ESS-环境应力筛选介绍
一、概念
环境应力筛选(Environment Stress
Screen,ESS)是一种工艺手段，是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，并通过检验发现和排除故障的过程。
ESS旨在激发并排除早期故障，使产品的可靠性接近设计的固有可靠性水平。应力水平以能激发出缺陷但不损坏产品为原则。ESS分为常规筛选和定量筛选。目前国内仅广泛开展常规筛选。
ESS的对象为元器件和各个组装等级，
二、 典型筛选应力
各类典型筛选应力的强度及费用如下表所列。
表1 典型筛选应力强度及费用对比
应力类型 应力强度 费用
温度 恒定高温 低 低
温度循环 慢速温变 较高 较高
快速温变 高 高
温度冲击 较高 适中
振动 正弦扫频 较低 适中
随机振动 高 高
综合 温度循环与随机振动 高 很高
下面简单介绍以上几种典型筛选应力并比较其筛选效果。
1. 恒定高温
也称为高温老化，使产品在规定高温下连续不断地工作，激发出早期故障。筛选方法要根据受筛产品是否发热制定。该筛选广泛应用于元器件的筛选，不适用于组件级（印制线路板、单元或系统）筛选。筛选效果远低于温度循环。
2. 温度循环
影响筛选结果的主要参数为温度变化范围、温度变化速率及循环次数。通常适用于组件级筛选。筛选温度时间历程考虑受筛产品通电和不通电两种情况。激发的故障模式主要有：
a) 使涂层、材料或线头上各种微观裂纹扩大。
b) 使粘结不好的接头松弛。
c) 使螺钉连接或铆接不当的接头松弛。
d) 使机械张力不足的压配接头松弛。
e) 使质量差的钎焊接触电阻加大或造成开路。
f) 粒子污染。
3. 温度冲击
影响筛选结果的主要参数为温度变化速率、温度转换时间及温度冲击循环次数。因其温度变化率较高，产生的热应力较大，是筛选元器件，尤其是集成电路器件的有效方法。用于组装等级时要注意其可能造成的附加损坏。筛选效果类似于温度循环。激发的故障模式类似于温度循环。
4. 正弦扫频
在一定时间段内依次对产品内需要重点筛选的元部件的共振频率进行激励，产生共振。筛选效果较随机振动低。激发的故障模式主要有：
a) 结构部件、引线或元件接头产生疲劳，特别是导线上有裂纹或类似缺陷的情况下。
b) 电缆磨损。
c) 螺钉接头松弛。
d) 安装加工不当的集成电路片离开插座。
e) 汇流条及连到电路板上的钎焊接头受到高应力，引起钎焊薄弱点故障。
f) 与可作相对运动的部件桥形连接的元器件引线因没有充分消除应力而造成损坏。
g) 已受损或安装不当的脆性绝缘材料出现裂纹。
5. 随机振动
在很宽的频率范围上对产品施加振动，产品在不同的频率上同时受到应力，使产品的许多共振点同时受到激励。筛选效果大大增强，筛选持续时间也减少到正弦扫频的1/3-1/5。激发的故障模式与正弦扫频的相同，但能激发的故障机理更复杂，激发故障的速度更快。
6. 筛选效果对比
a) 振动应力对于激发如松弛、碎屑和固定不紧的工艺缺陷更为有效。一般说来，发现缺陷中约20%是对振动响应的结果。
b) 温度循环对于发现参数漂移、污染之类的元器件缺陷更为有效。一般说来，发现缺陷中约80%是对温度响应的结果。
三、 针对不同组装等级的ESS
根据图1可知，组装等级分为组件级、单元级和系统（设备）级。下面介绍组件级和单元级的优缺点及可筛选出的主要缺陷。
1. 组件级
优点：尺寸小，不通电测试，成本低；热惯性小，温度变化率较高；能进行比单元级的温度变化幅度更大的筛选，筛选效率高。
缺点：不通电导致寻找故障效率低；如要通电检测，则需专门测试设备，成本将增加；无法筛选单元级、系统级引入的缺陷。
缺陷：漏检的元器件缺陷；元器件和电路板焊接点分离；焊接缺陷；参数漂移、超出容差。
2. 单元级及以上组装级
优点：因为不需要专门设计检测系统，筛选期间易进行通电和检测，检测效率高；单元中各级间的接口也能得到筛选；能筛选出各种类型的潜在缺陷；能发现某些设计缺陷。
缺点：热惯性大，温度变化速率小，温度循环时间需加长；要考虑多种元部件的温度极限，筛选温度变化幅度减小，筛选率降低；成本高。
缺陷：组件级的连接缺陷；导线连接缺陷；输入/输出连接缺陷；单元内部电缆缺陷；组装中使用了以前未经筛选组件（如采购的组件等）引入的缺陷。
小结：理论上应当对各个组装等级进行逐级ESS，实际工作中则要权衡技术和成本等各方面因素，结合产品确定的筛选方案。如果根据产品使用情况和其他试验信息得知故障主要出现在某一组装等级，则可仅针对该组装等级进行ESS。通常较为实用的方法是对组件进行温度循环筛选，对单元以上等级进行随机振动试验。
四、 主要工作
ESS是提高批产品可靠性的重要工序，是进行其他可靠性试验的前提条件。后续工作如下。
1. 对需筛选产品的各类故障信息进行统计分析，尽可能确定故障主要出现的组装等级。故障信息主要包括：
1) 研制阶段的故障信息，特别是故障类型分布和数量，以及故障所在部位的信息。
2) 各类试验，如性能试验、环境试验、可靠性试验等中的故障信息。
3) 产品使用过程中的故障信息。
2.收集受筛选产品对温度和振动响应的特征信息，主要包括产品中各重要元器件的热点、温度稳定时间、产品的共振点、产品中振动响应的部位等。
3. 收集产品使用的元器件和其他外构件质量水平信息。主要包括出厂前是否进行ESS、批生产采用的ESS筛选应力等。
4. 根据以上收集到的信息进行评估分析，权衡ESS效果、试验设备能力及成本等因素，初步设计ESS大纲。
5. 按规定的设计准则对大纲进行适当调整，并根据实际情况实时调整，使ESS更为经济有效。
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