Технологии в электронной промышленности №2'2012

Методы и оборудование для быстрого выявления существующих и будущих дефектов изделий

Кисин Алексей


Производителям радиоэлектронной аппаратуры всегда хотелось предугадать будущее выпускаемых ими изделий. Как они покажут себя в работе через месяц, год и более? Как выявить у них дефекты, которые на момент изготовления себя не проявляют, но через полгода станут причиной отказа изделия?

Хорошо известны ускоренные ресурсные испытания (ALT), суть которых — симуляция предельных воздействий. Изделие должно выдержать их в процессе хранения, транспортировки и эксплуатации в соответствии с требованиями технических условий. Симуляция таких воздействий позволяет определить закономерности образования существенных дефектов, которые возникают в течение срока службы, и оценить период, через который они вероятно проявятся.

Для подготовки к ALT разумно сделать следующее:

  1. Выяснить, какой срок службы изделия ожидает покупатель. Этот срок обычно зависит от типа изделия и его цены. Если в документах на изделие не приведена информация о сроке службы, то скорее всего оно очень быстро выйдет из строя.
  2. Определить факторы окружающей среды, которые будут воздействовать на изделие в течение его срока службы (транспортировка, хранение, эксплуатация, консервация), и их экстремальные уровни.
  3. Выяснить частоту и длительность пребывания изделия в функционирующем состоянии. Во внимание следует принять самый неблагоприятный вариант. Знание этих величин позволит заметно сократить время испытаний.
  4. Сформировать данные о возможных исключительных по величине воздействиях:
    • определить их экстремальные уровни и их длительность;
    • определить уровни, число и длительность воздействий, имеющих природу переходных процессов (резкое перемещение из холодного помещения в теплое и т. п.).
  5. Синтезировать ресурсные испытания на основании подготовленных выше данных с учетом следующих рекомендаций.

Первая часть испытаний должна отражать условия транспортировки и хранения, а вторая — воздействие среды в период эксплуатации. Поэтому разумно начать с испытания вибрацией, а затем уже подвергнуть изделие климатическим воздействиям. Причем первыми должны быть наиболее тяжелые воздействия. Рекомендации по параметрам воздействий, симулирующих транспортную тряску, можно найти в MIL-STD-810 или в SAEJ-1211.

Важно на всем протяжении испытаний проводить мониторинг состояния изделия, а также документировать результаты (при каких воздействиях и через какое время появились те или иные повреждения). Эта информация поможет понять механизмы проявления дефектов и откорректировать как само изделие, так и методику испытаний.

Однако ALT не полностью удовлетворяют производителя изделий. Они требуют заметных затрат времени и не влияют на надежность прошедшего испытания изделия. Поэтому в последнее время все больший интерес вызывают ускоренные стрессовые испытания (AST), суть которых — стимуляция скорейшего проявления потенциальных дефектов и их устранение. В результате прошедшее испытания изделие обладает более высокой надежностью, чем не прошедшее.

Рассмотрим особенности AST, сравним с ALT и проанализируем оборудование для их реализации.

AST можно описать как последовательность коротких по длительности, но превышающих предельные уровни воздействий, имитирующих факторы окружающей среды. Цель — инициирование процессов образования потенциальных дефектов и скорейшего их проявления. Потенциальные дефекты — те, которые возникают в течение срока службы изделия под воздействием на него факторов окружающей среды обычного (существенно более низкого, чем при AST) уровня.

Кратко разница между ALT и AST формулируется так: AST — это испытания «до отказа изделия» в отличие от ALT — испытаний «на подтверждение безотказной работы». AST позволяют выявить (чтобы затем устранить) дефекты до начала эксплуатации и таким образом максимально повысить надежность изделия в период его срока службы.

На чем основаны методы AST?

Исследования достижения усталости материалов с помощью стрессовых воздействий, превышающих уровень значений, возникающих при нормальной эксплуатации изделия, привели А. Пальмгрена в 1924 г. к «гипотезе линейного суммирования повреждений», которую наглядно можно показать на простом примере. Если у изделия появилось повреждение в результате 100 000 воздействий стрессовой нагрузкой, то каждое такое воздействие «отобрало» у изделия 1/100 000 срока службы.

А. Майнер в 1945 г. развил эту гипотезу, предложив уравнение:

где n1, n2, …, nk — число стрессовых воздействий на каждую из составных частей устройства; Nf1, Nf2, …, Nfk — срок службы, выраженный в числе стрессовых воздействий, выводящих из строя данную составную часть устройства.

На практике это соотношение оказалось очень близким к истине для вибрационных и температурных воздействий, вызывающих накапливание дефектов за время работы изделия.

Исследователи С. Крэндл и У. Марк в 1963 году предложили эмпирическую формулу, связывающую ускоренное выявление повреждения с вызвавшими его механическими стрессовыми воздействиями:

где D — накопленное повреждение от усталости материала; n — число повторов стрессового воздействия; σ — параметр воздействия (нагрев, статическое давление, вибрация или др.); β — экспериментальная константа (от 6 до 25).

Согласно формуле при увеличении значения параметра воздействия можно уменьшить число повторов. Это справедливо в первую очередь для однородных объектов.

Практика подтвердила, что существенные скрытые повреждения могут быть ускоренно выявлены небольшим числом повторов стрессовых воздействий с уровнями, которые превышают максимальные значения, имеющие место при эксплуатации изделия.

Желательность таких испытаний очевидна. Во-первых, они позволяют быстро оценить полную прочность изделия на ранней стадии разработки, выявляя пределы рабочих нагрузок. Во-вторых, инициируют повреждения, которые можно разделить на более или менее существенные, что позволяет конструкторам внести улучшающие коррективы с минимальными переделками изделия. Наконец, они дают бесценную информацию о реакции изделия на воздействия окружающей среды и условия функционирования, что также помогает улучшить его конструкцию.

Реализация AST

Когда следует проводить AST?

Рекомендуется делать это при разработке, производстве, выборочном и полном контроле.

Как выбрать уровни воздействий для AST?

Все зависит от самого изделия. Сначала надо решить, какие нужны воздействия. Для этого желательно иметь данные о типичных дефектах и процессах их проявления. Изучив их, можно понять, какие воздействия следует применить, чтобы ускорить расходование ресурса изделия. Информацию можно отыскать в литературе. Если же такие данные отсутствуют, нужно провести испытания ступенчатыми воздействиями или предельно ускоренные ресурсные испытания (HALT).

Рассмотрим поиск подходящих уровней с помощью метода ступенчатых воздействий. Они используются, когда известны типичные значения воздействия. После того как такое значение достигнуто, уровень увеличивают ступенями. Такой подход применяется при температурных, вибрационных, электрических и других воздействиях, осуществляемых отдельно или комбинированно.

Сначала проводится испытание на предельное воздействие, не выводящее из строя изделие. Когда же достигнут предел, при котором изделие прекращает работать, проводят анализ дефектов, изделие ремонтируют и вновь подвергают воздействиям. Эти действия повторяются до тех пор, пока не будет достигнут удовлетворительный результат. Определить, когда следует прервать испытания ступенчатым стрессом, можно по любому из следующих событий:

  • Достигнутый уровень воздействия намного выше ожидаемого для работающего изделия.
  • Образец неработоспособен.
  • Начали появляться несущественные дефекты.

Длительность воздействий выбирается, исходя из возможностей оборудования и времени, необходимого для правильного (электрического, механического) управления и тестирования.

Виды воздействий, используемых в AST

AST применимы к изделиям, подвергающимся одному или более воздействиям окружающей среды. К таким воздействиям относятся термоциклирование, вибрация, электрошок, термоудар, влажность и др. Параметры воздействий — тип, скорость изменения, пиковые значения и т. п. — должны быть установлены для каждого изделия.

Рассмотрим наиболее часто используемые воздействия, инициирующие проявление потенциальных дефектов. Важно, что каждый тип воздействий стимулирует определенные повреждения.

Термоциклирование

Термоциклирование — это множество циклов изменения температуры между заданными экстремальными значениями. Так как уровни воздействий в AST зависят от самого изделия, экстремальные значения температуры должны быть достаточно далеко друг от друга, чтобы при испытаниях получить оптимальный результат. Постоянная скорость изменения температуры обеспечивает необходимое расширение и сжатие материала для достижения удовлетворительного стресса. Очень важно поддержание заданной скорости. Следует контролировать скорость изменения температуры, разность между ее экстремумами, число циклов. Важны также скорость и направление воздушного потока вокруг изделия (выбираются экспериментально) и длительность воздействия экстремальной температуры в течение цикла (время пребывания на пике).

Вибрация

Вибрация — это механическая стимуляция изделия с заданной силой и частотным спектром, поэтому очень важно надежно закрепить изделие на оборудовании.

В AST используются, как правило, два типа виброгенераторов (шейкеров): электродинамический и мультиударный. Лучше известны электродинамические шейкеры, управляемые компьютером. Чаще всего используется программа случайной вибрации в диапазоне 5–2000 Гц. Число осей, по которым осуществляются воздействия, — от одной (как правило) до трех (редко). Благодаря компьютерному управлению легко формируются специальные воздействия, например наложение узкополосного случайного сигнала на широкополосный случайный сигнал (все зависит от применения изделия).

Мультиударный шейкер основан на применении пневмомолотков, наносящих многократные удары снизу по плите, на которой закрепляется изделие. В результате перемещение изделия происходит по шести осям (в шести степенях свободы — три поступательных и три вращательных). Основная энергия колебаний сосредоточена в диапазоне от 2 до 5000 Гц. Такое воздействие рационально применять только в стимулирующих испытаниях.

Термошок

Термошок — быстрое перемещение изделия вручную или механически из одной зоны с экстремальной температурой в другую с противоположной по знаку экстремальной температурой. Термошок хорош для выявления дефектов компонентов изделия (например, в интегральных схемах). Используются зоны с экстремальными температурами, выполненные по схемам «воздух – воздух» или «жидкость – жидкость».

Разновидности ускоренных стрессовых испытаний

Совершенствование ускоренных стрессовых испытаний привело к появлению их разновидностей.

Предельно ускоренные ресурсные испытания (HALT)

Представляют собой совокупность стрессовых воздействий, таких как предельная температура и ударная стрессовая вибрация. Суть HALT — многократные мультиосевые квазислучайные вибрационные воздействия по всем осям координат (иначе говоря, колебания в шести степенях свободы). HALT впервые были разработаны авиакомпанией «Хьюз Эйркрафт» в 1970-х годах для изделий, эксплуатирующихся в экстремальных условиях. Они стимулируют усталость материалов, которая, в свою очередь, вызывает повреждения. Последние могут быть проанализированы, идентифицированы и устранены. При этом оценка времени проявления дефектов остается неизвестной.

Предельно ускоренные стрессовые исследования (HASS)

HASS — это HALT плюс непрерывное наблюдение за состоянием изделия (контроль его параметров). Они позволяют быстро выявить потенциальные производственные дефекты; цель — устранить их и тем самым повысить надежность изделия. Проведение HASS позволяет обнаружить скрытые дефекты изделия с минимальными материальными и временными затратами, что способствует повышению надежности изделий, снижению производственных расходов (так как сокращается время испытаний) и расходов на ремонт (потенциальные дефекты выявляются и устраняются в ходе испытаний).

Системы Extreme AST производства Thermotron Industries

Средства для проведения AST изготавливают многие производители. Что же касается устройств, позволяющих выполнять HALT и HASS так, как это описано выше, то их пока выпускает только американская компания Thermotron Industries. Годы экспериментов с оборудованием, объединяющим стрессовые камеры термоциклирования с системами вибрации, привели к разработке так называемых предельно ускоренных стрессовых испытательных систем Extreme AST (рис. 1–4). Компания Thermotron Industries запатентовала мульти- ударный вибрационный стол и конструкцию молотка (ударника), которые представляют собой быстродействующий и эффективный инструмент, выявляющий дефекты намного быстрее, чем ранее известное оборудование. Независимое управление частотой и амплитудой каждого ударника позволяет обеспечить многообразие форм профиля вибрации.

Испытательная система AST-8

Рис. 1. Испытательная система AST-8
Испытательная система AST-18

Рис. 2. Испытательная система AST-18
Испытательная система AST-35

Рис. 3. Испытательная система AST-35
Испытательная система AST-70

Рис. 4. Испытательная система AST-70

Системы могут выполнять ускоренные стрессовые испытания по разным методикам, таким как HALT и HASS, ступенчатые стрессовые испытания и т. п. Все они ускоряют выявление дефектов, которые остаются незамеченными при обычных способах испытаний. Камеры термоциклирования систем способны создавать термоудар со скоростью изменения температуры до 70 °C/мин. Значительный объем рабочей зоны и высокая скорость воздушного потока, направляемого с помощью регулируемых трубопроводов непосредственно на образец, способствуют эффективному выявлению дефектов у различных изделий.

Преимущества систем Extreme AST:

  • Диапазон регулирования СКВ ускорения: от 1 до 100grms.
  • Ударное ускорение: не менее 1500gpk по шести степеням свободы одновременно.
  • Достаточное по величине вибросмещение по всем направлениям.
  • Бóльшая часть энергии приходится на область низких частот.
  • Повышенная прочность конструкции.
  • Высокая воспроизводимость параметров.
  • Пониженный расход сжатого воздуха.

Модельный ряд и технические характеристики систем Extreme AST представлены в таблице. Такие параметры дают дополнительные возможности обнаружения дефектов, недоступных для прежних устройств.

Таблица. Модельный ряд и технические характеристики систем Extreme AST

Параметры AST-8 AST-18 AST-35 AST-70
Объем рабочей зоны, л 223 549 1135 1965
Рабочая зона (Ш×Г×В), см 61×60×61 84×86×76 106×106×101 137×142×101
Габариты (Ш×Г×В), см 198×86×198 229×145×221 227×154×266 264×175×264
Диапазон температур, °С –100…+200
Скорость изменения температуры, °С/мин. Не менее 70
Ток потребления (на 380 В), A 37 63 184 184
Размер вибростола, см 40×40 40×40
61×61
71×71
61×61
71×71
81×81
92×92
112×112
122×122
Частоты вибрации, Гц 0–10 000
Ускорение, grms Более 100 без нагрузки в диапазоне 0–10 000 Гц
Ударное ускорение, gpk Более 1500
Потребление сжатого воздуха, давление 6,2 бар 0,13 м3 на один ударник

Литература

  1. Fundamentals of accelerated stress testing — http ://www.thermotron.com.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо