防雷元器件二次筛选方法探讨

聂晶1 ,张军2

摘要：近年来，随着人类工业活动频率的增加，异常灾害天气也呈现出频发状态，雷电灾害是最为严重的十大自然灾害之一，对于导电性设备以及人员都会有较强的伤害性。随着当前数字化技术逐步完善，电子系统也在不断更新换代，防雷元器件集成了大量的电路、电子器件以及晶体管等精密设备，具有集成度高、工作电压低、抗雷电磁脉冲能力差等特点，而这些特点也使得元器件容易受到雷击伤害，一旦出现雷电灾害不仅会造成事故问题，同时还会发生人员及财产损失。基于此，本文就防雷元器件二次筛选方法进行简要探讨。

关键词：防雷；元器件；二次筛选方法

1 防雷元器件选型存在问题与不足

1.1质量可靠性不足

在装备各设备和分系统的研制过程中，部分成品承制单位由于成品设计本身存在部分硬件模块沿用和借鉴等情况，在装备研制初期未按照装备使用防雷元器件顶层选用策划进行型号防雷元器件选用，进行优选控制，选用了较多质量等级为工业级的防雷元器件，同时还选用了个别进口防雷元器件商业级产品，这类产品没有严格按照元器件选型要求进行设计、生产、加工、检验、筛选等，在装备严苛的使用环境下可能会存在较大的可靠性隐患。

1.2供货保障能力不足

在装备各设备和分系统的研制过程中，装备配套所属各设备和分系统承制单位在选用防雷元器件时，选择了大量非主流防雷元器件供应商单位，这类防雷元器件供应商的厂家资质和供货保障能力未经过审查和认可，产品质量和断档供应风险较高，供货保障能力需要进一步考核。在型号研制周期日益缩短、装备交付不断提前且批量化交付的前提下，一些非主流供应商可能无法满足当前型号防雷元器件的使用和配套需求，使得部分防雷元器件的供应断档的风险将进一步升高。

1.3选型集中度不足

防雷元器件选型比较分散，集中度不足，主要分为以下两种情况：一是所选防雷元器件对应的器件生产单位比较分散，一些单位所选用防雷元器件对应器件生产单位高达上百家，不利于采购管理并且还会增加采购成本；二是选用的防雷元器件种类比较繁多、规格比较繁杂，例如，相同或类似功能防雷元器件，选用很多不同系列产品；同时，还有部分同一系列防雷元器件选用多种不同规格产品。

2 二次筛选的科学性

一次筛选由电子元器件制造厂商在元器件出厂前按照元器件详细规范或国标的要求进行元器件可靠性筛选； 部分领域用户对元器件可靠性要求较高，诸如科研用户单位，这类用户单位为满足设备整机的高可靠性和高性能要求，会在一次筛选的基础上，结合元器件自身特点和实际应用需求，参照验收流程和标准进行第二次质量和稳定性筛选，这一过程称作二次筛选（也称作二筛）。对于科研领域用户而言，防雷元器件二次筛选对于保障元器件和整机设备的可靠性至关重要，但应当注意二筛的适用范围和方案设计，不合适的二筛对象选取和方案设计不仅会影响筛选效果，并且会对防雷元器件的寿命、性能带来不可逆的影响，因此，明确二筛的适用范围和方案设计原则也是至关重要的，科学合理的二筛对象选取和筛选项目、应力量值设置，能够在保障二筛的有效性和充分性的同时，实现筛选效费比最优化。

2.1二次筛选适用范围确定

不适当的二次筛选不仅会增加企业成本，还会对防雷元器件使用可靠性造成影响，减少器件使用寿命，因此防雷元器件二筛不应滥用、泛用，应当明确二筛适用范围如下：（1）防雷元器件制造厂商在出厂时未对元器件进行一次筛选，或一次筛选实施过程不符合相关质量控制要求；（2）一次筛选由于工艺或水平限制，不符合用户方质量需求；（3）用户方对一次筛选结果存在疑虑，需进一步确保质量时；（4）一次筛选的方案设计无法满足用户方对防雷元器件的质量要求时。

2.2二次筛选试验项目选取

防雷元器件二次筛选试验项目的选取应当根据元器件的种类、生产制造工艺、应用环境和可靠性要求的不同，制定相应的筛选试验项目，保障筛选试验项目的针对性和有效性。二次筛选试验项目的选取一定程度上受到使用方主观因素的影响，因此，明确各筛选试验的筛选机理和针对的功能测试方向是科学合理地实现二筛项目选取的重要环节。二次筛选根据筛选性质的不同，可大致分为检查筛选、密封性筛选、环境应力筛选和寿命筛选等，检查筛选通过目检、镜检或超声波、X射线等对防雷元器件表面及内部结构进行检测，不同检查方法的检测重点也略有差异，比如超声波侧重于有机环氧封装材料内部的裂纹、空洞、分层等缺陷的识别，而X射线侧重管壳中外来物，或内部芯片、键合、封装等质量缺陷的筛选；密封性筛选将防雷元器件放置于不同沸点的液体或示踪气体中，观察侵入防雷元器件封装内部气体的逸出情况，分析判断防雷元器件外部结构能否实现高性能密封，能够有效地检测防雷元器件的管壳和密封缺陷，剔除存在裂纹、漏孔等质量缺陷的防雷元器件；环境应力筛选利用环境因素冲击力、加速力、振动力、温度、离心力和热冲击等不同外部环境条件对防雷元器件结构强度进行测试，观察防雷元器件在外部条件应力的作用下是否发生形变、产生裂纹等现象，剔除结构强度降低、抗环境应力差的防雷元器件；寿命筛选通过在元器件早期阶段施加电应力和热应力，加速器件击穿、腐蚀、断裂、电迁移、氧化和扩散等缺陷问题的暴露，剔除在生产制造过程中存在缺陷或性能不符合标准的防雷元器件。

2.3二次筛选应力量值设置

在防雷元器件二次筛选的过程中，应力量值的设置也至关重要，过高的筛选应力不仅增加筛选成本，还会造成防雷元器件过应力损伤，严重者甚至会损伤、淘汰满足可靠性要求的元器件；过低的筛选应力则无法全面、有效地剔除缺陷元器件，导致部分不满足产品应用要求的防雷元器件顺利通过筛选，降低产品可靠性水平。根据工程经验总结，二次筛选应力量值设置应遵循以下基本原则：（1）筛选应力类型；应选择能激发早期失效的应力，根据不同器件掌握的信息及失效机理来确定；（2）筛选应力量；值应以能激发出早期失效为宗旨，使器件各种隐患和缺陷尽快暴露出来；（3）筛选应力量；值不应使正常器件失效；（4）筛选应力撤去后，不应使器件留下残余应力或影响器件的使用寿命。上述原则落实到不同整机设备的防雷元器件的不同筛选项目上时，需要因事制宜地确定各试验项目应力量值设置，这一过程需要在掌握防雷元器件失效模式、失效机理和失效分布规律的基础上，通过大量的摸底试验确定，需耗费大量的人力物力，增加了企业成本，因此一般在不改变失效机理的条件下，可以通过恒定应力或步进应力加速试验法，加速暴露缺陷，在较短时间内获得加速应力下的试验数据，然后运用数学模型和推算，得出理想应力量值。

3 防雷元器件二次筛选体系建立

元器件筛选通过试验对元器件施加不同的应力，激发元器件的潜在缺陷，观察防雷元器件在不同应力条件下的运行状态、 性能参数是否与生产标准一致，确保防雷元器件的质量和批合格率满足使用要求。理想的防雷元器件二次筛选效果离不开优秀的体系支撑，建立一个完善、健全、合理的二筛体系，应当从实施过程控制和管理机制建立2个方面入手。

3.1防雷元器件二次筛选实施过程控制

二次筛选是防雷元器件质量与可靠性管控的重要环节， 是保障航空航天领域高可靠性元器件质量和稳定性的重要途径。不同二次筛选项目的针对测试方向、筛选效果和花费消耗各有不同，并不是费用越高的筛选项目，筛选效果就越好，且不同筛选试验项目的针对测试功能和耗时也有所不同，为实现效费比的最优化，在防雷元器件二次筛选实施过程控制上，应当明确二筛实施过程控制基本原则，即：在有利于促进激发早期失效的基础上，尽可能地节省时间和费用。在具体的实施顺序安排上，可以参考以下指导思想：（1）首先，安排元器件的试验检查工作，如外观检查、高温存贮和温度循环试验等；（2）然后，安排应力筛选，如温循试验和恒定加速度试验等；（3）最后，安排检漏、电参数终测和外观复查等。

3.2防雷元器件二次筛选管理机制建立

随着当前互联网行业快速发展，万物互联的概念已经成为社会工业发展的必然趋势，其关键技术是让不同的物体之间都能存在信号传输、信息分享，元器件质量是确保信息传输质量的关键。而元器件筛选能够有效地剔除不合格元器件，提升元器件和设备的可靠性，是检验元器件批合格率、质量一致性的重要手段之一。防雷元器件二次筛选管理机制建立也具有重要的借鉴价值。一是要加强专业检测人员的技能培养。防雷元器件的研发技术和生产制造工艺日新月异，新型的筛选检测手段也层出不穷，涉及电、磁、声、光等多个领域，企业应当加强专业检测人员的技能培训，帮助员工熟练掌握典型和新型检测技能，提高筛选效果，降低费用消耗。二是要建立覆盖防雷元器件选用、检验和失效分析过程的防雷元器件二次筛选闭环控制机制。企业应当加强防雷元器件选用、检验、失效分析管理，形成相应标准，同时注意将检验结果与失效分析相结合，对筛选出的不合格品进行失效分析，根据失效分析指导防雷元器件的选用，跟踪选用防雷元器件质量问题优化二筛过程控制，形成良性的、动态可持续发展的防雷元器件二次筛选闭环控制机制。

4 结束语

近年来，随着防雷元器件研发设计和生产制造工艺的提升，对防雷元器件二次筛选技术也提出了更高的要求。首先，应当去芜存菁，部分防雷元器件二筛技术放在如今的防雷元器件领域已不再适用，比如高温贮存筛选试验筛选效果不佳，且高温贮存试验本身会加速管脚氧化，影响器件焊接质量，降低内引线抗拉力，因此应当加强二筛前置技术的研究，提高筛选效果，降低筛选试验对防雷元器件使用可靠性的影响；其次，应当加强防雷元器件筛选技术的研究，更多地使用新的防雷元器件筛选检测技术，比如通过基于数据驱动的防雷元器件筛选方法，将防雷元器件依据统计数据和算法推测进行分类与评估，在不增加成本的前提下，提高防雷元器件的筛选效果；另外，也应当注意将二筛与破坏性物理分析（DPA：DestructivePhysicalAnalysis）相结合，DPA是对二筛结果的有力补充，在二筛的基础上对同批次的器件进行适当抽样DPA，对防雷元器件的内部结构、使用材料和工艺设计等方面内容进行检查，能够最大限度地剔除缺陷防雷元器件，比如器件水汽含量过高的缺陷在二筛过程中几乎无法被发现，但在DPA中却能够轻易识别得出；最后，企业也应当加强对防雷元器件二筛的重视程度和把控力度的重要性，注意筛选实施过程控制、筛选管理机制构建，将筛选结果进行分析和反馈，形成能够覆盖从防雷元器件管理到选用、采购、检验、筛选、出入库、保管、失效分析全过程不同层次的完整的防雷元器件质量保证闭环控制体系。防雷元器件二次筛选领域的发展不仅是单一领域的发展进步，防雷元器件使用可靠性的提高是设备装备可靠性提升的基础，通过先进的防雷元器件二筛技术定位元器件设计缺陷或制造质量问题，能够为防雷元器件的改进提供参考依据，助力防雷元器件技术研究领域发展，进而推动我国电子技术的发展。

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