对环境应力筛选的一些误解

徐志闽

（中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153）

对环境应力筛选的一些误解

徐志闽

（中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153）

目前，合同和招标书对电子设备已规定了环境应力筛选要求。误解已妨碍了富有生命力的环境应力筛选规划在工业中的实施。本文将对一些误解进行讨论，正确地认识在工业中应用费用低廉的环境应力筛选规划的目的和优点。

环境应力筛选；误解；目的；优点

引言

环境应力筛选的定义是对电子元器件、组装件和设备施加适当的电气和环境应力，以暴露和消除由缺陷的、不正常的或性能临界的元器件和制造缺陷。尽管环境应力筛选以被列入MIL-STD-785B的可靠性试验部分（工作项目301）。但实际上它是一个筛选过程，与试验不同。它一般是对以制造好的产品进行100%的生产筛选。环境应力筛选的目的是发现和排除产品的早期故障，使得产品在交付时便进入随机故障阶段，确保产品在使用过程中具有较高的可靠性水平。

环境应力筛选已被海军作为可靠性要求列入现在的船舶设计、建造合同以及招标书中。总体单位又通过规范和工作规程把筛选要求转给转包商。筛选要求中规定了温度循环和随机振动筛选。环境应力筛选在我国已运行很多，大家对环境应力筛选还是存在下列误解：

1）环境应力筛选给设备所加应力超过了设备的设计极限，因此，应当把温度和振动应力限制在预期的设备工作环境应力之内；

2）环境应力筛选能暴露设计方面的问题，因此，可靠性研究/增长试验与环境应力筛选的作用相同，不必两者都做。

3）环境应力筛选时一项可靠性的“经验教训”成果，因此，它只适用于新设计或重大改型的设备；

4）环境应力筛选时额外负担，对承包商或设备转包商毫无好处；

5）MTBF合格的设备不需要进行环境应力筛选；

6）环境应力筛选暴露的失效率越少，试验就越成功。

可靠性工程师在从事环境应力筛选理论研究和执行环境应力筛选规划的过程中，都能理解这些误解的谬误所在。然而，这些误解已导致在可靠性工程、管理及其它工程部门之间出现了信息交流方面的空隙。为了说明环境应力筛选的真正目的和好处，并消除这些误解，现就上述有关环境应力筛选方面的误解逐一加以讨论。

1 环境应力筛选给设备所加应力超过了设备的设计极限

环境应力筛选的缺点是它给设备施加的应力可能会超出设备的设计极限，因而，温度和振动应力应当限制在设备预期的工作环境之内。然而，预期的工作环境一般没有设计极限那么严酷。筛选的应力水平不应超过设计极限，但是，它们必须有足够的强度，以便在维修费用最低廉的最早时间暴露由于元器件不良和制造缺陷导致的故障。因此，有效的筛选要求所施加的应力要有足够的量值和持续时间，以便将潜在的缺陷暴露出来，而对其它没有缺陷的元器件不会累积成大的损伤（即超过设计极限并有损于使用寿命）。

有关温度筛选的两个主要问题是上、下两个温度极值，以及从一个温度极值过渡到另一个温度极值所要求的最低温度变化速率。为了确定最有效的筛选要求和应力水平，同时也为了确定由于过应力（温度和振动两者）而导致产品性能退化的环境因素及应力水平，应当按照特定的硬件来设计和实施应力筛选。这就是进行调整的主要目的。

因此，环境应力筛选不应给设备施加加速疲劳失效的应力。除非作为指南，不得规定随机振动的应力水平和温度极限。应为转包商调整规范和工作说明中的筛选规划创造条件。在转包商的环境应力筛选计划和程序时，要以这种调整到暴露早期失效的有效性的依据。然后，转包商再进行温度和振动监测，以确定热点和共振点，并进行步进筛选，以确定最有效地暴露制造缺陷所造成的早期失效的筛选应力。如果筛选不能加速这些早期缺陷，就不能实现环境应力筛选的目标，因此也就谈不上是费用低廉的筛选。若筛选过于严酷，就会损坏好的元器件，并有损于设备的使用寿命。

2 环境应力筛选暴露设计问题

第二个误解：环境应力筛选能暴露设计方面的问题，因此，可靠性研究/增长试验与环境应力筛选的作用相同，不必两者都做。尽管环境应力筛选的确可以暴露某些设计问题（即使是在可靠性研究/增长试验之后），但这并不是进行环境应力筛选的目的。如前所述，环境应力筛选的目的是加速由于制造缺陷所产生的早期失效，以便在费用最低廉的规划时期内完成修理。将环境应力筛选与可靠性研究/增长试验相比较，就可以看出用可靠性研究/增长试验代替环境应力筛选这种误解的谬误所在。表1以几个指标对环境应力筛选与可靠性研究/增长试验进行了比较。

如表1所示，环境应力筛选和可靠性研究/增长试验的程序时完全不同的。环境应力筛选是筛选程序，其调整的目的是最大限度地暴露制造缺陷。可靠性研究/增长试验是“试验、分析和改进”程序，目的是找出并改正设计问题。可靠性研究/增长试验一般结合首件产品试验进行一次，而环境应力筛选是生产筛选过程，对全部产品进行。

3 环境应力筛选仅适用于新设计

另一个误解是假设环境应力筛选是可靠性改进的“经验教训”成果，因此仅适用于新设计或重大改型的设备。恰当地说，这个假设还必须假定，只有新的或重大改型的设备才含有缺陷的元器件和制造缺陷。然而，元器件规范允许元器件制造商接收和发运次品率高达5 %的电子元器件。这就说明存在着这样的可能性，即在一千个元器件中，就含有50个有缺陷的元器件，能够通过环境应力筛选暴露出来，而不管现有设备是新的、改型的或是再制造的。同样，新程序、新人员以及自动化超容差等也会是制造工艺质量劣化，以致缺陷通过制造工艺引入任何设备，而不仅仅是新的，经过重大改型的设备。

表1 环境应力筛选与可靠性研究/增长试验比较

假设环境应力筛选新的或重大改型的设备所暴露的与设计有关的失效数，多于已经批准设备所暴露的失效数，这也不能作为把环境应力筛选限制用于新的或重大改型设备的理由。如果使用得当，则在消除各种电子设备由于元器件超差或制造工艺所引起的早期老练失效方面，环境应力筛选是一种费用低廉的程序。

4 环境应力筛选是额外负担，对承包商或设备转包商毫无好处

环境应力筛选是额外负担，对承包商或设备转包商没有好处。美国环境科学研究所已研究出了造船厂试验期间和工作活动期间的环境应力筛选费用节约模型：

式中：CS1=厂内费用节约值

Mn=造船厂进行修复性维修所需的平均工时数

Hc=船上修理每个工时的费用

Sc=每个备用元器件的估计平均费用

Ft=在没有环境应力筛选的情况下，估计的船上试验失效数

Fs=在有环境应力筛选情况下，估计船上试验失效数

Tc=每次故障的典型平均技术费用（小时数÷故障数×小时故障率）

如果设备是供应商经过筛选后交付的，而且在试验过程中往往故障比较少，则这个模型可以用来估计制造商从中获得节约效益。值得注意的是，筛选虽然费钱，但是它的价值在于提高可靠性（既有近期的，又有远期的）。如果筛选给设备制造商带来的好处大道理这样一种程度，即能够通过设备和系统级的供应商的试验节约而将筛选费用吸收掉，则这种情况是有问题的。重要的一点是，应当按照制造商、承包商和使用方所得到的总的潜在节约额，来估计应力筛选的费用效率。

对用户、承包商和转包商为估计有效地环境应力筛选规划所能实现的费用节约而研究费用分析模型来说，这个文件是有价值的参考资料。在对承包商和转包商规定设备和系统保证期或保证金要求的情况下，有效的环境应力筛选规划肯定有助于降低保证期或保证金费用，而且这些费用的节约在环境应力筛选投标书中必须加以考虑的。

5 MTBF合格的设备没有必要进行环境应力筛选

MTBF合格的设备没有必要进行环境应力筛选，这种理论可能对，也可能不对。诚然，MTBF合格的设备通常已累积足够的工作小时数，足以消除早期制造缺陷。所涉及的问题是“对具体的设备来说，环境应力筛选是否节省费用的，或者说，对补充购买同样设计的设备来说，环境应力筛选是否是有效地？”为了回答这个问题，应当对过去的失效数据进行分析。

假设电子设备的MTBF增长曲线如图1所示。在图1中，致使早期失效期内MTBF不合格的故障数，主要是由于制造缺陷造成的，而这些缺陷是能够通过有效的环境应力筛选程序加以消除的。只有根据历史数据绘制出MTBF增长图，计算出属于制造缺陷引起的故障数，并用费用模型推算出成本效益之后，才能对环境应力筛选规划效益做出判断。因此，在补充购买那些在使用中一被证明MTBF合格的硬件时，应当考虑环境应力筛选。

6 环境应力筛选暴露的失效率越少，筛选就越成功

图1 电子设备MTBF增长曲线

这一误解正好与环境应力筛选的定义和目的相矛盾。有些转包商错误地认为，他们将受到的惩罚与由环境应力筛选程序剔除的失效数成正比。的确，对转包商来说，环境应力筛选失效的代价很大，但这能促使转包商改进制造工艺，以便减少失效给费用带来的影响。因此成功的环境应力筛选没有直接使失效率降低。然而，这不是把较少的失效数与成功的试验等同起来的原因。这个误解是错误地把环境应力筛选与可靠性研究/增长试验及可靠性鉴定试验联系起来的结果，后两种试验都把失效过多与可能的试验失败等同起来。现用图2来说明环境应力筛选的目的。

由图2可见，环境应力筛选的目的是通过调整所施加的环境应力，尽可能多地消除不良的元器件和制造缺陷。必须按照这种要求来调整这些应力，即另一方面要尽可能多地消除这些缺陷，同时还要保证避免因过应力而造成耗损失效。例如，费用最低廉的筛选应在横坐标T3处结束。为了保证不会错误地把点T1或T2调整为筛选参数，也不会达到点Tn-2、Tn-1或Tn而导致损坏和耗损，需要按每一具体设备的具体情况来调整筛选。

由此，可得出如下结论：失效越少，筛选越不成功。如果筛选不能暴露大部分制造缺陷，则筛选就不是低廉的。

7 结论

对其环境应力筛选存在着本文所述的各种误解，这主要是由于环境应力筛选对工业来说是新鲜事物所造成的。这些误解已妨碍了环境应力筛选的实施。从上述每一种误解的讨论中，可以得出以下结论：

图2 环境应力筛选的目的

1）环境应力筛选不是活不打算给设备施加超出其设计极限的应力。费用低廉的环境应力筛选程序应按每个具体设备来编制，以便在最早的时刻暴露制造缺陷（早期寿命失效），以低廉的费用将其改正。

2）环境应力筛选能够暴露一些设计问题，但环境应力筛选的主要目的是作为一项生产筛选，以便暴露性能不良的元器件和制造缺陷。因此，不管是否有其它可靠性试验，都应当考虑环境应力筛选。

3）每个生产合同都应实行某种程度的环境应力筛选，而不只是新设计或重大改型的设备进行筛选。环境应力筛选在本质上应该是动态的，而且应在实施之前，通过成本分析指出每一设备的环境应力筛选规划的成本效益。

4）由于可以在费用最低廉的制造工艺阶段查找和改正失效，从而减少了返工费用和保证期费用，因此环境应力筛选能够（但不一定需要）向承包商和转包商证明其费用是低廉的。但成功与否，还取决于筛选程序的正确理解和应用。

5）新购买或继续采购当前已列入国防部目录且MTBF合格的设备，可能会从费用低廉的环境应力筛选程序得到益处。

6）应按这样的要求来调整环境应力筛选规划，即要最大限度地暴露各种制造工艺失效，又不会对设备施加达到发生耗损及损伤失效的应力。

这些结论应当能够消除许多与环境应力筛选要求有关的误解。在承包商和转包商做出是否实施费用低廉的环境应力筛选的决策过程中，这些结论应当成为积极的促进因素。

[1] GJB/Z 34-1993,电子产品定量环境应力筛选指南[S].

[2] GJB 1032-1990,电子产品环境应力筛选方法[S].

[3]谢俊梅.环境应力在雷达上的应用电子产品可靠性与环境试验[J].2013,31(增刊1):46-49.

Some Misconceptions about Environmental Stress Screening

XU Zhi-min
(The 724th Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Nanjing 211153)

At present, the contract and the bidding document have stipulated the environmental stress screening requirements for the electronic equipments. Misunderstandings have hampered the implementation of a viable environmental stress screening program in industry. This article will discuss some misconceptions and correctly understand the purpose and advantages of applying low-cost environmental stress screening programs in industry

environmental stress screening; misconceptions; objectives; advantages

TN306

A

1004-7204(2017)04-0035-04

徐志闽，毕业于南京邮电大学，现在单位环境实验室技术负责人，从事环境可靠性试验研究工作。