一、環(huán)境應力篩選(EnvironmentalStressScoreening)的概念及發(fā)展
1.產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品可靠性這一焦點上.
要控制產(chǎn)品的可靠性，需要了解產(chǎn)品失效的原因，分析產(chǎn)品出廠施加應力后出現(xiàn)的故障，最終，也是最重要的是確定產(chǎn)品失效的模式，而此種失效模式是經(jīng)過常規(guī)檢驗或試驗不可能被發(fā)現(xiàn)的，如：參數(shù)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(chǎn)品，大大提高其可靠性，ESS技術開展了對產(chǎn)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(diào)的可靠性上，使可靠性被認為是產(chǎn)品性能中的一個最重要參數(shù)。
這是因為盡管有很好的產(chǎn)品設計，并通過認可的成熟的工藝來制造，產(chǎn)品也有可98失效，大多數(shù)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(guī)的試驗不易出現(xiàn)，也不易鑒別，但是，隨著使用的增長，可能使產(chǎn)品突然失效
根據(jù)產(chǎn)品累積失效的數(shù)據(jù)表明：潛在缺陷會導致產(chǎn)品早期失效，當產(chǎn)品超過早期失效階段，通常就是可靠的，如圖A所示的產(chǎn)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(chǎn)品壽命分為三段，即：早期，有效壽命期和損壞期。
產(chǎn)品初期使用階段故障率高，可靠性差，因而控制產(chǎn)品可靠性的關鍵因素是保證產(chǎn)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(chǎn)品失效率高的初期階段在廠內(nèi)完成，從而保證用戶得到的是令其滿意的可靠的產(chǎn)品。這就引出了環(huán)境應力篩選的概念。
2.ESS是什么?
環(huán)境應力篩選(Ess)的意義就是篩選產(chǎn)品，把通過不能用常規(guī)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(qū)域。
經(jīng)過一個ESS程序，使某類產(chǎn)品100％的進行環(huán)境應力激勵，并預行確定試驗時間，強制有缺的產(chǎn)品失效在廠內(nèi)發(fā)生。
要了解ESS最重要的是在程序內(nèi)，失效產(chǎn)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(guī)檢驗根本不同，常規(guī)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(chǎn)品上，事實上，它完全不是一種常規(guī)試驗，而是用于提高產(chǎn)品可靠性的一種方案，一種手段，而常規(guī)的試驗卻不能。
以下兩個重要的因素是正確實現(xiàn)ESS的關鍵：
1）應力最佳水平必須適合于強制產(chǎn)品的缺陷變?yōu)槭В?
2）應力環(huán)境必須不超過產(chǎn)品電氣和機械性能的極限，強制應力不應使無缺陷的產(chǎn)品失效或減少產(chǎn)品的有效壽命。
ESS是一種高效的提高產(chǎn)品可靠性的工具，它將給企業(yè)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(chǎn)品被篩選出來；
3）較早檢測出設計和制造工藝中的毛??；
4）保證產(chǎn)品可靠；
5）增加產(chǎn)品價值；
6）保證用戶滿意。
3.ESS的發(fā)展
在第二次大戰(zhàn)期間，受軍事的驅(qū)駛，環(huán)境試驗已成為重要的試驗，由于武器激增，飛機通訊等現(xiàn)場試驗需要的費用高，且時間長，于是發(fā)展了環(huán)境模擬技術，在一個隔熱試驗箱內(nèi)，對產(chǎn)品作溫度、濕度、高度等模擬試驗，在產(chǎn)品開發(fā)階段用以驗證設計，在制造階段以檢查產(chǎn)品的制造工藝以保證設計的一致性。
戰(zhàn)后，電子技術逐步發(fā)展，產(chǎn)品尺寸減小，復雜性增加，更需要好的生產(chǎn)工藝和組裝程序，從產(chǎn)品累積失效的資料分析，發(fā)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(fā)生在產(chǎn)品使用的初期階段，故確定試驗方法應模擬產(chǎn)品初期階段，并提出措施。
通過對產(chǎn)品早期階段的試驗中，提出了對產(chǎn)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(chǎn)品早期突然失效，某種應力會有加大的效果。
老化試驗使產(chǎn)品有較小數(shù)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(chǎn)速度慢，產(chǎn)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(huán)境模擬試驗的新裝置，軍事要求產(chǎn)品能用在多變的環(huán)境下，暴露在環(huán)境參數(shù)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(nèi)暴露于顯著的溫度變化中，靜止不變的環(huán)境參數(shù)，如老化，不能提供此種模擬。于是，一種綜合環(huán)境模擬型式被推出，如：早期的溫度循環(huán)加低頻機械振動。模擬試驗的基本原則：產(chǎn)品暴露的環(huán)境要相似于實際使用的環(huán)境，模擬試驗產(chǎn)生一些重要結(jié)果：
首先，一定數(shù)量的產(chǎn)品能在恒定溫度應力下正常工作，但在遭受多次溫度循環(huán)后就要失效。這就是溫度循環(huán)程序，它是ESS理論的基礎。其次，與熱老化比較，失效數(shù)大大增加，特別是失效型式將可能在現(xiàn)場使用時才發(fā)現(xiàn)。最后，溫度循環(huán)使產(chǎn)品突然失效的時間很短。溫度循環(huán)試驗通過溫度變化顯然產(chǎn)生了一種應力，使事先未檢查出來的產(chǎn)品潛在缺陷暴露出來了。
從以上發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生了ESS基本原理，這門學科與通常試驗方法的區(qū)別終于使人們弄明白，環(huán)境試驗要用于確認設計，而環(huán)境應力篩選則用于考核產(chǎn)品的零部件、材料和制造工藝的失效性。
美國環(huán)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(fā)表的論文和其它資料，提供了更加有力的論據(jù)，說明ESS是一個提高產(chǎn)品可靠性非常成功的方法。
4.可能對ESS產(chǎn)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(chǎn)品潛在的缺陷，以及可能發(fā)生在現(xiàn)場的其它性質(zhì)的失效。
2）ESS與老化試驗是一樣的：ESS是從老化理論發(fā)展起來的，但它是一個有顯著優(yōu)點的程序，老化是使產(chǎn)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(huán)境溫度之間，使產(chǎn)品承受多次的循環(huán)應力。
3）ESS就是隨機抽樣：ESS要求100％的產(chǎn)品作暴露試驗，而不能隨機抽樣，因為產(chǎn)品潛在的缺陷特性是隨機的，將所有產(chǎn)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(huán)境模擬和實驗室分析去確定，即當產(chǎn)品用在不超過規(guī)定的環(huán)境下，產(chǎn)品是否有效。而ESS則不同，為了達到暴露產(chǎn)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(shù)據(jù)中分析零、部件及產(chǎn)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(fā)生最適當?shù)氖В@些失效在產(chǎn)品正常使用情況下都會發(fā)生，ESS基于某種產(chǎn)品的模擬性而確定最大允許加載應力，無缺陷的產(chǎn)品能吸收而不影響其使用壽命，絕大多數(shù)有潛在缺陷的產(chǎn)品將失效，并在出廠前在廠內(nèi)檢查出來。
6）ESS是昂貴的：ESS程序雖然要花去一些經(jīng)贊和時間，但是，由于可大大減少維修費用，三包費用，提高產(chǎn)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(chǎn)品維修費降到最低點的方法。
二.ESS的型式
ESS使產(chǎn)品暴露在一種或多種應力環(huán)境中，如溫度循環(huán)、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(chǎn)品必須明確持續(xù)時間。
常用的ESS型式如下：
1.溫度循環(huán)：
包含在預定極限之間多次溫度變化循環(huán)，典型的溫度循環(huán)曲線如圖B。
溫度極值與產(chǎn)品相關，必須不使無缺陷產(chǎn)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(chǎn)品施以足夠的影響。
ESS的溫度循環(huán)，其試驗箱內(nèi)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(jié)構(gòu)設計不同，因此產(chǎn)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(huán)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(huán)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(huán)試驗中，風速有決定性的直接影響，圖G說明，在同一箱內(nèi)空氣溫度循環(huán)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(nèi)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(chǎn)品進行篩選與其它ESS型式比較需時較短，對暴露產(chǎn)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(jīng)常采用，如果費用允許，可與溫度循環(huán)一起進行篩選。
3、高溫老化
這個篩選程序通常是靜態(tài)的，使產(chǎn)品承受預定時間提高了的溫度，相信產(chǎn)品在連續(xù)工作，和施加的熱能下，可強制出現(xiàn)早期失效?，F(xiàn)在的研究說明，高溫老化效果比溫度循環(huán)差得多。
4、電應力
用于電路系統(tǒng)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(chǎn)品通電也是必需的。
5、熱沖擊
使產(chǎn)品暴露在急劇的溫度極限，常用快速方式，即；產(chǎn)品按時間程序不斷循環(huán)移動一不論是機械的還是動手的，從極端熱環(huán)境到極端冷環(huán)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(chǎn)品受熱后又置于冷環(huán)境，使其強制收縮而發(fā)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(huán)境
按產(chǎn)品的復雜性、價值或可靠性規(guī)程，環(huán)境應力篩選型式可以相互組合。例如：溫度循環(huán)和隨機振動常常綜合在一個ESS程序內(nèi)，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(huán)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(chǎn)品中，在最時間內(nèi)，使有缺陷的產(chǎn)品最大數(shù)量的失效。
三、溫度循環(huán)是ESS最有效的方式
根據(jù)美國環(huán)境科學學會(1E5)等單位的研究資料，斷定溫度循環(huán)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(huán)是最有效性別潛在缺陷的篩選型式。其次是隨機振動，其發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效數(shù)約為溫度循環(huán)的2／3多。
其次，溫度循環(huán)對產(chǎn)品加載應力均勻，每一產(chǎn)品都承受相同的應力，應力均勻性也較易控制，在執(zhí)行程序或修改程序方面有較大的靈活性。
最后，溫度循環(huán)的篩選時間較大多數(shù)其它型式短,(與其它型式強制最大數(shù)量缺陷失效的時間比較)
溫度循環(huán)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(chǎn)品預定的使用極限，只要產(chǎn)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(chǎn)生最佳應力水平，且多次循環(huán)而不危害無缺陷產(chǎn)品，圖F表示出不同變化速率對篩選強度的影響。
第三，產(chǎn)品溫度必須緊跟箱內(nèi)的溫度，這可以通過提高產(chǎn)品周圍的風速來達到。圖G顯示，在不同風速下產(chǎn)品溫度變化的快慢不同，當風速增大，產(chǎn)品的溫度變化就加快，較快的濕度變化使產(chǎn)品產(chǎn)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(huán)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(chǎn)品溫度變化速率大于或等于5℃/min；
（3）產(chǎn)品上的風速約3.8m/s;
（4）確保引起產(chǎn)品缺陷失效的足夠循環(huán)周期。
