李賢靈,李高生
(中電科航空電子有限公司,成都 610000)
LI Xian-ling,LI Gao-sheng
(China Electronics Technology Group CorporationAvionics(CETCA),Chengdu,610000,China)
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某航空電子設(shè)備的HALT方案設(shè)計(jì)與實(shí)施
李賢靈,李高生
(中電科航空電子有限公司,成都 610000)
目的 研究針對(duì)某民用航空機(jī)載電子設(shè)備的HALT方案與實(shí)施,以此提高該設(shè)備的固有可靠性。方法 基于環(huán)境應(yīng)力和失效的統(tǒng)計(jì)分布關(guān)系,結(jié)合某民用航空機(jī)載電子設(shè)備的特點(diǎn),設(shè)計(jì)針對(duì)性的HALT方案,并實(shí)施HALT實(shí)驗(yàn)。結(jié)果 發(fā)現(xiàn)多個(gè)設(shè)計(jì)缺陷,并完成整改,極大地提高了該民用航空機(jī)載電子設(shè)備的可靠性。結(jié)論 通過(guò)設(shè)計(jì)針對(duì)性HALT方案與實(shí)施,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,并進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn),可以有效提高設(shè)備的可靠性。
航空電子設(shè)備;可靠性;HALT;HASS
LI Xian-ling,LI Gao-sheng
(China Electronics Technology Group CorporationAvionics(CETCA),Chengdu,610000,China)
可靠性差是導(dǎo)致我國(guó)航空電子產(chǎn)品相對(duì)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品差距的一個(gè)主要因素,我國(guó)航空電子產(chǎn)品可靠性差的主要原因除我國(guó)電子工業(yè)基礎(chǔ)產(chǎn)品(即電子元器件)的可靠性差外,還包括我國(guó)航空電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)欠缺等因素[1]。
20世紀(jì)80年代開(kāi)始,以美國(guó)Gregg K.Hobbs為代表,提出了高加速壽命試驗(yàn)(HALT)和高加速應(yīng)力篩選(HASS)技術(shù),該技術(shù)通過(guò)使用高于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的應(yīng)力,暴露產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的缺陷和薄弱環(huán)節(jié),并通過(guò)失效分析,采取設(shè)計(jì)改進(jìn)措施不斷增加產(chǎn)品的健壯性,最終提高產(chǎn)品的可靠性[2]。目前,在國(guó)外HALT技術(shù)已經(jīng)成為用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行健壯設(shè)計(jì)的成熟技術(shù),成為每個(gè)電子產(chǎn)品研制流程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)[3]。在國(guó)內(nèi)HALT技術(shù)也在通訊、能源、航空和航天等領(lǐng)域逐步開(kāi)展,但由于國(guó)內(nèi)可靠性領(lǐng)域?qū)ALT技術(shù)的研究起步較晚,且無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循,HALT技術(shù)的應(yīng)用基本處于跟蹤和典型產(chǎn)品的初步應(yīng)用狀態(tài)[4]。
文中對(duì)國(guó)內(nèi)某民用航空機(jī)載電子設(shè)備,基于環(huán)境應(yīng)力和失效的關(guān)系統(tǒng)計(jì)分布,結(jié)合該設(shè)備設(shè)計(jì)、工藝及結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了針對(duì)性的HALT方案,進(jìn)行HALT試驗(yàn),暴露設(shè)計(jì)缺陷,完成設(shè)計(jì)改進(jìn),并根據(jù)HALT結(jié)果制定了該設(shè)備HASS剖面,極大地提高了該設(shè)備的可靠性。
對(duì)許多電子設(shè)備故障的調(diào)查表明,大多數(shù)電子設(shè)備的故障(失效)在本質(zhì)上屬于機(jī)械故障。通常,它們包括焊點(diǎn)、引線、器件、電路板、氣密密封、黏結(jié)面、連接器和電纜的破裂;在制造工藝粗糙、設(shè)計(jì)實(shí)踐欠佳和維修不當(dāng)?shù)臈l件下,這些故障常常是由綜合的熱、振動(dòng)、沖擊、濕氣等環(huán)境的各種組合引起[5]。
由圖1中數(shù)據(jù)可見(jiàn)[6],在各種應(yīng)力影響之中,溫度和振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力所引發(fā)的失效占所有環(huán)境應(yīng)力引發(fā)失效的約68%左右,溫度和振動(dòng)應(yīng)力已表現(xiàn)為電子設(shè)備故障的主要環(huán)境應(yīng)力。
圖1 環(huán)境應(yīng)力和失效因素的關(guān)系Fig.1 Relationship between environmental stress and failure factors
HALT技術(shù)正是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)地施加步進(jìn)或綜合應(yīng)力(溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力),同時(shí)附加電源周期通斷應(yīng)力來(lái)快速激發(fā)設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷,暴露薄弱環(huán)節(jié),從而在短期內(nèi)為設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)提供信息,提高設(shè)備的固有可靠性[7—15]。
2.1產(chǎn)品特點(diǎn)分析
該民用航空電子設(shè)備裝備于民用大型飛機(jī)電子設(shè)備艙,工作環(huán)境惡劣(壽命期間內(nèi)需頻繁經(jīng)歷高低溫環(huán)境、快速溫度變化和劇烈振動(dòng)等環(huán)境應(yīng)力),且該設(shè)備可靠性要求高,同時(shí)是國(guó)內(nèi)首次研制,設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品制造的工藝設(shè)計(jì)水平都是未知數(shù)。
在設(shè)計(jì)上該設(shè)備使用了大量表面安裝無(wú)引線陶瓷芯片載體器件(如陶瓷電容、晶振等),這些器件安裝在環(huán)氧玻璃纖維PCB上有可能是不可靠的。統(tǒng)計(jì)表明,溫度是導(dǎo)致產(chǎn)品失效的最主要因素。在熱循環(huán)條件下,PCB與安裝在 PCB上的各種元器件之間熱膨脹系統(tǒng)的差別能夠產(chǎn)生偏移差,這些偏移差在元器件本體、引線、引線中的焊點(diǎn),可能產(chǎn)生很高的應(yīng)力。由于材料的熱膨脹之差將大到足以在焊點(diǎn)中產(chǎn)生高的應(yīng)變和應(yīng)力,從而可能導(dǎo)致許多焊點(diǎn)故障。
該設(shè)備還有直接購(gòu)買(mǎi)的部分功能模塊,其內(nèi)部還有射頻連接器、SIM卡槽等容易發(fā)生故障的機(jī)械結(jié)構(gòu)。PCB設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造加工采用外協(xié)的方式,其設(shè)計(jì)和制造工藝水平需進(jìn)行評(píng)估。此外,為開(kāi)拓國(guó)際民機(jī)市場(chǎng),還需同國(guó)外成熟的產(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),這就要求該設(shè)備在保證功能、性能的前提下,具備更高的可靠性。
2.2需HALT評(píng)估環(huán)節(jié)
通過(guò)以上對(duì)該民用機(jī)載航空電子設(shè)備的產(chǎn)品特點(diǎn)分析,采用HALT技術(shù)對(duì)該設(shè)備的以下因素進(jìn)行評(píng)估,以保證其可靠性。
1)確定設(shè)備的性能裕度:電應(yīng)力規(guī)范極限;低溫工作極限;高溫工作極限;振動(dòng)工作極限;低溫破壞極限;高溫破壞極限;振動(dòng)破壞極限。
2)工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平:設(shè)備整體環(huán)境設(shè)計(jì)性能評(píng)估;射頻連接器和SIM卡槽的振動(dòng)環(huán)境工作性能評(píng)估;PCB工藝設(shè)計(jì)水平;外購(gòu)模塊設(shè)計(jì)和外協(xié)工藝水平。
3)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)和潛在缺陷:確定設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)的失效模式;尋找設(shè)備的潛在缺陷;確定失效對(duì)應(yīng)的失效應(yīng)力;快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)裕度。
2.3HALT項(xiàng)目
為評(píng)估以上因素,基于HALT的通用試驗(yàn)項(xiàng)目,結(jié)合設(shè)備試驗(yàn)需求和產(chǎn)品特點(diǎn),針對(duì)性地設(shè)計(jì)了以下的HALT方案:
2.3.1基本環(huán)境電應(yīng)力試驗(yàn)
目的:確定設(shè)備是否滿足設(shè)計(jì)工作環(huán)境規(guī)范要求(高低溫工作環(huán)境、電應(yīng)力工作環(huán)境),若設(shè)備失效,則必須閉環(huán)整改,同時(shí)確定設(shè)備的高低溫溫度穩(wěn)定時(shí)間,用于確定后續(xù)試驗(yàn)中高低溫溫度保持時(shí)間,其試驗(yàn)剖面如圖2和圖3所示。
為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,采用熱電偶對(duì)試驗(yàn)件內(nèi)部關(guān)鍵發(fā)熱器件和質(zhì)量相對(duì)大的器件溫度進(jìn)行測(cè)量,依此分別確定高低溫溫度穩(wěn)定時(shí)間。
圖2 高低溫環(huán)境工作性能檢測(cè)Fig.2 High and Low temperature performance test
圖3 基本電應(yīng)力性能檢測(cè)Fig.3 Basic electrical stress test
2.3.2低溫步進(jìn)工作極限試驗(yàn)
目的:檢測(cè)設(shè)備在低溫下的性能退化特性,并確定產(chǎn)品的低溫工作極限,激發(fā)產(chǎn)品在低溫工作環(huán)境下的潛在缺陷,評(píng)估產(chǎn)品的低溫工作裕度,其試驗(yàn)剖面如圖4所示。其中每個(gè)步進(jìn)低溫溫度保持時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)自“基本環(huán)境電應(yīng)力試驗(yàn)”。
圖4 低溫步進(jìn)工作極限試驗(yàn)Fig.4 Low temperature working limit step test
2.3.3高溫步進(jìn)工作極限試驗(yàn)
目的:檢測(cè)設(shè)備在高溫下的性能退化特性,并確定產(chǎn)品的高溫工作極限,激發(fā)產(chǎn)品在高溫工作環(huán)境下的潛在缺陷,評(píng)估產(chǎn)品的高溫工作裕度,其試驗(yàn)剖面如圖5所示。其中每個(gè)步進(jìn)高溫保持時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)自“基本環(huán)境電應(yīng)力試驗(yàn)”。
圖5 高溫步進(jìn)工作極限試驗(yàn)Fig.5 High temperature working limit step test
2.3.4振動(dòng)步進(jìn)工作極限試驗(yàn)
目的:檢測(cè)設(shè)備在振動(dòng)環(huán)境下的性能退化特性,并確定產(chǎn)品的振動(dòng)工作極限,激發(fā)產(chǎn)品在振動(dòng)工作環(huán)境下的潛在缺陷,評(píng)估產(chǎn)品的振動(dòng)工作裕度,其試驗(yàn)剖面如圖6所示。振動(dòng)步進(jìn)保持時(shí)間最少10 min,可根據(jù)故障檢測(cè)所需的時(shí)間而適當(dāng)延長(zhǎng)。
圖6 振動(dòng)步進(jìn)工作極限試驗(yàn)Fig.6 Vibration working limit step test
2.3.5低溫步進(jìn)破壞極限試驗(yàn)
目的:檢測(cè)設(shè)備在低溫下的性能退化特性,并確定產(chǎn)品的低溫破壞極限,進(jìn)一步激發(fā)產(chǎn)品在低溫工作環(huán)境下的潛在缺陷,評(píng)估產(chǎn)品的低溫工作破壞裕度,其試驗(yàn)剖面如圖7所示。其中每個(gè)步進(jìn)低溫保持時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)自“基本環(huán)境電應(yīng)力試驗(yàn)”,低溫工作極限數(shù)據(jù)來(lái)自“低溫步進(jìn)工作極限試驗(yàn)”。
圖7 低溫步進(jìn)破壞極限試驗(yàn)Fig.7 Low temperature destruction limit step test
2.3.6高溫步進(jìn)破壞極限試驗(yàn)
目的:檢測(cè)設(shè)備在高溫下的性能退化特性,并確定產(chǎn)品的高溫破壞極限,進(jìn)一步激發(fā)產(chǎn)品在高溫工作環(huán)境下的潛在缺陷,評(píng)估產(chǎn)品的高溫工作破壞裕度,其試驗(yàn)剖面如圖8所示。其中每個(gè)步進(jìn)高溫保持時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)自“基本環(huán)境電應(yīng)力試驗(yàn)”,高溫工作極限數(shù)據(jù)來(lái)自“高溫步進(jìn)工作極限試驗(yàn)”。
圖8 高溫步進(jìn)破壞極限試驗(yàn)Fig.8 High temperature destruction limit test
2.3.7振動(dòng)步進(jìn)破壞極限試驗(yàn)
目的:檢測(cè)設(shè)備在振動(dòng)環(huán)境下的性能退化特性,并確定產(chǎn)品的振動(dòng)破壞極限,進(jìn)一步激發(fā)產(chǎn)品在振動(dòng)工作環(huán)境下的潛在缺陷,評(píng)估產(chǎn)品的振動(dòng)工作破壞余量,其試驗(yàn)剖面如圖9所示。振動(dòng)步進(jìn)保持時(shí)間最少10 min,可根據(jù)故障檢測(cè)所需的時(shí)間而延長(zhǎng),振動(dòng)工作極限數(shù)據(jù)來(lái)自“振動(dòng)步進(jìn)工作極限試驗(yàn)”。
圖9 振動(dòng)步進(jìn)破壞極限試驗(yàn)Fig.9 Vibration destruction limit step test
2.3.8快速溫度循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)
目的:暴露由于設(shè)備所用器件材料熱膨脹系數(shù)不同而引起的尺寸變化,以及伴隨而來(lái)的材料特性和密閉性的變化;評(píng)估產(chǎn)品的抗劇烈溫變能力,以及產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),若發(fā)生故障,需閉環(huán)整改,其試驗(yàn)剖面如圖10所示。以至少50℃/min的變化速率(或更大)執(zhí)行溫度循環(huán),高溫溫度為“高溫工作極限-10℃”,低溫溫度為“低溫工作極限+5℃”,其高低溫溫度保持時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)自“基本環(huán)境電應(yīng)力試驗(yàn)”。
在升溫階段,設(shè)備通電并以最大功率工作,保證設(shè)備內(nèi)部的升溫速率;在降溫階段,設(shè)備斷電,使設(shè)備的熱量盡快散發(fā),保證設(shè)備內(nèi)部的降溫速率。受試設(shè)備六個(gè)面開(kāi)通風(fēng)孔,在試驗(yàn)過(guò)程中需將HALT箱體提供的可調(diào)節(jié)活動(dòng)風(fēng)管引至試驗(yàn)設(shè)備通風(fēng)孔正上方5 cm處,使設(shè)備內(nèi)部與試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行充分的熱交換,達(dá)到規(guī)定的溫度變化速率。
圖10 快速溫度循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)Fig.10 Fast temperature cycling stress test
2.3.9綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)
目的:通過(guò)將快速溫變的試驗(yàn)剖面結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境同時(shí)進(jìn)行,提高加速應(yīng)力的效果。評(píng)估設(shè)備的抗綜合環(huán)境能力,以及設(shè)備工藝設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),若發(fā)生故障,需閉環(huán)整改,其試驗(yàn)剖面如圖11所示。溫度循環(huán)應(yīng)力剖面參數(shù)同“快速溫度循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)”參數(shù)一致;振動(dòng)應(yīng)力步長(zhǎng)重復(fù)5個(gè)循環(huán),以振動(dòng)工作極限的20%為增量來(lái)增加,駐留時(shí)間為15 min。
圖11 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)Fig.11 Comprehensive environmental stress test
2.4HALT試驗(yàn)件
考慮到經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品研制成本,采用兩臺(tái)試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn),其中一臺(tái)用以評(píng)估產(chǎn)品的功能性能設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)裕度,另一臺(tái)用以評(píng)估產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造水平。結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)以及所確定的HALT項(xiàng)目,根據(jù)各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的目的和所要揭發(fā)故障的特點(diǎn),對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行HALT項(xiàng)目分配,見(jiàn)表1。
表1 HALT試驗(yàn)順序和樣件分配Table 1 HALT test sequence and sample distribution
文中假定單臺(tái)試驗(yàn)的可靠性水平可以反映該設(shè)備的整體可靠性水平。由于產(chǎn)品元器件質(zhì)量層次不齊和加工制造等因素導(dǎo)致個(gè)別產(chǎn)品提前失效和可靠性水平不一致的問(wèn)題,由該設(shè)備的制造符合性檢查(如元器件符合性檢查、工藝和工藝過(guò)程符合性檢查)和ESS/HASS來(lái)保證。研究通過(guò)HALT技術(shù)來(lái)提高該設(shè)備的整體可靠性水平。
1)溫度系統(tǒng)要求:溫度精度 ±2℃;溫度范圍至少覆蓋-80℃~+130℃;溫度控制方式為產(chǎn)品控制和出風(fēng)口控制;溫度過(guò)沖小于5℃;能夠提供出風(fēng)口活動(dòng)風(fēng)管。
2)振動(dòng)系統(tǒng)要求:能夠提供10~5000 Hz的寬頻帶隨機(jī)振動(dòng);同時(shí)提供3軸6自由度的隨機(jī)振動(dòng)(如圖12所示);最大加速度不低于50g;能夠同時(shí)提供溫度和振動(dòng)的綜合環(huán)境條件。
圖12 三軸六自由度的隨機(jī)振動(dòng)Fig.12 Random vibration of three axis and six degree
HALT試驗(yàn)選取QualMark Typhoon 4.0試驗(yàn)箱進(jìn)行,該試驗(yàn)箱能夠滿足HALT方案的實(shí)施要求。該振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面是彈性支撐,臺(tái)面下多個(gè)氣錘按不同角度產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng),合成6個(gè)自由度的隨機(jī)振動(dòng),如圖13所示。
圖13 振臺(tái)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.13 Structure of vibration table
通過(guò)HALT試驗(yàn),共發(fā)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)故障5項(xiàng),硬件故障4項(xiàng),工藝設(shè)計(jì)缺陷1項(xiàng),薄弱環(huán)節(jié)4處,并提出合理化改進(jìn)建議3項(xiàng)。對(duì)故障進(jìn)行失效分析和設(shè)計(jì)改進(jìn),在基本技術(shù)極限范圍內(nèi)提高了設(shè)備的設(shè)計(jì)工作裕度,低溫工作極限提高10℃,高溫工作極限提高15℃,振動(dòng)工作極限提高12.5g,一定程度上提高了該設(shè)備的可靠性。
通過(guò)對(duì)該設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)、潛在缺陷和邊界裕度進(jìn)行評(píng)估和改善,增加了該設(shè)備的工作極限和破壞極限裕度,提高了設(shè)備的可靠性。同時(shí)根據(jù)HALT確定的工作極限數(shù)據(jù)和破壞裕度制定初步的HASS程序[16],如圖14所示。低溫應(yīng)力強(qiáng)度取低溫工作極限+5℃,高溫應(yīng)力強(qiáng)度取高溫工作極限-10℃。
圖14 HASS初始程序Fig.14 HASS initial program
在執(zhí)行HASS之前,還需要對(duì)“HASS初始篩選程序的有效性和安全性”進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估。通常將初步的HASS程序重復(fù)運(yùn)行直至設(shè)備失效,統(tǒng)計(jì)篩選剖面的重復(fù)運(yùn)行次數(shù)來(lái)評(píng)估此HASS程序的執(zhí)行是否會(huì)過(guò)多地消耗產(chǎn)品的實(shí)際壽命。
基于環(huán)境應(yīng)力和失效的關(guān)系統(tǒng)計(jì),針對(duì)國(guó)內(nèi)某民用航空機(jī)載電子設(shè)備,結(jié)合其設(shè)計(jì)、工藝及結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了針對(duì)性的HALT方案。通過(guò)對(duì)該設(shè)備實(shí)施HALT試驗(yàn),在短時(shí)間內(nèi)獲得了設(shè)備的高低溫及振動(dòng)的工作極限應(yīng)力值,同時(shí)暴露了該設(shè)備在其他可靠性試驗(yàn)中不易暴露的潛在故障。通過(guò)對(duì)HALT試驗(yàn)中暴露的軟硬件故障、工藝設(shè)計(jì)缺陷和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn),提高了該設(shè)備的可靠性。此外,根據(jù)該設(shè)備HALT數(shù)據(jù)制定了HASS剖面,從而為HALT技術(shù)在民用航空電子設(shè)備的工程實(shí)施提供了一種示例,為國(guó)內(nèi)電子設(shè)備進(jìn)行HALT方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)實(shí)施提供了一種參考,對(duì)提高國(guó)內(nèi)航空電子設(shè)備的可靠性具有一定的應(yīng)用和參考價(jià)值。
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Design and Implementation of HALT Scheme for an Avionics
Objective To study the HALT scheme and the implementation of a civil aviation airborne electronic equipment and improve the reliability of the equipment.Methods Targeted HALT scheme was designed based on the statistical distribution of environmental stress and failure and in combination with the characteristics of a civil aviation airborne electronic equipment, and HALT test was carried out.Results After discovering several design defects and making rectifications thereof,the reliability of the airborne electronic equipment of the civil aviation was greatly improved.Conclusion Through the design of targeted HALT scheme and the implementation thereof,we have found the design defects and made improvements accordingly,with which the reliability of the equipment can be effectively improved.
avionics;reliability;HALT;HASS
2016-03-30;Revised:2016-04-07
10.7643/issn.1672-9242.2016.04.019
TJ02
A
1672-9242(2016)04-0117-07
2016-03-30;
2016-04-07
李賢靈(1984—),男,山西平遙人,工程師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)載電子設(shè)備可靠性和測(cè)試性。
Biography:Xianling Li(1984—),Male,from Pingyao,Shanxi,Engineer,Research focus:reliability and testability of airborne electronic equipment.