Was ist ein Screening auf Umweltstress?

Alle Produkte unterliegen mit der Zeit einem Verlust ihrer Leistungsfähigkeit und Funktionen , das ist ganz natürlich. Einige weisen jedoch Herstellungsfehler und Mängel auf, die bereits zu Beginn der Nutzung zu vorzeitigem Ausfall führen

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Um dieses Problem zu überwinden, führen die Produzenten ein Umweltstress-Screening durch, das oft mit ESS abgekürzt wird.

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Definition von ESS

Die Prüfung auf Umweltbelastungen umfasst eine Reihe von Tests, bei denen das Produkt extremen Belastungen ausgesetzt wird , um Mängel und Funktionsstörungen aufzudecken. Dazu gehören in Temperaturzyklen einer Klimakammer sowie physikalische Tests, bei denen die Probe Vibrationen, Druck und Torsion ausgesetzt wird.

Wozu dient das ESS?

Wie bereits erwähnt, ist das Hauptziel von ESS die Reduzierung der sogenannten Kindersterblichkeit von Produkten. Untersuchungen haben gezeigt, dass im Lebenszyklus einer Stichprobe ungetesteter Produkte Ausfälle hauptsächlich in der Anfangsphase der Nutzung auftreten, sich dann über einen längeren Zeitraum stabilisieren und schließlich nach jahrelangem Gebrauch, wenn die meisten Proben verschlissen sind, erneut auftreten.

Man spricht vom „Badewanneneffekt“, weil die charakteristische Form der Parabel, die diesen Trend in der kartesischen Ebene beschreibt, ihn beschreibt.

Durch die Anwendung des ESS-Verfahrens auf die Produkte vor deren Vermarktung soll die erste Kurve des Produktpools eliminiert werden, bei der alle Produkte mit Form- und Herstellungsfehlern auftreten.

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Welche Sektoren sind von ESS betroffen?

ESS ist eine Reihe von Tests, die hauptsächlich an verschiedenen Arten von elektronischen Geräten . Diese reichen von Unterhaltungselektronik bis hin zu Bauteilen, die fast überall zu finden sind, und betreffen daher Branchen wie die Automobilindustrie, die Luft- und sowie den Militärsektor.

In all diesen Bereichen ist es offensichtlich von entscheidender Bedeutung, jegliche Möglichkeit frühzeitiger Funktionsstörungen auszuschließen. 

Aus diesem Grund werden die Ergebnisse von Umweltstresstests von einer Reihe internationaler Gremien reguliert , die die anzuwendenden Verfahren vorschreiben.

Die ESS-Standards

Was Klimatests betrifft – die ein grundlegender Bestandteil des umfassenderen ESS sind und in unserer direkten Verantwortung liegen – gibt es im Wesentlichen zwei Standards, die es zu beachten gilt.

IEC 60068 deckt in all ihren Unterkapiteln sämtliche Klima- und Wärmeprüfungen an Elektronik im Allgemeinen ab. Speziell für den militärischen Bereich müssen wir auf die MIL-STD , die wie folgt lauten:

• MIL-STD-202G
• MIL-STD-883
• MIL-STD-750

Wir haben bereits einen Artikel speziell zum Thema Klimatests an elektronischen Geräten , den Sie hier lesen können.

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Die ESS FDM-Kammer

Mit FDM-Klimakammern lassen sich alle wichtigen Klima- und Wärmetests durchführen, die auch im Rahmen des umfassenderen Screenings von Umweltbelastungen vorkommen.

Mit einem Temperaturbereich von -70/180°, einer einstellbaren Luftfeuchtigkeit bis zu 98° und Anstiegs- und Abfallraten von +5/-4°/min sind sie das perfekte Werkzeug, um die erforderlichen Belastungen anzuwenden, um die Frühsterblichkeit elektronischer Produkte zu überprüfen.

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Referenzstandards

• MIL-STD-202H — Elektronische und elektrische Bauteile – Prüfverfahren. Verfahren 107 (Thermischer Schock), 103 (Feuchtigkeit).
• MIL-STD-883L — Testmethoden und -verfahren für Mikroelektronik. Methode 1015 (Burn-in-Test), Methode 1010 (Temperaturwechseltest).
• MIL-STD-750-3 — Testmethoden für Halbleiterbauelemente – Umwelttests, Methode 1056 (Thermischer Schock), 1038 (Burn-in).
• IEC 60068-2 (Reihe) — Umweltprüfung für Elektronik: -1 Kälte, -2 trockene Hitze, -14 Temperaturwechsel, -64 zufällige Vibration.
• IPC-9592B — Leistungsparameter für Leistungswandler, beinhaltet den ESS-Abschnitt zur Stromversorgung.
• IES-RP-PR-001.2 — Richtlinien für das Screening von Umweltstress in Versammlungen (IEST-Richtlinien).
• NAVMAT P-9492 — Navy Manufacturing Screening Program, historische Referenz für ESS-Profile.

Autoritative Quellen

• IEST – Institut für Umweltwissenschaften und -technologie. Amerikanische Organisation, die die IES-RP-Empfehlungen für ESS und kontrollierte Umgebungen verfasst hat.
• EverySpec. Online-Sammlung gemeinfreier MIL-STD-Militärstandards.
• JEDEC Solid State Technology Association. Veröffentlicht die Standards JESD22 und JEP122 für Halbleiterzuverlässigkeit und -prüfung.
• IPC – Association of Connecting Electronics Industries. Veröffentlicht die IPC-9592-Richtlinien und die IPC-TM-650-Methoden für Leiterplatten und Baugruppen.

Häufig gestellte Fragen zum Screening auf Umweltstress

Worin besteht der Unterschied zwischen ESS und HALT/HASS?

ESS (Environmental Stress Screening) ist ein Test, der an allen Produkten in der Produktion durchgeführt wird, um Proben mit latenten Defekten („Frühausfall“) auszusortieren . Dabei werden Belastungen unterhalb der Betriebsgrenzen angewendet . HALT (Highly Accelerated Life Test) kommt in der F&E-Phase zum Einsatz und testet Prototypen über die Auslegungsgrenzen hinaus , um Schwachstellen aufzudecken und Sicherheitsmargen zu ermitteln. HASS (Highly Accelerated Stress Screening) ist die Weiterentwicklung von ESS. Es verwendet aus HALT abgeleitete Profile mit stärkeren, aber reproduzierbaren Belastungen und verkürzt so die Testzeiten (typischerweise 1–4 Stunden gegenüber 50–100 Stunden bei ESS). Die logische Abfolge ist: HALT (Aufdecken von Schwachstellen) → HASS (optimiertes Screening) → Produktion. Die verwendeten Kammern variieren: ESS benötigt Klimakammern mit sinusförmiger oder zufälliger Vibration, HALT/HASS 6-DoF-Kammern mit pseudozufälliger Vibration 5-10 G RMS, Rampen 30-60 °C/min, erweiterter Bereich -100/+200 °C.

Welche Temperaturprofile sind typisch für elektronische Energiespeichersysteme?

Standard-ESS-Profile schreiben Temperaturzyklen zwischen -40 °C und +75 °C (Unterhaltungselektronik) bzw. -55 °C und +125 °C (Luft- und Raumfahrt/Militär) mit Aufheizraten von 5–15 °C/min, Haltezeiten von jeweils 10–15 Minuten und insgesamt 10–20 Zyklen vor. Das am weitesten verbreitete Profil ist NAVMAT P-9492: 8 Zyklen von -55 °C bis +75 °C mit 5 °C/min und 10 Minuten Haltezeit, kombiniert mit einer Zufallsvibration von 6 G RMS und 10–2000 Hz. IEC 60068-2-14 Nb wird als Basismethode genannt. Die Kombination mit Dauerbetrieb (kontinuierliche Stromversorgung während der Prüfung) ist für ein effektives Screening unerlässlich: Das Gerät muss funktionell überwacht werden, um transiente Fehler zu erkennen. Die Profile müssen anhand der Anstiegszeit, des Kammervolumens und der erzeugten thermischen Masse dimensioniert werden. Für große Volumina werden begehbare Klimakammern mit integrierten elektrodynamischen Vibratoren eingesetzt.

Wie lässt sich die Effektivität eines ESS-Prozesses nachweisen?

Die Effektivität wird anhand der Screening-Stärke (SS) bewertet , der Wahrscheinlichkeit, dass ein latenter Defekt während des ESS-Zyklus erkannt wird. Die Formeln der Standards IEC 61164 und MIL-HDBK-344 schätzen die SS in Abhängigkeit von folgenden Faktoren: Temperaturextreme, Rampengeschwindigkeit, Anzahl der Zyklen, Vibration und Einschaltdauer. Für einen effektiven Prozess gilt: SS ≥ 95 %. Das Defektdichteverhältnis (DDR), das Verhältnis zwischen im ESS erkannten Defekten und allen Felddefekten, wird überwacht: Ein guter Zielwert ist DDR > 70 %. Die Erstausbeute (FPY) misst den Prozentsatz der Produkte, die den ESS beim ersten Versuch bestehen: Zielwert > 98 %. Regelmäßige Prozessprüfungen umfassen eine Weibull-Fehleranalyse, um zu überprüfen, ob die „Anfangsmortalität“ effektiv eliminiert wurde (β < 1 pro Verschleißstufe). Die Dokumentation umfasst FMEA, die FRACAS-Datenbank (Fehlerberichterstattung, -analyse und Korrekturmaßnahmen) sowie die vierteljährliche Überprüfung der Akzeptanzkriterien.

Welcher Temperatur- und Vibrationsbereich ist für eine ESS-Kammer im Automobilbereich erforderlich?

Die Spezifikationen von Automobilherstellern (OEMs) erfordern Klimakammern mit einem Temperaturbereich von -40/+125 °C (AEC-Q100 Klasse 1) oder -40/+150 °C (Klasse 0), einer Aufheizrate von ≥ 5 °C/min und einer Temperaturhomogenität von ± 2 °C. Die Vibrationsprüfung muss einen Frequenzbereich von mindestens 5–2000 Hz mit einer zufälligen Beschleunigung von 3–10 G RMS abdecken (typisches Profil: 0,04 g²/Hz, flach). Für kombinierte Temperatur-Vibrations-Tests wird ein Expanderkopf mit einem in die Kammer integrierten oder darunter liegenden Vibrationstisch verwendet . Die elektrischen Mehrpolanschlüsse müssen eine hohe Kanaldichte (100–500 Kanäle) für die Einschalt- und In-situ-Überwachung aufweisen. Die Kammer muss für die vollständige Qualifizierung den Normen ISO 16750-4 (Temperaturwechselprüfung), ISO 16750-3 (mechanische Vibrationsprüfung) und LV 124 (Volkswagen/Audi) entsprechen. Die speziell entwickelten ESS FDM-Kammern integrieren den revoFACE mit einer Bibliothek vorgefertigter Profile für die Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie einer 21 CFR Part 11-Audit-Trail-Aufzeichnung zur Chargenrückverfolgbarkeit. -Programmierer