一、環境應力篩選(EnvironmentalStressScoreening)的概念及發展

    1.產品可靠性的提出：為了使用戶滿意；降低驚人的維修費用和產品成本；增加利潤，這些都是一些難以捉摸和控制的事情。但是必須控制電子元器件性能，并集中于產品可靠性這一焦點上.

    要控制產品的可靠性，需要了解產品失效的原因，分析產品出廠施加應力后出現的故障，最終，也是最重要的是確定產品失效的模式，而此種失效模式是經過常規檢驗或試驗不可能被發現的，如：參數漂移、零部件安裝不正確、安裝了錯誤零件、虛焊、零件被污染、有缺陷的零件等。

    通過ESS程序可以完善電子產品，大大提高其可靠性，ESS技術開展了對產品失效的查找，和如何正確的完成ESS程序。

    為了努力使零部件、組裝件和最后完成的裝置合格，電器制造廠商已寄希望于一致強調的可靠性上，使可靠性被認為是產品性能中的一個最重要參數。

    這是因為盡管有很好的產品設計，并通過認可的成熟的工藝來制造，產品也有可98失效，大多數失效不會超出三種類型，即：有缺陷的零部件、制造工藝錯誤和有工藝應力，這些將帶來潛在的缺陷，而此種缺陷通過常規的試驗不易出現，也不易鑒別，但是，隨著使用的增長，可能使產品突然失效

    根據產品累積失效的數據表明：潛在缺陷會導致產品早期失效，當產品超過早期失效階段，通常就是可靠的，如圖A所示的產品典型壽命周期曲線，通常表示為一浴盆曲線。

    由圖可看出，產品壽命分為三段，即：早期，有效壽命期和損壞期。

    產品初期使用階段故障率高，可靠性差，因而控制產品可靠性的關鍵因素是保證產品銷售到用戶前已通過初期階段，或者說，需要建立某種試驗程序，使產品失效率高的初期階段在廠內完成，從而保證用戶得到的是令其滿意的可靠的產品。這就引出了環境應力篩選的概念。

    2.ESS是什么?

    環境應力篩選(Ess)的意義就是篩選產品，把通過不能用常規檢驗或試驗的方法，或肉眼檢驗或電氣試驗方法查出的缺陷，暴露出來，這些有缺陷的零部件與其制造工藝或工藝技術有關，并大量分布在早期失效區域。

    經過一個ESS程序，使某類產品100％的進行環境應力激勵，并預行確定試驗時間，強制有缺的產品失效在廠內發生。

    要了解ESS最重要的是在程序內，失效產品被檢查出來是正常的和不可避免的，在此意義上，ESS與常規檢驗根本不同，常規檢驗要求100％合格。

    同樣重要的是ESS不是簡單的增大試驗階段的強度和可能的破壞應力于產品上，事實上，它完全不是一種常規試驗，而是用于提高產品可靠性的一種方案，一種手段，而常規的試驗卻不能。

    以下兩個重要的因素是正確實現ESS的關鍵：

    1）應力最佳水平必須適合于強制產品的缺陷變為失效；

    2）應力環境必須不超過產品電氣和機械性能的極限，強制應力不應使無缺陷的產品失效或減少產品的有效壽命。

    ESS是一種高效的提高產品可靠性的工具，它將給企業帶來以下利益：

    1）減少維修費用；
 

    2）淘汰無效的篩選方法，使有缺陷產品被篩選出來；

    3）較早檢測出設計和制造工藝中的毛病；

    4）保證產品可靠；
 

    5）增加產品價值；

    6）保證用戶滿意。

    3.ESS的發展

    在第二次大戰期間，受軍事的驅駛，環境試驗已成為重要的試驗，由于武器激增，飛機通訊等現場試驗需要的費用高，且時間長，于是發展了環境模擬技術，在一個隔熱試驗箱內，對產品作溫度、濕度、高度等模擬試驗，在產品開發階段用以驗證設計，在制造階段以檢查產品的制造工藝以保證設計的一致性。

    戰后，電子技術逐步發展，產品尺寸減小，復雜性增加，更需要好的生產工藝和組裝程序，從產品累積失效的資料分析，發展許多不可預見的因素包含在零部件中，設計、制造技術、加工工藝都可成為失效的原因，且失效多發生在產品使用的初期階段，故確定試驗方法應模擬產品初期階段，并提出措施。

    通過對產品早期階段的試驗中，提出了對產品延長加載時間的方法，如老化試驗，高溫工藝，許多人都相信，對使產品早期突然失效，某種應力會有加大的效果。

    老化試驗使產品有較小數量的早期失效是成功的，但不足以大大地改變失效串范圍，此外，老化消耗時間長，使生產速度慢，產品費用增加并延誤交貨時間。

    為了解決這一問題，美國軍工部門推薦了環境模擬試驗的新裝置，軍事要求產品能用在多變的環境下，暴露在環境參數周期變化中。例如：噴氣機從沙漠跑道爬高到高空，將在短時間內暴露于顯著的溫度變化中，靜止不變的環境參數，如老化，不能提供此種模擬。于是，一種綜合環境模擬型式被推出，如：早期的溫度循環加低頻機械振動。模擬試驗的基本原則：產品暴露的環境要相似于實際使用的環境，模擬試驗產生一些重要結果：

    首先，一定數量的產品能在恒定溫度應力下正常工作，但在遭受多次溫度循環后就要失效。這就是溫度循環程序，它是ESS理論的基礎。其次，與熱老化比較，失效數大大增加，特別是失效型式將可能在現場使用時才發現。最后，溫度循環使產品突然失效的時間很短。溫度循環試驗通過溫度變化顯然產生了一種應力，使事先未檢查出來的產品潛在缺陷暴露出來了。

    從以上發現，產生了ESS基本原理，這門學科與通常試驗方法的區別終于使人們弄明白，環境試驗要用于確認設計，而環境應力篩選則用于考核產品的零部件、材料和制造工藝的失效性。
 

    美國環境科學學會(IES)開展了ESS的全面研究工作，其出版的(電子元器件的電學應力篩選)(ESSEH)，提供了一些通用的ESS應用指南。隨后，IES發表的論文和其它資料，提供了更加有力的論據，說明ESS是一個提高產品可靠性非常成功的方法。

    4.可能對ESS產生的誤解：

    1）ESS是一種試驗：ESS不是一種試驗，它不是企圖確認設計，確認設計要求一個無失效的模擬程序。ESS是一個篩選程序，需要暴露產品潛在的缺陷，以及可能發生在現場的其它性質的失效。

    2）ESS與老化試驗是一樣的：ESS是從老化理論發展起來的，但它是一個有顯著優點的程序，老化是使產品長時間受恒定溫度的作用，而ESS是一個加速程序，即在預先確定的環境溫度之間，使產品承受多次的循環應力。

    3）ESS就是隨機抽樣：ESS要求100％的產品作暴露試驗，而不能隨機抽樣，因為產品潛在的缺陷特性是隨機的，將所有產品進行篩選是唯一辦法，以保證篩選程序的有效性。

    4）ESS可用于確認設計：僅管ESS可能有時暴露一個不合理的設計，但它的意圖是不同的。設計有效性用環境模擬和實驗室分析去確定，即當產品用在不超過規定的環境下，產品是否有效。而ESS則不同，為了達到暴露產品潛在缺陷的目的，對其施以最大容許的激勵，強制潛在缺陷失效，并從失效數據中分析零、部件及產品失效的模式，是工藝缺陷還是設計錯誤。這與模擬試驗的任務是完全不同的。

    5）ESS無需失效：ESS是用以強制發生最適當的失效，這些失效在產品正常使用情況下都會發生，ESS基于某種產品的模擬性而確定最大允許加載應力，無缺陷的產品能吸收而不影響其使用壽命，絕大多數有潛在缺陷的產品將失效，并在出廠前在廠內檢查出來。

    6）ESS是昂貴的：ESS程序雖然要花去一些經贊和時間，但是，由于可大大減少維修費用，三包費用，提高產品的價值，增大市場占有份額，其綜合效益是非常明顯的，ESS提供的方法，是理想的使用產品維修費降到最低點的方法。

    二.ESS的型式

    ESS使產品暴露在一種或多種應力環境中，如溫度循環、振動、高溫、電、熱沖擊和其它。模擬的特性為應力極限、變化速率、振幅、頻率等。對每一種產品必須明確持續時間。

    常用的ESS型式如下：

    1.溫度循環：
 

    包含在預定極限之間多次溫度變化循環，典型的溫度循環曲線如圖B。

    溫度極值與產品相關，必須不使無缺陷產品突然失效。溫度變化極限之間的差值應足夠大，以提供最佳的應力范圍。如果是恒定變化速率，可以縮短或延長周期時間，但必須對產品施以足夠的影響。

    ESS的溫度循環，其試驗箱內的空氣溫度變化速率必須≥5℃/min，且試品溫度應盡可能緊跟箱溫的變化，這樣才能對試品起到激勵作用，強制其潛在缺陷失效，達到ESS的目的。
 

    一般的高低溫試驗箱，由于溫度變化速率<5℃/min，且結構設計不同，因此產品的溫度化速率太小，或跟不上箱溫的變化，無法用于ESS。如圖C：

    作為ESS溫度循環的試驗箱，試品溫度應緊跟＞5℃／min的箱溫變化。如圖D所示，在達到高、低溫的恒定段時間，對試品應力影響不大，為了提高篩選效率，許多廠家縮短了恒定時間，所以作為ESS的溫度循環試驗箱需作用專門的設汁，屬另一類品種，而絕非普通的高低溫試驗箱。

    在溫度循環試驗中，風速有決定性的直接影響，圖G說明，在同一箱內空氣溫度循環變化下，不同風速，試品的溫度變化曲線是不一樣的，風速低試品溫度變化慢，只有較小的應力施加于試品，風速高試品溫度變化快，使試品溫度較好的接近箱內空氣溫度，從而承受了較高的應力。

    最佳風速的大小與試品有關，在某種風速下可獲得最大的熱交換，超過此風速可能得到相反的效果，對于一種特定的試品，正確的風速和風向可通過試驗來確定。

    2、隨機振動

    用隨機振動對產品進行篩選與其它ESS型式比較需時較短，對暴露產品的機械缺陷特別有效，如脫焊、虛焊等。

    隨機振動費用太貴，僅管如此，仍被認為比其它振動型式更好，并經常采用，如果費用允許，可與溫度循環一起進行篩選。

    3、高溫老化

    這個篩選程序通常是靜態的，使產品承受預定時間提高了的溫度，相信產品在連續工作，和施加的熱能下，可強制出現早期失效。現在的研究說明，高溫老化效果比溫度循環差得多。
 

    4、電應力

    用于電路系統的篩選，有兩種基本型式：1)周期通電；2)擴大電壓范圍，包括輸人變化的電壓，用電應力篩選比較省錢，與其它型式篩選一起可增加整個篩選的有效性，同時為了尋找模糊不清的失效，對產品通電也是必需的。

    5、熱沖擊

    使產品暴露在急劇的溫度極限，常用快速方式，即；產品按時間程序不斷循環移動一不論是機械的還是動手的，從極端熱環境到極端冷環境，通常認為，對篩選零、部件、組裝件的缺陷熱沖擊是有效的。

    6、固定頻率的正弦振動

    此種型式的振動，通常用一種頻率60HZ以上的機械振動臺，與隨機振動相比費用少且易于控制，但常被認為沒有提供有效水平，

    7、低溫

    相似于高溫篩選的概念，其原理是：失效是由于產品受熱后又置于冷環境，使其強制收縮而發生的。

    8、正弦振動、擺動頻率

    通常需要頻率范圍在500Hz以上的液壓振動臺，此種振動與固定頻率相比，其綜合效能是相似的。

    9、綜合環境

    按產品的復雜性、價值或可靠性規程，環境應力篩選型式可以相互組合。例如：溫度循環和隨機振動常常綜合在一個ESS程序內，但費用昂貴。如果兩種篩選順序進行則費用較低，因為降低了對篩選設備的要求。

    在上述ESS型式中，普遍的意見認為溫度循環是最有效的方式。

    總之，所用ESS型式和如何施加應力，完全決定于什么應力將在某特定產品中，在最時間內，使有缺陷的產品最大數量的失效。

    三、溫度循環是ESS最有效的方式

    根據美國環境科學學會(1E5)等單位的研究資料，斷定溫度循環是篩選最有效的型式，如圖E所示，不同的ESS程序之間，篩選有效性的排列次序。
 

    從圖中可以看出，溫度變化循環是最有效性別潛在缺陷的篩選型式。其次是隨機振動，其發現產品失效數約為溫度循環的2／3多。

    其次，溫度循環對產品加載應力均勻，每一產品都承受相同的應力，應力均勻性也較易控制，在執行程序或修改程序方面有較大的靈活性。

    最后，溫度循環的篩選時間較大多數其它型式短,(與其它型式強制最大數量缺陷失效的時間比較)

    溫度循環應遵循以下三個基本原則；
 

    第一，溫度極限的溫差盡可能大，而不管產品預定的使用極限，只要產品不引起不必要的危險。

    第二，在溫度極限之間的變化速率必須盡可能快，通常大于或等于5℃/min，以產生最佳應力水平，且多次循環而不危害無缺陷產品，圖F表示出不同變化速率對篩選強度的影響。

    第三，產品溫度必須緊跟箱內的溫度，這可以通過提高產品周圍的風速來達到。圖G顯示，在不同風速下產品溫度變化的快慢不同，當風速增大，產品的溫度變化就加快，較快的濕度變化使產品產生較大的應力，因此就可更快的強制潛在缺陷失效。

    具體地說，確定一個有效的溫度循環篩選曲線，應從以下幾點著手：

（1）高溫和低溫極限之間的溫差應大于或等于100℃；

（2）產品溫度變化速率大于或等于5℃/min；

（3）產品上的風速約3.8m/s;

（4）確保引起產品缺陷失效的足夠循環周期。