一種產品可靠性篩選裝置及方法

2023-05-04 04:41:01

專利名稱：一種產品可靠性篩選裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種產品的^T測裝置及方法，特別的涉及一種產品可靠 性篩選裝置及方法。
背景技術：
隨著經濟水平的發展，由於人們對電子及電氣產品的技術性能和結 構等方面的要求不斷提高，而材料和工藝的技術進步相對滯後，產品可
靠性問題愈顯突出。產品在^f吏用中影響其可靠性的外界環境應力有溫 度、振動、低氣壓、溼度、沖擊等等。
具體地il,在實際環境中，產品經常在三個軸向上同時受到振動能 量，而非單一軸向上的振動，只是三個軸向的振動能量大小不同而已， 但大部分情況滿足此分布樣品在立體三維即X、 Y、 Z軸向的方向受到 振動，X和Y軸向的振動能量大致相等，而Z軸向則是X軸或Y軸的兩 倍。三維振動同時激發，能更恰切地模擬產品在實際使用中的狀況。
現有技術中進行電子產品的篩選和可靠性增長活動，有多種試驗方 式，與溫度和振動相關的主要有三種試驗方式，分別是快速溫度變化、 隨機振動、HALT和HASS試驗。
通過快速溫變循環控制方式進行的篩選試驗，是目前常用的技術手 段， 一般採用快速溫變箱進行，製冷方式有兩種，即壓縮機製冷和液氮 製冷。壓縮才幾製冷方式，降溫速率大部分為5'C/min~20°C/min,降溫 的線性特徵明顯；液氮製冷，可實現更高的降溫速率，但其降溫特性的 線性特徵不如壓縮機製冷技術。該試驗方式較為成熟穩定，投入成本相 對較小，但僅能提供單一應力(溫度循環變化)的可靠性測試，篩選試 驗效果不夠明顯，僅能考核產品耐受溫度變化的可靠性，而且需要很長 的試驗周期才能暴露產品的潛在缺陷。隨機振動也是電子產品常用的篩選試驗手段之一 ，該技術一般採用 電磁振動臺進行，試驗人員輸入控制參數，通過計算機控制軟體和控制
儀，實現D/A轉換，進入功率放大器，輸出放大電流，流經振動臺動圏， 產生強大的推力，驅動垂直擴展臺或水平滑臺，迫使固定在檯面上的試 品進行預定程序的振動。該試驗方式較成熟穩定，控制方便，振動嚴酷 度(如頻率、加速度、振幅等)可以根據試驗需要進行設置，且投入成 本相對較小。但僅能提供一個軸向上的隨機振動，篩選試驗效果不夠明 顯，僅能考核產品的物理結構、裝配、焊接和機械連接等方面的牢固性。 第三種方式為HALT和HASS試驗。該試驗技術起源於美國，發展於 美國，近年在中國逐漸得到認知和應用。該技術採用高加速壽命應力試 驗裝置來實現，該裝置集六自由度氣錘振動和快速溫變功能於一體，採 用軟體編程控制，可產生單獨的高溫、低溫、快速溫度循環、六自由度 振動等應力試驗模式，也能實現溫度和振動的複合應力模式。設備的升 降溫速率可達6(TC/min。該設備價格昂貴，投入成本高，且此裝置需要 多個氣錘(一般8個)實現六自由度振動，即X軸線性、Y軸線性、Z 軸線性、X軸滾動、Y軸滾動、Z軸滾動等六個方向振動。因振動方式 複雜，現有的控制技術未能實現振動頻率的可控性，即用戶不能根據試 驗的需要選擇和改變振動頻率範圍；同時，作為產生振動能量的關鍵部 件一氣錘，因數量多、結構複雜、運行也複雜，容易出現故障。設備典 型的振動頻率範圍為lHz 10000Hz,因振動頻率的不可調節，導致其應 用上的局限性，特別是許多民用產品使用過程中的振動頻率通常低於 500Hz，若不能調節振動頻率而必須施加更高頻率範圍的振動能量於產 品，往往導致產品額外損壞(不當試驗或過試馬企)。

發明內容
本發明解決的技術問題是提出 一種產品可靠性篩選裝置及方法，採 用一種結構簡單、成本較低的裝置實現產品的在三維方向的振動測試， 且可根據測試的需要調節振動頻率，有效提高篩選試驗的效果。
為實現上述目的，本發明提出了一種產品可靠性篩選裝置，該裝置包括振動臺和斜面夾具，斜面夾具固定在電磁振動臺上，該振動臺至少 在一方向振動，該斜面夾具的斜面傾斜於所述方向。
所述振動臺是電磁振動臺，包括振動源和連接該振動源的控制單 元，該控制單元包括振動頻率調節模塊、加速度調節模塊或振幅調節模 塊。
該裝置還包括一快速溫度變化試驗箱，所述試驗箱包括一液氮製冷 裝置、 一發熱裝置、 一可編程溫度控制器和一連接箱體的高速強制送風 系統。
所述製冷裝置包4舌四個液氮輸入口以及對應的四個液氮流量電石茲
控制閥門， 一抽氣孔及抽氣用的馬達；發熱裝置包括設置於所述快速溫 度變化試驗箱三面內壁夾層中的多組發熱單元，其中每組發熱單元包括 三個大功率低阻值的電阻絲，該三個電阻絲的規格為6Q, 8kW，星型連 接。
所述斜面夾具包括底座、斜面和夾具，該底座豎直設置，該斜面設 有多個固定孔，斜面與水平面成一角度固定於底座上，夾具通過固定孔 將樣品固定於斜面上。
所述斜面與水平面的傾角為35.27。。
所述樣品的中軸線與斜面的軸線成一偏轉角固定於斜面上。 所述偏轉角為45° 。
一種可靠性篩選方法，該方法具體包括如下步驟
步驟S11:將電》茲振動臺的動圏置於Z軸向狀態，將斜面夾具固定
在電磁振動臺的垂直擴展臺上；
步驟S12:根據需要的樣品X軸向和Y軸向的加速度分量，確定樣
品中軸線和斜面軸線的夾角，將樣品按此夾角偏轉後放置於斜面上，並
通過夾具固定；
步驟S13:通過電磁振動臺的控制單元設置試驗參數，包括振動的 頻率、加速度、振幅，開始試驗，並監控試驗過程；
步驟S14:將經過振動試驗後損壞的樣品篩除，保留通過實驗未損 壞的樣品，結束試驗。一種可靠性篩選方法，該方法包括如下步驟
步驟S21:將電》茲振動臺的動圏置於Z軸向狀態，且位於快速溫度 變化試驗箱底部開口；
步驟S22:將斜面夾具固定在電磁振動臺的垂直擴展臺上；
步驟S23:根據需要的樣品X軸向和Y軸向的加速度分量，確定樣 品中軸線和斜面軸線的夾角，將樣品按此夾角偏轉後;^文置於斜面上，並 通過夾具固定；
步驟S24:開啟液氮儲罐的閥門，接通快速溫度變化試驗箱和電磁 振動臺的電源，進入"i殳置界面，^沒置溫度和振動試驗參數；
步驟S25:試驗啟動，實施過程監控，將經過試驗後損壞的樣品篩 除，保留通過實驗未損壞的樣品，結束試驗。
本發明的有益效果在於本發明通過在現有電磁振動臺上僅增加一 結構簡單的斜面夾具，即可有效實現三維振動，更恰切地模擬現實中產 品的振動能量分布狀況，且控制簡單，只需改變樣品與斜面的偏轉角度 即可實現X軸、Y軸、Z軸方向的振動能量比例。同時，還可根據被測 產品的類型及用途，選擇合適的振動頻率，從而保證試驗更準確，可靠 性'灘選效果更明顯。另外，本發明所述的可靠性篩選裝置結構簡單，控 制方便，可操作性強，且成本較低，便於推廣使用。
另一方面，本發明所述可靠性篩選裝置還可通過增加一快速溫度變 化試驗箱實現振動和溫度變化的複合應力測試。溫度和振動同時施加於 產品，可以更恰切地模擬自然界中產品的應力環境，對於暴露產品的薄 弱環節具有顯著效果。


圖la是本發明具體實施三維振動試驗的可靠性篩選裝置的結構示
意圖lb是本發明具體實施三維振動和快速溫變複合應力試驗的產品
可靠性篩選裝置的結構示意圖2a是本發明具體實施方式
斜面夾具的斜面表面圖；圖2b是本發明具體實施方式
斜面夾具的側視圖3是本發明具體實施方式
斜面夾具上控制傳感器安裝的示例圖4是本發明具體實施方式
斜面夾具樣品安裝示例圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細說明。
如圖la所示為本發明具體實施方式
所述產品可靠性篩選裝置的一 種結構示意圖，可用於進行三維振動、二維振動或一維振動。該裝置包 括電磁振動臺104和斜面夾具101,其中，斜面夾具IOI固定在電磁振 動臺104上。這裡斜面夾具101的"斜面"的含義，主要是相對於電磁 振動臺104的振動方向傾斜，當振動方向為垂直的時候，則斜面夾具101 的斜面傾斜於水平面，當振動方向為其他方向，比如水平方向的時候， 則斜面夾具101的斜面傾斜於該水平方向。當然，電i茲振動臺104可以 由其他動力源驅動，並不限於電磁振動或相對於水平面傾斜。
當對產品進行溫度變化和振動的複合應力試驗時，所述可靠性篩選 裝置還包括一快速溫度變化試驗箱102,和一個隔熱板103,如圖lb所 示。其中，電磁振動臺104的動圏進入快速溫度變化試驗箱102的底部 開口 ，隔熱板103封閉快速溫度變化試驗箱102的底板和動圈之間的空 隙以防止熱量傳遞，斜面夾具IOI固定在電磁振動臺104上。
其中，電磁振動臺104的主體部分是振動臺臺體，主要包括活動系 統(動圈和工作檯面)、磁路系統、彈性支承系統、導向機構、冷卻裝 置、隔振系統等。另還包括電氣設備和電子儀器，如功率放大器、控制 儀。用戶通過控制軟體可實現振動嚴酷度的設置和控制，如頻率、加速 度和振幅的設置和控制。
如附圖2a、圖2b所示為本發明具體實施方式
所述斜面夾具101的 一種結構的表面圖、側視圖，包括底座、斜面和夾具，其中安裝樣品的 平面為斜面，該斜面與水平面成一定的夾角，稱此夾角為斜面傾角oc， 即如圖2b所示斜面軸線AB和水平方向CD的夾角。試驗時，樣品通過 其他夾具固定在斜面夾具101上，其與電磁振動臺104的垂直臺實現連接，動圏推動垂直臺作豎直方向或水平方向的振動，本具體實施方式
以
豎直方向振動為例，斜面夾具101固定在電磁振動臺104的垂直振動臺 上。
樣品偏轉某個角度後固定在斜面夾具101上，即樣品的中軸線與斜 面夾具IOI的軸線AB的夾角為偏轉角，設定此偏轉角用卩表示，則振 動時樣品在其X軸向、Y軸向、Z軸向同時存在加速度分量，分別記為 Ax、 Ay、 Az。假設振動過程中的某一時刻，振動臺豎直方向的加速度為 A，則理論上樣品三軸向的加速度分量分別為
由於Cos(3和Sin卩小於或等於1，斜面夾具101的斜面傾角a為固 定值(斜面夾具成型後此角即為定值)，Z軸方向的加速度分量模值IAzl 不變，而X軸方向和Y軸方向的加速度分量模值IAxl和IAyl可以隨著樣品 在斜面夾具101上放置的偏轉角|3改變而改變。
本具體實施方式
中，斜面夾具採用鎂鋁合金材料製成，其傾角 a=35.27。，以偏轉角卩=45 °為例，如附圖3及附圖4所示，則上述式(1 )、 式(2)、式(3)計算可得 Az = A*Cosa=0.816A
Ax = A*Sina *Cosp=A *Sin35.27 。 * Cos卩=0.577A Cos45 ° = 0.408A Ay = A*Sina* Sinp= A*Sin35.27 ° * Sin卩=0.577A Sin45 。 = 0.408A
因此，X軸、Y軸、Z軸三個軸向的加速度分量才莫^直的關係為
|Az|=2|Ax|=2|Ay|
該比例關係符合實際環境中產品在三個軸向上的振動能量分布，即 X軸向和Y軸向的振動能量大致相等，而Z軸向是X軸向或Y軸向的兩 倍。因此，在實際試驗中，優選地將樣品偏轉45。角固定在斜面夾具上。
值得注意的是，所述斜面夾具101的斜面傾角a不局限於本具體實 施方式所述的35.27°,所述樣品放置的偏轉角P也不局限於本具體實施 方式所述的45。，其它角度只要滿足斜面傾角oc在0。至90。之間，偏轉 角j3在0。至360。之間均屬於本發明的保護範圍，另外，斜面傾角a在
Az=A*Cosa
Ax=A*Sina*Cos(3
Ay=A*Sina*Sinp
(1)
(2)
(3)90 °至180°之間、180 。至270°之間、270 °至360°之間時得到的斜面夾 具結構與所述斜面傾角a在0。至90。之間得到的斜面夾具結構均相同， 因此，也屬於本發明保護的範圍。
以上也間接描述了斜面夾具IOI的"斜面"含義，其效果是僅採用 一個維度的振動，巧妙結合斜面夾具101的"斜面"，即可以實現樣品 在三維方向的振動測試，無需採用現有技術每個維度都需要進行一次振 動。兩者在試驗時間、消耗成本方面，極大不同；最^f艮本的差異，在於 振動的效果。
所述快速溫度變化試驗箱102包括一液氮製冷系統，該製冷系統包 括所述快速溫度變化試驗箱102箱體上的4個性能良好的液氮流量控制 電磁閥門、箱內右壁設置的4個液氮輸入口，以及箱內左壁開設的抽氣 孔和用於抽離試驗中已氣化的高溫液氮的驅動馬達；其中四個液氮流量 控制電磁閥門分別控制4個液氮輸入口，當4個閥門同時開啟時，液氮 供應量最大，降溫最快，保證了最大降溫速率達100°C/min。閥門開啟 數量可以選擇控制，以實現不同的降溫速率。本發明具體實施方式
中， 開啟一個閥門，即可^f吏溫箱降溫速率達25。C/min。
液氮流量控制電^ 茲閥門的靈敏度和可靠性，是影響所述快速溫度變 化試驗箱102的性能的重要因素。本具體實施方式
中以ASCO製造的二 通型0.6" 口徑的常閉電磁閥為例。
所述快速溫度變化試驗箱102採用正面高速強制送風系統，保證溫 度均勻性。
所述快速溫度變化試驗箱102還包括一發熱裝置，該發熱裝置包括 箱內左壁、右壁和後壁夾層中均勻安裝的10組發熱單元，每組發熱單 元由3個大功率低阻值的電阻絲星型連接組成，以保證負載平衡。本具 體實施方式中，以電阻絲規格為6Q, 8kW為例。
另外，該快速溫度變化試驗箱102還包括一可編程溫度控制器，進 行多組程序的設定；採用人機對話式觸控螢幕，增強了操作方便性。為保 證安全，設置了安全保護措施，如電源過載保護、漏電保護、控制迴路 過載及短路保護、超溫保護、接地保護、報警聲訊提示。通過如圖la所述的可靠性篩選裝置，進行三維方向的振動應力試 驗的方法包括如下步驟
步驟S11:將電》茲振動臺的動圈置於Z軸向狀態，將斜面夾具固定 在電磁振動臺的垂直擴展臺上；
步驟S12:根據需要的樣品X軸向和Y軸向的加速度分量，確定樣 品中軸線和斜面軸線的夾角，將樣品按此夾角偏轉後放置於斜面上，並 通過夾具固定；
步驟S13:通過電磁振動臺的控制單元設置試驗參數，包括振動的 頻率、加速度、振幅，開始試驗，並監控試驗過程；
步驟S14:將經過振動試驗後損壞的樣品篩除，保留通過實驗未損 壞的樣品，結束試驗。
當進行溫度變化和振動的複合應力試驗時，採用如圖lb所示的可 靠性篩選裝置，具體包括如下步驟
步驟S21:將電》茲振動臺的動圏置於Z軸向狀態，且位於快速溫度 變化試驗箱底部開口；
步驟S22:將斜面夾具固定在電磁振動臺的垂直擴展臺上；
步驟S23:根據需要的樣品X軸向和Y軸向的加速度分量，確定樣 品中軸線和斜面軸線的夾角，將樣品按此夾角偏轉後放置於斜面上，並 通過夾具固定；
步驟S24:開啟液氮儲罐的閥門，接通快速溫度變化試驗箱和電磁 振動臺的電源，進入設置界面，設置溫度和振動試驗參數；
步驟S25:試一驗啟動，實施過程監控，將經過試-瞼後損壞的樣品篩 除，保留通過實驗未損壞的樣品，結束試驗。
本發明所述快速溫度變化試驗箱102還可單獨進行溫度變化應力試 驗，具體包括如下步驟
步驟S31:將實驗樣品放置於所述快速溫度變化試驗箱102內；
步驟S32:啟動所述快速溫度變化試驗箱102的電源；
步驟S33:開啟液氮儲罐的閥門；
步驟S34:進入設置界面，設置試驗^t;步驟S35:啟動試驗，進行試驗過程監控；
步驟S36:將經過快速溫度變化試驗後損壞的樣品篩除，保留經過 實-驗未損壞的樣品，結束試驗。
上述兩種方法中，偏轉角度P優選值為45°。
用戶在使用的過程中， 一方面可將三種設備結合起來，進行複合應 力的實驗，提高篩選產品的準確性；另一方面，也可根據實際需要，僅 採用電磁振動臺104和斜面夾具101,進行三維振動試驗。也可僅採用 快速溫度變化試驗箱102，進行溫度變化試驗，提高了設備的使用率及 使用的靈活性。
值得注意的是，本發明所述的斜面夾具IOI不局限於放置於所述電 磁振動臺的垂直臺上，還可放置於水平擴展臺上做水平方向振動，或進 行旋轉試^r，則所述試^驗方法也作適應性的改變，所述改變均屬於本發 明的保護範圍。值得注意的是，試驗樣品放置的偏轉角卩不局限於本具 體實施方式所述的45。，在0。至卯。之間的其它角度也是可以選擇的， 只是X軸向和Y軸向的振動分量不同而已。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細 說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬 技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以 做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種產品可靠性篩選裝置，其特徵在於，該裝置包括振動臺和斜面夾具，斜面夾具固定在電磁振動臺上，該振動臺至少在一方向振動，該斜面夾具的斜面傾斜於所述方向。
2、 根據權利要求l所述的一種產品可靠性篩選裝置，其特徵在於， 所述振動臺是電》茲振動臺，包括振動源和連接該振動源的控制單元，該 控制單元包括振動頻率調節模塊、加速度調節模塊或振幅調節模塊。
3、 根據權利要求l所述的一種產品可靠性篩選裝置，其特徵在於， 該裝置還包括一快速溫度變化試驗箱，所述試驗箱包括一液氮製冷裝 置、 一發熱裝置、 一可編程溫度控制器和一連接箱體的高速強制送風系 統。
4、 根據權利要求3所述的一種產品可靠性篩選裝置，其特徵在於， 所述製冷裝置包括箱體上的四個液氮輸入口以及對應的四個液氮流量 電磁控制閥門， 一抽氣孔及抽氣用的馬達；發熱裝置包括設置於所述快 速溫度變化試驗箱三面內壁夾層中的多組發熱單元，其中每組發熱單元 包括三個大功率低阻值的電阻絲，該三個電阻絲星型連接，電阻絲的規 格為6Q， 8kW。
5、 根據權利要求l所述的一種產品可靠性篩選裝置，其特徵在於， 所述斜面夾具包括底座、斜面和夾具，該底座豎直設置，該斜面設有多 個固定孔，斜面與水平面成一角度固定於底座上，夾具通過固定孔將樣 品固定於斜面上，此角度為斜面的傾角。
6、 根據權利要求5所述的一種產品可靠性篩選裝置，其特徵在於， 所述^h面與水平面的傾角為35.27°。
7、 根據權利要求5所述的一種產品可靠性篩選裝置，其特徵在於， 所述樣品的中軸線與斜面的軸線成一偏轉角固定於斜面上。
8、 根據權利要求7所述的一種產品可靠性篩選裝置，其特徵在於， 所述偏轉角為45。。
9、 一種通過權利要求2所述的篩選裝置進行的可靠性篩選方法，步驟S11:將電i茲振動臺的動圈置於Z軸向狀態，將斜面夾具固定 在電磁振動臺的垂直擴展臺上；步驟S12:根據需要的樣品X軸向和Y軸向的加速度分量，確定樣 品中軸線和斜面軸線的夾角，將樣品按此夾角偏轉後放置於斜面上，並 通過夾具固定；步驟S13:通過電磁振動臺的控制單元設置試-驗參數，包括振動的 頻率、加速度、振幅，開始試驗，並監控試驗過程；步驟S14:將經過振動試驗後損壞的樣品篩除，保留通過實驗未損 壞的樣品，結束試-瞼。
10、 一種通過權利要求3所述的篩選裝置進行的可靠性篩選方法， 其特徵在於，該方法包括如下步驟步驟S21:將電磁振動臺的動圈置於Z軸向狀態，且位於快速溫度 變化試驗箱底部開口；步驟S22:將斜面夾具固定在電磁振動臺的垂直擴展臺上；步驟S23:根據需要的樣品X軸向和Y軸向的加速度分量，確定樣 品中軸線和斜面軸線的夾角，將樣品按此夾角偏轉後放置於斜面上，並 通過夾具固定；步驟S24:開啟液氮儲罐的閥門，接通快速溫度變化試驗箱和電磁 振動臺的電源，進入設置界面，設置溫度和振動試驗參數；步驟S25:試驗啟動，實施過程監控，將經過試驗後損壞的樣品篩除， 保留通過實驗未損壞的樣品，結束試驗。
全文摘要
本發明公開了一種產品可靠性篩選裝置，該裝置包括振動臺和斜面夾具，其中，斜面夾具固定在振動臺上，該振動臺的動圈推動斜面夾具在豎直方向振動，斜面夾具的斜面傾斜於該方向。另外，該裝置還可包括一套快速溫變試驗箱，以及置於快速溫變試驗箱和電磁振動臺之間的隔熱板。同時，本發明還提出了應用該裝置進行的三維方向振動應力試驗方法，以及溫度和三維振動複合應力試驗方法。應用本發明所述的裝置及方法進行靠性篩選試驗，效果顯著，另該裝置結構簡單，成本較低，便於推廣使用。
文檔編號B07C5/00GK101623690SQ20091010925
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月29日 優先權日2009年7月29日
發明者孫學明, 華 張, 朱崇全, 朱建華, 巖 李, 楊彥彰, 望 舒, 陳顯顧, 黃偉中 申請人:深圳市計量質量檢測研究院