環境應力篩選使用的應力主要用于激發故障，而不是模擬使用環境，所以不必復現使用中遇到的環境。根據實踐經驗，對于電子組件來說，溫度循環和隨機振動兩種應力在激發產品內部缺陷方面特別有效。

    一、溫度循環

    1、基本參數
    表征溫度循環篩選應力的基本參數包括上限溫度、下限溫度、溫度變化速率、上限溫度保溫時間、下限溫度保溫時間和循環次數。
    2、特性分析
    溫度循環諸參數中，對篩選效果影響的是溫度變化范圍、溫度變化速率以及循環次數。提高溫度變化范圍和變化速率能加強產品的熱脹冷縮程度和縮短這一過程的時間增強熱應力，而循環次數的增加則能累計這種激發效應。因此加大上述三參數中任一參數的量值均有利于縮短整個溫度循環篩選效果。縮短在上、下限溫度值上的停留時間有利于縮短整個溫度循環的時間，提高篩選的效率。產品溫度達到穩定的時間可以以產品中的關鍵部件為準。必要時要特別監測該部件的溫度，以保證篩選有效和防止其損壞。
    溫度循環中試驗箱內氣流速度是關鍵因素，因為它直接影響到產品的溫度變化速率。產品溫度變化速率一般遠低于試驗箱內空氣溫度變化速率，提高箱內氣流速度能使產品溫度變化速率加大，使其溫度更快接近于試驗箱內空氣的溫度。
    3、誘發故障機理
    當溫度在室溫上下循環時，設備交替膨脹和收縮，使設備中產生熱應力和應變。如果某產品內部有瞬時的熱梯度，或產品內部鄰接材料的熱膨脹系數不匹配，則這些熱應力和應變將會加劇。這種應力和 應變在缺陷處，起著應力集中的作用。這種循環加載使缺陷長大，終大到出現故障。
    溫度循環激發出的主要故障模式如下：
    1）使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴大；
    2）使粘結不好的接頭松弛；
    3）使螺釘連接或鉚接不當的接頭松弛；
    4）使機械張力不足的壓配接頭松弛；
    5）使質量差的焊接接觸電阻加大或造成開路；
    6）多余物污染；

    二、隨機振動

    1、基本參數
    表征隨機振動篩選應力的基本參數是頻率范圍、功率譜密度、振動時間、振動軸向（數）。典型的振動譜如圖1所示。

    常用頻譜的加速度均方根值來表示隨機振動的強度。

圖1

    2、特性分析
    隨機振動是在很寬的頻率范圍上對產品施加振動，產品在不同的頻率上同時受到應力，使產品的許多共振點受到激勵。這就意味著具有不同共振頻率的元部件同時在共振，隨機振動這一同時激勵特性，其篩選效果大大增強，篩選所需持續時間大大縮短，其持續時間可減少到正弦掃頻的1/3~1/5。
    為了使產品中要重點加以篩選的元部件受到強應力篩選，以使敏感的關鍵元件或響應過大的部位不產生損壞，可調整輸入振動量值，即在重點加以篩選的元部件共振頻率附近使用高量值；在關鍵的元件或大響應部位使用低量值。
    即使產品實際使用中不經受任何振動，隨機振動一般也適用的。這是因為在環境應力篩選中評價應力的適用性的基本原則是把缺陷變成故障的能力，而不管實際壽命期中這些缺陷如何變成故障。
    3、激發出的故障模式
    隨機振動篩選激發的主要故障模式或影響如下：
    1）結構部件、引線或元件接頭產生疲勞，特別是導線上有微裂紋或類似缺陷的情況下；
    2）電纜磨損；
    3）螺釘接頭松弛；
    4）安裝加工不當的集成電路離開插座；
    5）匯流條及連到電路板上的焊接接頭受到高應力，引起焊接薄弱點故障；
    6）與可作相對運動的部件橋形連接的元器件引線因沒有消除應力而造成損壞；
    7）已受損或安裝不當的脆性絕緣材料出現裂紋。

    三、隨機振動參數的計算方法

    隨機振動試驗標準中給出的參考譜值通常是按對數坐標給出的。相鄰的兩點有時給出譜值和頻率值，有時給出一點的譜值、斜率及頻率值。
    1、相關概念
    1）方根均值
    在f1和f2區間內單值函數的方均根值，是在該區間內的函數值的平方的平均值的平方根值。通常用rms表示。
    2）總均方根加速度（Grms)
    均方根加速度指通過頻譜曲線下面的面積開根號值。
    3）功率譜密度PSD
    功率譜密度指隨機信號的各個頻率分量所包含的功率在頻域上是怎樣分布的，通常用PSD表示，單位g^2/Hz。它在頻域上分布的曲線圖稱譜圖。橫坐標為頻率，縱坐標為功率率密度。
    4）倍頻程
    倍頻程oct是octave的縮寫，用log2(f2/f1)求得。
    5）分貝
    分貝decibel,用10log(PSDj/PSDi)求得。

    2、斜率的計算方法

圖2

    如圖2所示，點i的坐標為fi,Psdi,點j的坐標fj,Psdj,由于所需要計算的斜率是按對數坐標給出的，其單位為dB/oct,此時斜率m表示為：
        m=10lg(Psdj/Psdi)/log2(fj/fi);
    如若已知i的譜值和斜率m，則由上式容易得出j的譜值為：
    Psdj=Psdi(fj/fi)^(m/10lg2)
    3、加速度均方值計算方法
    如圖2所示，要計算加速度均方值就要計算點i、點j、和fi、fj所圍成的圖形的面積。

    其中上升斜率對應的公式為：

    下降斜率對應的公式為：

    當下降斜率為3時，由于分母為零，改換積分公式可以導出：

    平直譜的計算Psd值乘以頻率之差可得。
    4、總的加速度均方值
    總的加速度均方值等于各段曲線的加速度均方值之和。
    Grms^2=g1^2+g2^2+g3^2+....

    四、篩選應力的選擇

    1、應力類型的選擇和安排
    1）應力的選擇

    篩選用的環境應力，一般優先采用溫度循環和隨機振動。如果經濟條件或設備條件不許可，可采用效率較低的其他應力，如振動改用正弦掃頻振動，溫度循環改成溫度沖擊等。

圖3

    2）篩選對象

    不同組裝等級（元器件級、組件級、單元級、設備或系統級）的環境應力篩選。

圖4

    3）應力安排

    環境應力篩選不僅取決于采用的各應力特有的作用機理，還取決于其互相加速作用。使用溫度循環和隨機振動篩選時，篩選應力佳組合應是振動-溫度循環-振動。振動好在循環前進行。

圖5

    GJB1032中規定的溫度和振動篩選應力安排情況如圖6所示。

圖6

    4）應力確定原則
    環境應力篩選所用的應力一般是加速應力，但不能超出設計的極限應力，以不使設備性能下降或壽命降低。
    2、溫度循環應力的確定方法

    溫度循環參數量：溫度范圍、保持時間、溫度變化速率、循環次數。

    1）溫度上限、下限值確定準則
    溫度循環中的溫度上限、下限值決定了篩選強度。溫度范圍（高低溫之差）表明了產品在每一個循環中經受的熱應力/應變強度。
    選擇溫度上限、下限值的關鍵是給硬件適當應力以析出而又不損壞好的產品。應考慮使用儲存溫度極值和元器件的工作溫度。可用以下幾種方法來確定溫度上、下限：
    a.如果產品打算通電篩選，在其上、下限溫度使要工作并檢測性能，則應力篩選的上限溫度不能高于產品的設計工作溫度，其下限溫度不低于產品的設計工作溫度；
    b.如果產品不打算進行通電篩選和在其上下限溫度時進行檢測，則應力篩選的上限溫度不應高于產品的儲存高溫，其下限溫度不應低于產品的貯存低溫；
    c.如果產品只打算僅在上（或下 ）限溫度通電并檢測性能，則其上限溫度不應高于產品的設計工作溫度，下限溫度不應低于產品儲存低溫，或其上限溫度不應高于產品的儲存高溫，下限溫度不應低于產品的設計工作溫度。
    d.如僅在產品的系統進行篩選，在確定篩選的上限、下限溫度時，要對系統中的各部件和元器件的設計工作溫度和設計工作溫度及儲存高溫和低溫進行對比分別找出此系統的各部件和元器件的設計工作溫度和儲存高溫中的值，得到一個設計工作溫度和一個儲存高溫，再分別找出此系統的各部件和元器件中設計工作溫度和儲存低溫的值，得到一個設計工作溫度和一個儲存低溫。
    這4個溫度值中，兩個工作溫度構成一組，設計、工作溫度，兩個儲存溫度構成一組儲存高、低溫。把這二組溫度作為確定該系統篩選上限、下限溫度的依據。
    2）溫度變化速率確定準則
    由于以下原因，在ESS中加熱、冷卻是不均勻的：
    a.受篩產品表面不均勻的熱傳遞；
    b.受篩產品表面與內部之間的熱滯后；
    c.受篩產品各部件的熱慣性不一樣。
    因此，在整個受篩產品中就可能存在瞬時溫度梯度。這種溫度梯度及其引起的熱應力/應變隨著溫度變化速率的增加而增加。如果溫度變化速率太高，有可能損壞受篩產品； 如果箱中空氣流速慢且受篩產品質量大，由于熱慣性大，增加試驗空氣溫度變化速率反而會導致過分溫和的篩選，因為受篩產品溫度變化跟不上箱中空氣溫度的變化。
    溫度變化速率不小于5℃/min。溫度變化速率小于5℃/min，篩選效果將降低。
    3）上、下限溫度的持續時間確定準則
    種準則是：當受篩產品中響應慢的部分的溫度與終溫度之差在規定值之內時，就認為實現了穩定。這一準則核心是使元器件溫度達到某一規定值。不推薦把受篩產品中具有熱慣性的元部件作為溫度穩定的部位，也不推薦僅使組件中的某一部分元部件作為確定的部位。
    第二種準則是：當受篩產品中響應慢的部分溫度變化速率達到某一規定小值時，就認為實現了穩定。（不常用）
    4)無故障循環次數確定準則
    無故障循環應作為通電溫度循環篩選的一個組成部分，其目的主要為：
    a.作為篩選圓滿程度的度量；
    b.作為故障修理是否有效的度量；
    GJB1032規定至少10個循環不出故障，才通過其規定的篩選度的篩選。
    5)設備狀態確定準則
    溫度循環篩選中，可以在兩個極值中的任一個或在這兩個溫度極值下及在室溫下進行充分的檢測。
    從可能性和經濟性出發，一般在高組裝級進行通電和檢測，在低組裝級不進行通電和檢測。
    在溫度循環中，降溫階段不應通電，因為通電使產品發熱，會影響產品溫度變化速率。
    3、隨機振動應力確定方法
    振動篩選時產品中缺陷的析出主要取決于缺陷處振動響應量值，振動篩選的有效性是由受篩產品對振動的響應決定的，而不是由振動輸入決定的。
    1）振動譜和量值
    考慮振動譜和量值時，重要的是要規定其激勵特性。一個充分篩選的振動譜的信號是寬帶的，以保證所有時間在連續頻率上都施加振動且達到適當的譜量值。
    GJB1032中推薦單軸振動10min，多軸振動每軸5min。
    2）振動軸向
    原則上，隨機振動一般應在3個軸向進行，具體進行幾個軸向振動，按以下方法確定：
    a.單軸向篩選
    如果經充分統計抽樣獲得的數據庫篩選數據始終能證明在其他軸向發現的缺陷極少，則限于單一振動軸向的有效振動篩選是可以接受的。決定單軸激勵時，要在3個互相垂直的軸向進行振動調查，確定產品關鍵部位的響應，以找出有效的軸向。
    b.兩軸向依次篩選
    當篩選增加到在兩個軸向依次進行，將明顯提高發現缺陷的能力。然而，任意指定在某兩個軸向進行篩選，可能會限制尋找缺陷的能力。因此，應當通過振動調查或支持兩軸篩選工作的數據庫來確定這兩個軸向。
    c.三軸向依次篩選
    從一般意義來說，三軸向篩選在尋找缺陷方面為有效，篩選的有效性取決于單元或系統對振動激勵的響應。在每一個軸向隨意施加一個固定的輸入會導致過應力或欠應力條件。因此，理想的篩選是在每一個軸向施加振動，找出每一軸向佳振動的輸入量值。這就能保證在每個軸向的危險頻率處有足夠的能量去尋找出大多數預期的缺陷。
    d.雙軸向或三軸向同時篩選
    在兩個或3個軸向同時激勵產品的振動篩選可以滿足激勵主要響應軸的要求，同時還增加了旋轉激勵，可大大減少篩選時間和裝卸費用。
    3）振動持續時間
    隨機振動時間一般是每個方向10min，5min用于激發缺陷成為故障，以便進行修理和剔除早期故障，大部分產品中的潛在缺陷用5min的隨機振動都能激發出來。另外用5min進行無故障驗證。

    五、基線篩選方案與實施過程

    1、基線篩選方案

    2、常規環境應力篩選設計程序

圖9 常規環境應力篩選設計程序