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於產品的瑕疵浮現[潛在零件材料瑕疵、設計瑕疵、製程瑕疵、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，將澡盆曲線裡面的早夭期階段的產品事先剔除與修裡，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，以避免該產品於使用過程中，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，但是對於提高產品出貨良率與降低返修次數，有顯著的效果，對於總成本反而會降低，另外客戶信任度也會有所提升，一般針對於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，針對於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製程階段的過程，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(篩選試驗可以在元件、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.恆定高溫預燒(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於篩選零件(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恆定高溫預燒對元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。

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%

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。如果產品內部有暫態的熱梯變(溫度不均勻性)，或產品內部鄰接材料的熱膨脹係數彼此不匹配時，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最大，這種循環使缺陷長大，最終可大到能造成結構故障並產生電故障。例如，有裂紋的電鍍通孔其周圍最終完全裂開，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最為適用於印刷電路板結構的電子產品。

溫度迴圈所激發出的故障模式或對產品的影響如下：
a.使塗層、材料或線頭上各種微觀裂紋擴大
b.使粘接不好的接頭鬆弛
c.使螺釘連接或鉚接不當的接頭鬆弛
d.使機械張力不足的壓配接頭鬆弛
e.使品質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，例如保護塗層的連結
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.冷銲接點
m.多層板因處理不當而開路、短路
n.功率電晶體短路
o.電容器、電晶體不良
p.雙列式積體電路破損
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衝塗層而破裂
u.電晶體發涉及金屬帶接地出現髮樣裂紋
v.雲母絕緣墊片破裂，導致電晶體短路
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：高低溫極值範圍、駐留時間、溫變率、循環數
高低溫極值範圍：高低溫極值範圍愈大，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，典型的變化範圍為-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，至於駐留時間多少，不同產品的駐留時間皆不相同，可以參考相關規範要求。
循環數：至於溫度循環應力篩選的循環數，也是考量產品特性、複雜度、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，針對去除最可能發生的做工(workmanship)缺陷，大約需要6～10個循環才能夠有效去除，另外針對於溫度循環的有效性，主要取決於產品表面的溫變率，而不是試驗箱體裡面溫變率。

溫度循環的主要影響參數有下列七項：
（1）溫度範圍(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，如試驗條件及規範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，並沒有辦法成線性提高。

應力篩選疲勞分類：

一般關於疲勞研究之分類如，可分為高週疲勞(High-cycle Fatigue)、低週疲勞(Low-cycle Fatigue)及疲勞裂縫成長(Fatigue Crack Growth)，而在低週疲勞方面又可細分為熱疲勞(Thermal Fatigue)及恆溫疲勞(Isothermal Fatigue)兩種。

應力篩選專門名詞整理：

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次針對去除最可能發生的做工(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一級採用10～20個迴圈(通常≧10)，元件級採用20～40迴圈(通常≧25)。

溫變率：

a.MIL-STD-2164(GJB1032)明確說明：[溫度迴圈的溫度變化率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：

應力篩選規範列表

應力篩選規範：

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:

相關試驗設備