，可節(jié)省試驗時間和資金；同時利于設(shè)計成熟快捷的研制試驗方法。

 研制階段的常規(guī)篩選要為生產(chǎn)階段的定量篩選收集數(shù)據(jù)，為定量篩選作準(zhǔn)備,設(shè)計定量篩選的大綱。

4.1.2 生產(chǎn)階段的篩選

 生產(chǎn)階段的篩選主要是實施研制階段設(shè)計的定量篩選大綱；并通過記錄缺陷析出量和設(shè)計估計值的比較，提出調(diào)整篩選和制造工藝的措施；參考結(jié)構(gòu)和成熟度相似產(chǎn)品的定量篩選經(jīng)驗數(shù)據(jù)，完善或重新制訂定量篩選大綱。這些經(jīng)驗數(shù)據(jù)主要有：

 故障率高的元器件和組件型號；故障率高的產(chǎn)品供貨方；元器件接收檢驗、測試和篩選的數(shù)據(jù)；以往篩選和測試的記錄；可靠性增長試驗記錄；其它試驗記錄。

4.2 設(shè)計依據(jù)

4.2.1 依據(jù)產(chǎn)品缺陷確定篩選應(yīng)力

本實驗使用的試驗設(shè)備為高低溫試驗箱、恒溫恒濕試驗箱、快溫變試驗箱、三綜合試驗箱等環(huán)境試驗設(shè)備。

4.2..1.1 影響產(chǎn)品缺陷數(shù)量的因素

 如前所述，產(chǎn)品在設(shè)計和制造過程引入的缺陷主要是：設(shè)計缺陷、工藝缺陷、元器件缺陷。這些缺陷可歸納為兩種類型，一是固有缺陷，它是存在于產(chǎn)品內(nèi)部的缺陷，如材料缺陷、外購元器（部）件缺陷和設(shè)計缺陷；二是誘發(fā)缺陷，它是人們在生產(chǎn)或修理過程中引入的缺陷，如虛焊、連接不良等。這些缺陷的可視缺陷或用常規(guī)檢測手段便可發(fā)現(xiàn)缺陷，可在生產(chǎn)中被排除；除此之外的缺陷便成為潛在缺陷，構(gòu)成裝備的早期故障根源。裝備的早期故障一般要經(jīng)過100小時以內(nèi)的工作才能暴露，從而被排除。

 影響產(chǎn)品缺陷數(shù)量的主要因素有：

 產(chǎn)品的復(fù)雜程度。產(chǎn)品越復(fù)雜，包含的元器件類型和數(shù)量越多、接頭類型和數(shù)量越多，則設(shè)計和裝焊的難度越大，設(shè)計制造中引入缺陷的可能性越大。同時也增加環(huán)境防護(hù)設(shè)計的難度。

 元器件質(zhì)量水平。元器件質(zhì)量水平是裝備缺陷的主要來源，元器件質(zhì)量水平包括質(zhì)量等級和缺陷率指標(biāo)兩個方面，后者用PPM表示，一般生產(chǎn)廠要在說明書中表示。這是定量篩選方案設(shè)計的重要依據(jù)。

 組裝密度。組裝密度高，元器件排列擁擠，裝焊操作難度大，易碰傷元器件，工作中散熱條件差，易引入工藝缺陷和使缺陷加速擴(kuò)大。

 設(shè)計和工藝成熟程度。設(shè)計和工藝的成熟程度的提高，可以大大地減少產(chǎn)品的設(shè)計缺陷和工藝缺陷的種類及其數(shù)量。一般，在研制階段，在結(jié)構(gòu)設(shè)計定型之前，設(shè)計缺陷占主導(dǎo)地位；在生產(chǎn)階段，設(shè)計缺陷減少，元器件缺陷和工藝缺陷比例增加，并且隨著設(shè)計的改進(jìn)和工藝的不斷成熟，元器件缺陷將占主導(dǎo)地位。

 制造過程控制。制造過程控制主要是質(zhì)量控制，包括采用先進(jìn)的工藝質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和管理制度，管理控制得越嚴(yán)格，引入缺陷的機(jī)會就越少。

4.2.1.2 環(huán)境應(yīng)力對缺陷的影響

 現(xiàn)場環(huán)境應(yīng)力是影響缺陷發(fā)展成故障的主要因素。任何缺陷發(fā)展成為故障都需要受到一定強(qiáng)度應(yīng)力經(jīng)過一定時間的作用，產(chǎn)品只有受到能產(chǎn)生等于或大于閾值的環(huán)境應(yīng)力才能使某些缺陷變?yōu)楣收希辉谀承睾偷沫h(huán)境應(yīng)力中，許多缺陷不會發(fā)展為故障。因此，只有選擇能暴露某些缺陷的應(yīng)力作為篩選的條件，才能達(dá)到篩選的目的。常用的應(yīng)力所能發(fā)現(xiàn)的典型缺陷見表2-4-1。據(jù)統(tǒng)計，溫度應(yīng)力可篩選出80％的缺陷，振動應(yīng)力可篩選出20％左右的缺陷。

表2-4-1  常用應(yīng)力能發(fā)現(xiàn)的典型缺陷

缺陷在裝備研制生產(chǎn)的不同階段的類別和分布是變化的，因此在制定篩選大綱時要根據(jù)產(chǎn)品缺陷的分布確定篩選等級。在研制階段，設(shè)計缺陷的比例最大；在生產(chǎn)初期，設(shè)計缺陷比例下降，工藝缺陷比例增加，占最大比例；在生產(chǎn)成熟階段，設(shè)計和工藝趨于成熟，個人操作熟練，元器件缺陷比例變得最大，此時設(shè)計缺陷一般只占5％以下，工藝缺陷在30％以下，而元器件缺陷可占60％以上。表2-4-2是不同裝備在單元或模塊組裝等級進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選暴露的缺陷比例，反映了缺陷的分布情況，可作參考。

表2-4-2  各種產(chǎn)品篩選的缺陷比例

 為了保證基本消除裝備的早期故障，最好在各個裝配等級上都安排環(huán)境應(yīng)力篩選。任何篩選都不可能代替高一裝配等級上的篩選。而任何高一級的篩選雖然可以代替低一級的篩選，但篩選效率會降低，篩選成本要提高。一般裝備分成設(shè)備或系統(tǒng)級（包括電纜和采購的單元）、單元級（包括采購的組件和布線）、組件級（包括印制電路板和布線）、元器件等4個級別。據(jù)經(jīng)驗介紹，對元器件的篩選成本需要1～5個貨幣單位的話，組件級篩選則需要30～50貨幣單位，單元級需要250～500貨幣單位，設(shè)備或系統(tǒng)級需要500～1000貨幣單位。

 根據(jù)多數(shù)單位的情況來看，設(shè)計篩選取組件級及以下和取單元級及以上的較多。

 從綜合的角度來看，組件級篩選的優(yōu)點是：每檢出一個缺陷的成本低，尺寸小、不通電可進(jìn)行成批篩選、效率高；組件的熱慣性低，可進(jìn)行更高溫度變化率的篩選，篩選效率提高。其缺點是：由于不通電，難以檢測性能，篩選尋找故障的效率低；如果改成通電篩選檢測，需要專門設(shè)計設(shè)備，成本高；不能篩選出該組裝等級以上的組裝引入的缺陷。

 單元級以上的篩選優(yōu)點是：篩選過程易于安排通電監(jiān)測，檢測效率高；通常不用專門設(shè)計檢測設(shè)備；單元中各組件的接口部分也得到篩選，能篩選各組件級引入的潛在缺陷。其缺點是：由于熱慣性較大，溫度變化速率不能大，溫度循環(huán)時間需要加長；單元級包含了各種元部件，溫度變化范圍較小，會降低篩選效率；每檢出一個缺陷的成本高。

4.2.3 根據(jù)檢測效率確定定量篩選目標(biāo)

 檢測效率是環(huán)境應(yīng)力篩選工作的重要因素。給產(chǎn)品施加應(yīng)力把潛在缺陷變成明顯的故障后，能否準(zhǔn)確定位和消除,就要取決于檢測手段及其能力。當(dāng)選擇在較高組裝等級進(jìn)行篩選時，有可能利用較現(xiàn)成的測試系統(tǒng)或機(jī)內(nèi)檢測系統(tǒng)；在選擇高組裝級篩選時，能準(zhǔn)確地模擬各種功能接口，也便于規(guī)定合理的驗收準(zhǔn)則，容易實現(xiàn)高效率的檢測，提高檢測效率。表2-4-3列出了不同組裝等級情況的檢測效率，表2-4-4列出了各種測試系統(tǒng)的檢測效率范圍，可用于計算析出量的估計值。需要指出的是，綜合利用各種檢測系統(tǒng)能提高檢測效率。

表2-4-3  不同組裝等級情況的檢測效率

 確定環(huán)境應(yīng)力篩選的定量目標(biāo)必須確定產(chǎn)品的元器件缺陷率?？梢园匆韵路椒ù_定元器件缺陷率。

4.2.4.1 查表法

 國產(chǎn)元器件由GJB299《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》規(guī)定質(zhì)量等級，當(dāng)產(chǎn)品選定某個等級的元器件后，按照使用環(huán)境條件，可以從GJB/Z34《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》的附錄A的相應(yīng)表中查得不同質(zhì)量等級、不同使用環(huán)境的各種電子元器件的缺陷率數(shù)據(jù)（以PPM表示）。進(jìn)口元器件問題較復(fù)雜，我們不可能查得每一個國家每一種元器件的缺陷率，只能參考美國MIL－HDBK－217E查出質(zhì)量等級，然后從GJB/Z34中查出進(jìn)口元器件的缺陷率。

4.2.4.2 試驗驗證法

 當(dāng)所用的元器件質(zhì)量等級無法從手冊中查得缺陷率數(shù)據(jù)時，可根據(jù)GJB/Z34《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》提供的方法對元器件進(jìn)行抽樣篩選，處理試驗數(shù)據(jù)獲得該元器件的缺陷率。

4.2.4.3 推算法

 當(dāng)具備足夠的失效率、缺陷率、環(huán)境系數(shù)、質(zhì)量系數(shù)等數(shù)據(jù)時，可以按照以下步驟推算同類元器件在同種環(huán)境中其它質(zhì)量等級下的缺陷率。

4.2.4.3.1 根據(jù)質(zhì)量系數(shù)推算同類元器件在同種環(huán)境中其它質(zhì)量等級下的缺陷率

  a) 基本信息

 某類元器件的缺陷率DP ，包括在生產(chǎn)廠發(fā)現(xiàn)的缺陷率DPF和在現(xiàn)場使用中發(fā)現(xiàn)的缺陷率DPU，即DP=DPF+DPU，用PPM表示。

 已知缺陷率和質(zhì)量等級的元器件的質(zhì)量系數(shù) Q1和未知質(zhì)量等級的缺陷率元器件的系數(shù) Q2。

  b) 計算公式

 失效率與質(zhì)量系數(shù)成正比的元器件，其缺陷率為

  DPC=( Q2/ Q1 ) DPO =( Q2/ Q1 ) (Dpfo+Dpuo)  (2-4-1)

式中： DPC 要計算的缺陷率，PPM；

  DPO 已知質(zhì)量等級元器件的總?cè)毕萋?，PPM；

  Q1 已知質(zhì)量等級元器件的質(zhì)量系數(shù)，可從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中查得；

  Q2 要計算其缺陷率的質(zhì)量等級元器件的質(zhì)量系數(shù)，可從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查得；

  Dpfo 已知質(zhì)量等級元器件工廠缺陷率，PPM；

  Dpuo 已知質(zhì)量等級元器件現(xiàn)場使用中發(fā)現(xiàn)的缺陷率，PPM。

  c) 示例

 已知：某進(jìn)口晶體管的質(zhì)量等級為JAN級，缺陷率為D P（JAN）=346PPM；求取：質(zhì)量等級為JANTX進(jìn)口晶體管的缺陷率。

 步驟：從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查得：

  Q（J ）=1.2

  Q（J TX）=2.4

 按式（2-4-1）計算

  DP(JANTX)=( Q(JANTX)/ Q(JAN)) DP(JAN)

  =(0.24/1.2) 346

  =69.2  (PPM)

 4.2.4.3.2 根據(jù)環(huán)境系數(shù)推算同類元器件同一質(zhì)量等級在其它環(huán)境中的缺陷率

 其一：失效率與環(huán)境系數(shù)成正比的元器件

  a) 基本信息

 某質(zhì)量等級的元器件在給定環(huán)境中的缺陷率DP，包括在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的缺陷率DPf和現(xiàn)場使用環(huán)境中的缺陷率DPU，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的缺陷率實際上就是地面固定環(huán)境（GF）的缺陷率。

 給定環(huán)境的相應(yīng)環(huán)境系數(shù) E1。

 求取缺陷率所處環(huán)境相應(yīng)的環(huán)境系數(shù) E2。

  b) 計算公式

  DPC=Dpf+( E2/ E1 ) Dpu  (2-4-2) 

式中：DPC 要計算的缺陷率，PPM；

  Dpf 已知的在工廠的缺陷率，PPM；

  Dpu 已知的在使用現(xiàn)場的缺陷率，PPM；

  E1 已知缺陷率所在環(huán)境的環(huán)境系數(shù)，可從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查得；

  E2 要計算的缺陷率所在環(huán)境的環(huán)境系數(shù)，可從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查得。

  c) 示例

 已知：進(jìn)口的質(zhì)量等級為JAN的晶體管在地面固定環(huán)境（GF）中的缺陷率為346PPM，其中工廠缺陷率為60PPM，使用環(huán)境缺陷率為286PPM；

 求?。涸摰燃壘w管在地面移動環(huán)境(GM)中的缺陷率。

 步驟：從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查得兩種環(huán)境的環(huán)境系數(shù)：

  E1= E(GF)=5.3

  E2= E(GM)=18

 應(yīng)用公式(2-4-2)計算:

  DPC=Dpf+( E2/ E1 ) Dpu

   =60+(18/5.3) 286

   =60+971

  =1031  (PPM)

 其二：失效率與環(huán)境系數(shù)不成正比的元器件，以半導(dǎo)體集成電路為主

  a) 基本信息：

 半導(dǎo)體集成電路的質(zhì)量等級；半導(dǎo)體集成電路的總量；半導(dǎo)體集成電路工廠缺陷率，PPM；半導(dǎo)體集成電路現(xiàn)場工作小時數(shù)；半導(dǎo)體集成電路現(xiàn)場失效率。

  b) 確定失效率模型

 半導(dǎo)體集成電路失效模型為：

  P= Q [C1 T V PT＋(C2＋C3) E] L (2-4-3)

式中： P 工作失效率；

  Q 質(zhì)量系數(shù)；

  T 溫度應(yīng)力系數(shù)；

  V 電應(yīng)力系數(shù)；

  E 環(huán)境系數(shù)；

  C1，C2 電路復(fù)雜度失效率；

  C3 封裝復(fù)雜度失效率；

  L 器材成熟系數(shù)；

  PT可編程工藝系數(shù)，除可編程序的只讀存儲器外，其余為一。

 可根據(jù)半導(dǎo)體集成電路的質(zhì)量系數(shù)和有關(guān)技術(shù)，確定 E、 Q、 T、 V、 PT和C1，把它們和已知的現(xiàn)場失效率數(shù)據(jù)一并代入式(2-4-3)，可求得C1 T V PT和C2＋C3的值，并分別令其為K1、K2，式(2-4-3)簡化為：

  P= Q (K1＋K2 E) L (2-4-4)

式中：K1=C1 T V TP

  K2=C2+C3

  c) 導(dǎo)出現(xiàn)場缺陷率計算公式

 現(xiàn)場缺陷率等于現(xiàn)場失效率與現(xiàn)場工作時間的乘積除以元器件總數(shù)。從基本信息可得到現(xiàn)場工作時間和元器件總數(shù)，再利用式(2-4-3)求得的失效率數(shù)據(jù),就可導(dǎo)出缺陷率計算公式：

   DPU= ／   (2-4-5)

 式中：DPU 現(xiàn)場缺陷率；

  統(tǒng)計得到的工廠缺陷率；

  現(xiàn)場工作總時間；

  統(tǒng)計的元器件總數(shù)。

 令K3=T/N，合并式(2-4-3)、(2-4-4)、(2-4-5)得：

  DPU=DPf+Dpu

  =Dpf+K3 Q (K1＋K2 E) L (2-4-6)

式中： DPU 要計算的缺陷率；

  Dpf 統(tǒng)計得到的工廠缺陷率；

  Q 質(zhì)量系數(shù)；

  E 環(huán)境系數(shù)；

  L 器材成熟系數(shù)；

  K1、K2、K3 根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)導(dǎo)出的常數(shù)。

  d) 示例

 已知：進(jìn)口集成電路的質(zhì)量等級為C－1，統(tǒng)計的集成電路數(shù)量N為624087個，統(tǒng)計的工廠缺陷率 Dpf為160PPM，現(xiàn)場總工作時間T為8580 106h，現(xiàn)場失效率為0.025 10－6/h；求?。涸撡|(zhì)量等級集成電路的失效率計算公式和缺陷率計算公式。

 步驟：根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定某些值為：

    Q=13.0  C1=0.0053  T=0.032  V=1.0

  PT=1.0  E=4.0  L=1.0

代入式(2-4-3)： P= Q [C1 T V PT＋(C2＋C3) E] L 有：

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

則：C2+C3=K2=0.00044

  C1 T V TP=K1=0.00017

 將上述數(shù)據(jù)代入式(2-4-4)得到失效率計算公式：

  P= Q (0.00017+0.00044 E)

 現(xiàn)場缺陷率計算公式為：

  DPU= ／

  = 8580 106/624087

  =[ Q (0.00017+0.00044 E)] 0.0137481

  = Q (2.3372+6.0492 E) 10-6

  = Q (2.3372+6.0492 E)  (PPM)

 總?cè)毕萋视嬎愎綖椋?/p>

  DPU=DPf+Dpu

 =160＋ Q (2.3372+6.0492 E)  (PPM)

 用此公式可以推算其它質(zhì)量等級和環(huán)境下元器件的缺陷率。

4.2.4.3 根據(jù)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：假設(shè)失效率類似的元器件,其缺陷率也類似。

  a) 基本信息

 要計算的元器件的失效率 1；已知缺陷率為DPO的元器件的失效率 ２；

  b) 計算公式

  DPC=DPO ２/ 1   (2-4-7)

式中：DPC 要求解的缺陷率，PPM；

  DPO 已知的缺陷率，PPM；

  1 已知缺陷率的元器件的失效率；

  2 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質(zhì)量等級的該類元器件在某種環(huán)境條件下的缺陷率，如果要求解的元器件是在不同環(huán)境條件和不同質(zhì)量等級的缺陷率，則可用本節(jié)相應(yīng)的其它方法求解。其總關(guān)系式為：

  DPC=( Q2/ Q1 )[DPU ( E2/ E1)+DPf]  (2-4-8)

式中：DPC 要計算的缺陷率，PPM；

  Q1 已知缺陷率的元器件的質(zhì)量系數(shù)；

  Q2  要求取缺陷率的元器件的質(zhì)量系數(shù)；

  DPU 已知的現(xiàn)場缺陷率，PPM；

  E1 已知缺陷率的元器件的環(huán)境系數(shù)；

  E2 要求取缺陷率的元器件的環(huán)境系數(shù)；

  DPf 已知的工廠中缺陷率，PPM。

  c) 示例

 已知：質(zhì)量為M等級的進(jìn)口元器件在地面固定環(huán)境中的失效率為0.00207 10-6；C-1級進(jìn)口集成電路在地面固定環(huán)境的失效率為0.05123 10-6，總?cè)毕萋蕿?03.2PPM，工廠缺陷率為160PPM。

 求取：質(zhì)量等級為M的電阻器在地面固定環(huán)境中的缺陷率。

 步驟：

  DPC=DPO ２/ 1

  =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)

 求取其它質(zhì)量等級和環(huán)境中的缺陷率公式為：

  DPC=( Q2/ Q1 )[13.87 ( E2/ E1)+6.46]  PPM

4.2.5 依據(jù)殘留缺陷密度的相關(guān)性

4.2.5.1 殘留缺陷密度與平均故障間隔時間的關(guān)系

 據(jù)統(tǒng)計，目前良好的元器件的平均失效率在10-6/h至10-7/h之間，現(xiàn)場環(huán)境中由潛在缺陷造成的故障率合理范圍是大于10-3/h。假定裝備交付時故障率比規(guī)定的故障率 0大10％是可接受的，且假定潛在缺陷造成的故障率 D為10-3/h，根據(jù)GJB/Z34提供的故障率與殘留缺陷密度的關(guān)系式：

  DR=100 0  (2-4-9)

  DR=100/MTBF  (2-4-10)

式中： DR 殘留在產(chǎn)品中的缺陷密度；

  0 產(chǎn)品規(guī)定的故障率，1/h。

 根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)提供的關(guān)系式計算得的缺陷密度與MTBF的關(guān)系數(shù)據(jù)見表2-4-5。

表 2-4-5殘留缺陷密度與MTBF的關(guān)系

(前提條件： D為10-3/h，交付時允許故障率比規(guī)定的高0.1)

 置信度不同，篩選成品率的下限YL也不同，它是缺陷故障率與無故障試驗時間的乘積、缺陷故障率與規(guī)定故障率的比值的函數(shù)，表2-4-6列出了置信度為90%的篩選成品率下限數(shù)據(jù)，其它參數(shù)的數(shù)據(jù)可參閱GJB/Z34。