ESS溫度循環應力篩選
日期：2011-06-06 有1002人瀏覽
ESS溫度循環應力篩選
應力篩選(Environmental Stress Screening，簡稱ESS)說明：
應力篩選是產品在設計強度極限下，運用加速技巧外加環境應力，如：預燒(burn in)、溫度循環(temperature cycling)、隨機振動(random vibration)、開閉循環(power cycle)..等方法，透過加速應力來使潛存于產品的瑕疵浮現[潛在零件材料瑕疵、設計瑕疵、制程瑕疵、工藝瑕疵]，以及消除電子或機械類殘留應力，還有消除多層電路板間的雜散電容，將澡盆曲線里面的早夭期階段的產品事先剔除與修里，使產品透過適度的篩選，保存澡盆曲線的正常期與衰退期的產品，以避免該產品于使用過程中，受到環境應力的考驗時而導致失效，造成不必要的損失，雖然使用ESS應力篩選會增加成本與時間，但是對于提高產品出貨良率與降低返修次數，有顯著的效果，對于總成本反而會降低，另外客戶信任度也會有所提升，一般針對于電子零件的應力篩選方式有預燒、溫度循環、高溫、低溫，PCB印刷電路板的應力篩選方式為溫度循環，針對于電子成本的的應力篩選為：通電預燒、溫度循環、隨機振動，另外應力篩本身是一種制程階段的過程，而不是一種試驗，篩選是100％對產品進行的程序。
應力篩選適用產品階段：研發階段、批量生產階段、出廠前(篩選試驗可以在組件、器件、連接器等產品或整機系統中進行，根據要求不同可以
有不同的篩選應力)
應力篩選比較：
a.恒定高溫預燒(Burn in)的應力篩選，是目前電子IT產業常用析出電子元器件缺陷的方法，但是這種方式比較不適合用于篩選零件
(PCB、IC、電阻、電容)，根據統計在美國使用溫度循環對零件進行篩選的公司數要比使用恒定高溫預燒對組件進行篩選的公司數多5倍。
b.GJB/DZ34表示溫度循環和隨機振動篩選出缺陷的比例，溫度約占80%，振動約占20%各種產品中篩出缺陷的分情況
應力篩選(Environmental Stress Screening，簡稱ESS)說明：
應力篩選是產品在設計強度極限下，運用加速技巧外加環境應力，如：預燒(burn in)、溫度循環(temperature cycling)、隨機振動(random vibration)、開閉循環(power cycle)..等方法，透過加速應力來使潛存于產品的瑕疵浮現[潛在零件材料瑕疵、設計瑕疵、制程瑕疵、工藝瑕疵]，以及消除電子或機械類殘留應力，還有消除多層電路板間的雜散電容，將澡盆曲線里面的早夭期階段的產品事先剔除與修里，使產品透過適度的篩選，保存澡盆曲線的正常期與衰退期的產品，以避免該產品于使用過程中，受到環境應力的考驗時而導致失效，造成不必要的損失，雖然使用ESS應力篩選會增加成本與時間，但是對于提高產品出貨良率與降低返修次數，有顯著的效果，對于總成本反而會降低，另外客戶信任度也會有所提升，一般針對于電子零件的應力篩選方式有預燒、溫度循環、高溫、低溫，PCB印刷電路板的應力篩選方式為溫度循環，針對于電子成本的的應力篩選為：通電預燒、溫度循環、隨機振動，另外應力篩本身是一種制程階段的過程，而不是一種試驗，篩選是100％對產品進行的程序。
應力篩選適用產品階段：研發階段、批量生產階段、出廠前(篩選試驗可以在組件、器件、連接器等產品或整機系統中進行，根據要求不同可以
有不同的篩選應力)
應力篩選比較：
a.恒定高溫預燒(Burn in)的應力篩選，是目前電子IT產業常用析出電子元器件缺陷的方法，但是這種方式比較不適合用于篩選零件
(PCB、IC、電阻、電容)，根據統計在美國使用溫度循環對零件進行篩選的公司數要比使用恒定高溫預燒對組件進行篩選的公司數多5倍。
b.GJB/DZ34表示溫度循環和隨機振動篩選出缺陷的比例，溫度約占80%，振動約占20%各種產品中篩出缺陷的分情況
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ESS應力篩選
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出百缺陷的分比 %
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硬 體 類 型
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ESS所在組裝等級
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溫 度
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振 動
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飛機發電機
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單 元
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55
|
45
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計算機電源
|
單 元
|
88
|
12
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航空電子設備計算機
|
單 元
|
87
|
13
|
|
艦載計算機
|
單 元
|
93
|
7
|
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接收處理機
|
單 元
|
71
|
29
|
|
慣導裝置
|
單 元
|
77
|
23
|
|
接收系統
|
單 元
|
87
|
13
|
|
機載計算機
|
模 塊
|
87
|
13
|
|
控制指示器
|
單 元
|
78
|
27
|
|
接收發射機
|
模 塊
|
74
|
26
|
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|
篩選率平均值
|
79
|
21
|
c.美國曾對42家企業進行調查統計，隨機振動應力可篩出15～25%的缺陷，而溫度循環可篩選出75～85%，如果兩者結合的話可達90%。
d.藉由溫度循環所檢測出的產品瑕疵類型比例：設計裕度不足：5%、生產做工失誤：33%、瑕疵零件：62%
d.藉由溫度循環所檢測出的產品瑕疵類型比例：設計裕度不足：5%、生產做工失誤：33%、瑕疵零件：62%
溫度循環應力篩選的故障誘發說明：
溫度循環誘發的產品故障原因為：當溫度在上、下限極值溫度內進行循環時，產品產生交替膨脹和收縮，使產品中產生熱應力和應變。如果產品內部有瞬時的熱梯變(溫度不均勻性)，或產品內部鄰接材料的熱膨脹系數彼此不匹配時，則這些熱應力和應變將會更加劇變。這種應力和應變在缺陷處ZUI大，這種循環使缺陷長大，ZUI終可大到能造成結構故障并產生電故障。例如，有裂紋的電鍍通孔其周圍ZUI終完全裂開，引起開路。熱循環使焊接和印刷電路板上電鍍通孔..等產生故障的首要原因，溫度循環應力篩選尤其ZUI為適用于印刷電路板結構的電子產品。
溫度循環所激發出的故障模式或對產品的影響如下：
a.使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴大
b.使粘接不好的接頭松弛
c.使螺釘連接或鉚接不當的接頭松弛
d.使機械張力不足的壓配接頭松弛
e.使質量差的焊點接觸電阻加大或造成開路
f.粒子、化學污染
g.密封失效
h.包裝問題，例如保護涂層的連結
i.變壓器和線圈短路或斷路
j.電位計有瑕疵
k.焊接和熔接點接續不良
l.冷焊接點
m.多層板因處理不當而開路、短路
n.功率晶體管短路
o.電容器、晶體管不良
p.雙列式集成電路破損
q.因毀損或不當組裝，造成幾乎短路的線匣或電纜
r.因處理不當造成材質的斷裂、破裂、刻痕..等
s.超差零件與材質
t.電阻器因缺乏合成橡膠緩沖涂層而破裂
u.晶體管發涉及金屬帶接地出現發樣裂紋
v.云母絕緣墊片破裂，導致晶體管短路
w.調協線圈金屬片固定方式不當，導致不規律輸出
x.兩極真空管在低溫下內部開路
y.線圈間接性的短路
z.沒有接地的接線頭
a1.元器件參數漂移
a2.元器件安裝不當
a3.錯用元器件
a4.密封失效
溫度循環誘發的產品故障原因為：當溫度在上、下限極值溫度內進行循環時，產品產生交替膨脹和收縮，使產品中產生熱應力和應變。如果產品內部有瞬時的熱梯變(溫度不均勻性)，或產品內部鄰接材料的熱膨脹系數彼此不匹配時，則這些熱應力和應變將會更加劇變。這種應力和應變在缺陷處ZUI大，這種循環使缺陷長大，ZUI終可大到能造成結構故障并產生電故障。例如，有裂紋的電鍍通孔其周圍ZUI終完全裂開，引起開路。熱循環使焊接和印刷電路板上電鍍通孔..等產生故障的首要原因，溫度循環應力篩選尤其ZUI為適用于印刷電路板結構的電子產品。
溫度循環所激發出的故障模式或對產品的影響如下：
a.使涂層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴大
b.使粘接不好的接頭松弛
c.使螺釘連接或鉚接不當的接頭松弛
d.使機械張力不足的壓配接頭松弛
e.使質量差的焊點接觸電阻加大或造成開路
f.粒子、化學污染
g.密封失效
h.包裝問題，例如保護涂層的連結
i.變壓器和線圈短路或斷路
j.電位計有瑕疵
k.焊接和熔接點接續不良
l.冷焊接點
m.多層板因處理不當而開路、短路
n.功率晶體管短路
o.電容器、晶體管不良
p.雙列式集成電路破損
q.因毀損或不當組裝，造成幾乎短路的線匣或電纜
r.因處理不當造成材質的斷裂、破裂、刻痕..等
s.超差零件與材質
t.電阻器因缺乏合成橡膠緩沖涂層而破裂
u.晶體管發涉及金屬帶接地出現發樣裂紋
v.云母絕緣墊片破裂，導致晶體管短路
w.調協線圈金屬片固定方式不當，導致不規律輸出
x.兩極真空管在低溫下內部開路
y.線圈間接性的短路
z.沒有接地的接線頭
a1.元器件參數漂移
a2.元器件安裝不當
a3.錯用元器件
a4.密封失效
溫度循環應力篩選的應力參數介紹：
溫度循環應力篩選的應力參數主要有下列幾項：高低溫極值范圍、駐留時間、溫變率、循環數
高低溫極值范圍：高低溫極值范圍愈大，所需循環數愈少，成本愈低，但是不可以超過產品可承受的極限，不引發新的故障構因為原則，溫度變化的上下限差距不要少88°C，典型的變化范圍為-54°C到55°C。
駐留時間：另外駐留時間也不可以太短，否則來不及使待測品產生熱漲冷縮的應力變化，至于駐留時間多少，不同產品的駐留時間皆不相同，可以參考相關規范要求。
循環數：至于溫度循環應力篩選的循環數，也是考慮產品特性、復雜度、溫度上下限以及篩選率在訂定，其篩選數也不可超過，否則會讓產品產生不必要的傷害，也無法提高篩選率，溫度循環數從1～10個循環[普通篩選、一次篩選]到20～60個循環[精密篩選、二次篩選]都有，針對去除ZUI可能發生的做工(workmanship)缺陷，大約需要6～10個循環才能夠有效去除，另外針對于溫度循環的有效性，主要取決于產品表面的溫變率，而不是試驗箱體里面溫變率。
溫度循環的主要影響參數有下列七項：
（1）溫度范圍(Temperature Range)
（2）循環數(Number of Cycles)
（3）溫度變率(Temperature Rate of Chang)
（4）駐留時間(Dwell Time)
（5）風速(Airflow Velocities)
（6）應力均勻度(Uniformity of Stress)
（7）功能測試與否(Product Operating Condition)
溫度循環應力篩選的應力參數主要有下列幾項：高低溫極值范圍、駐留時間、溫變率、循環數
高低溫極值范圍：高低溫極值范圍愈大，所需循環數愈少，成本愈低，但是不可以超過產品可承受的極限，不引發新的故障構因為原則，溫度變化的上下限差距不要少88°C，典型的變化范圍為-54°C到55°C。
駐留時間：另外駐留時間也不可以太短，否則來不及使待測品產生熱漲冷縮的應力變化，至于駐留時間多少，不同產品的駐留時間皆不相同，可以參考相關規范要求。
循環數：至于溫度循環應力篩選的循環數，也是考慮產品特性、復雜度、溫度上下限以及篩選率在訂定，其篩選數也不可超過，否則會讓產品產生不必要的傷害，也無法提高篩選率，溫度循環數從1～10個循環[普通篩選、一次篩選]到20～60個循環[精密篩選、二次篩選]都有，針對去除ZUI可能發生的做工(workmanship)缺陷，大約需要6～10個循環才能夠有效去除，另外針對于溫度循環的有效性，主要取決于產品表面的溫變率，而不是試驗箱體里面溫變率。
溫度循環的主要影響參數有下列七項：
（1）溫度范圍(Temperature Range)
（2）循環數(Number of Cycles)
（3）溫度變率(Temperature Rate of Chang)
（4）駐留時間(Dwell Time)
（5）風速(Airflow Velocities)
（6）應力均勻度(Uniformity of Stress)
（7）功能測試與否(Product Operating Condition)
溫變率及循環數對篩選率的比較表：
說明：假設高低溫差(R)固定的條件下，其循環數也固定，溫變率越高其篩選率也會有所提高，如試驗條件及規范有規定固定的溫變率，則增加循環數也可提高篩選率，但其篩選率有一定限度，并沒有辦法成線性提高。
說明：假設高低溫差(R)固定的條件下，其循環數也固定，溫變率越高其篩選率也會有所提高，如試驗條件及規范有規定固定的溫變率，則增加循環數也可提高篩選率，但其篩選率有一定限度，并沒有辦法成線性提高。
應力篩選疲勞分類：一般關于疲勞研究之分類如，可分為高周疲勞(High-cycle Fatigue)、低周疲勞(Low-cycle Fatigue)及疲勞裂縫成長(Fatigue Crack Growth)，而在低周疲勞方面又可細分為熱疲勞(Thermal Fatigue)及恒溫疲勞(Isothermal Fatigue)兩種。
應力篩選專門名詞整理：
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part(元器件)
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產品中可以拆裝的ZUI小可分辨項目，如分立半導體器件、電阻、集成電路、焊點和連接器等。
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assembly(組件)
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設計成可裝入某一單元并與類似或其它的組件一起工作，且由一定數量的元器件組成的組合件，如印制線路板組件、電源模塊和磁心存貯器模塊等。
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unit(單元)
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裝在機箱內的一些機箱自含元器件和(或)組件。它能完成一個特定功能或一組功能，并且可作為一個獨立的部分從系統中更換，如自動駕駛儀的計算機和甚高頻通訊設備的發射機。
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equipment/system(設備或系統)
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互連或組裝在一起后，能執行完整功能的若干單元的總稱，如飛行控制系統和通訊系統。
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item(產品)
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可以單獨考慮的任一組件、單元、設備或系統的統稱。
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defect(缺陷)
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產品中可能導致出現故障的固有或誘發的薄弱點。
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patent defect(明顯缺陷)
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用常規的檢查、功能測試和其它規定的方法，而不需用環境應力篩選可發現的缺陷。
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latent defect(潛在缺陷)
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用常規的檢查、功能測試和其它規定的方法不能發現的缺陷。其中一部分缺陷若不用環境應力篩選將其排除，則在使用環境中可能會以早期故障形式暴露出來。
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escaped defect(漏篩缺陷)
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引入缺陷中用篩選和檢測未曾發現，漏入到下一組裝等級的部分。
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defect density(缺陷密度)
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一組(批)產品中每個產品所含缺陷的平均數。缺陷密度可分為引入缺陷密度、漏篩缺陷密度、殘留缺陷密度和觀察到的殘留缺陷密度。
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part fraction defective(元器件缺陷率)
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以百萬分之一(ppm)為單位表示的一組元器件中有缺陷元器件所占的比例。
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fallout(析出量)
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在應力篩選期間或在應力篩選之后立即檢測到的故障數。
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screenable latent defect(可篩選出的潛在缺陷)
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現場使用中應判為是以早期故障形式析出的缺陷，定量篩選中可把故障率大于 的潛在缺陷作為要篩選出的潛在缺陷。
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stress screening(應力篩選)
|
將機械應力、電應力和(或)熱應力施加到產品上，以使元器件和工藝方面的潛在缺陷以早期故障形式析出的過程。
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screen parameter(篩選參數)
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篩選度公式中的諸參數，如振動量值，溫度變化速率和持續時間等。
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screening strength(篩選度)
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產品中存在對某一特定篩選敏感的潛在缺陷時，該篩選將該缺陷以故障形式析出的概率。
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test detection efficiency(檢測效率)
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檢測充分程度的度量，它是由規定檢測程序發現的缺陷數與篩出的總缺陷數之比值。
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test strength of screening(篩選檢出度)
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用篩選和檢測將缺陷析出的概率，它是篩選度和檢測效率的乘積。
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thermal survey(熱測定)
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使受篩產品處于規定溫度下，并在產品內有關的部位測量其熱響應特性的過程。有關部位可以是熱慣性ZUI大的部位，也可以是關鍵部位。
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vibration survey(振動測定)
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使受篩產品經受振動激勵，并在產品內有關部位測量其振動響應特性的過程。有關部位可以是預計響應ZUI大部位，也可以是關鍵部位。
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selection/placement of screening(篩選的選擇和安排)
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系統地選擇ZUI有效的應力篩選并把它安排在適當的組裝級上的過程。
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yield(篩選成品率)
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經篩選交收時，設備內可篩選出的潛在缺陷為零的概率。
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應力篩選專門名詞縮寫詞:
ESS：環境應力篩選
FBT：功能板測試儀
ICA：電路分析儀
ICT：電路測試儀
LBS：負載板短路測試儀
MTBF：平均故障間隔時間
溫度循環循環數：
a.MIL-STD-2164(GJB 1302-90)：在缺陷剔除試驗中，溫度循環數為10、12次，在無故障檢測中則為10～20次或12～24次針對去除ZUI可能發生的做工(workmanship)缺陷，大約需要6～10個循環才能夠有效去除，1～10個循環[普通篩選、一次篩選]、20～60個循環[精密篩選、二次篩選]。
b.DOD-HDBK-344(GJB/DZ34)初始篩選設備和單元上等采用10～20個循環(通常≧10)，組件級采用20～40循環(通常≧25)。
溫變率：
a.MIL-STD-2164(GJB1032)明確說明：[溫度循環的溫度變化率5℃/min]
b.DOD-HDBK-344(GJB/DZ34)組件級15℃/min、系統5℃/min
c.一般未規定溫變率的溫度循環應力篩選，其常用的度變化率通常為5°C/min
ESS：環境應力篩選
FBT：功能板測試儀
ICA：電路分析儀
ICT：電路測試儀
LBS：負載板短路測試儀
MTBF：平均故障間隔時間
溫度循環循環數：
a.MIL-STD-2164(GJB 1302-90)：在缺陷剔除試驗中，溫度循環數為10、12次，在無故障檢測中則為10～20次或12～24次針對去除ZUI可能發生的做工(workmanship)缺陷，大約需要6～10個循環才能夠有效去除，1～10個循環[普通篩選、一次篩選]、20～60個循環[精密篩選、二次篩選]。
b.DOD-HDBK-344(GJB/DZ34)初始篩選設備和單元上等采用10～20個循環(通常≧10)，組件級采用20～40循環(通常≧25)。
溫變率：
a.MIL-STD-2164(GJB1032)明確說明：[溫度循環的溫度變化率5℃/min]
b.DOD-HDBK-344(GJB/DZ34)組件級15℃/min、系統5℃/min
c.一般未規定溫變率的溫度循環應力篩選，其常用的度變化率通常為5°C/min
溫度循環應力篩選試驗條件：
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應力篩選規范列表 應力篩選規范：
溫度循環：
零件預燒試驗：
系統預燒：
相關廠商溫度循環應力篩選循環數與溫度條件：
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