朱建山，花一秋，黃琴

（蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151）

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在顯示器上的應(yīng)用

朱建山，花一秋，黃琴

（蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151）

首先，對(duì)誘發(fā)顯示器故障模式的主要環(huán)境因素進(jìn)行了分析，確定了影響顯示器的可靠性的敏感環(huán)境應(yīng)力；其次，以某型顯示器為研究對(duì)象，通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)剖面，制定了相應(yīng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用；然后，在試驗(yàn)實(shí)施的過程中成功地將產(chǎn)品的缺陷激發(fā)為了可被檢測(cè)的故障，有效地發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)；最后，通過分析其故障模式和失效機(jī)理，提出了有效的改進(jìn)措施，提高了產(chǎn)品的健壯性和可靠性。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)；故障模式；薄弱環(huán)節(jié)；顯示器

0 引言

隨著產(chǎn)品的復(fù)雜性的增加，遵循滿足 “產(chǎn)品特定使用環(huán)境要求”進(jìn)行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)不能有效地保證產(chǎn)品在實(shí)際使用環(huán)境下可靠地工作。自20世紀(jì)90年代以來，按照 “最大環(huán)境應(yīng)力條件”來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新觀念開始出現(xiàn)，按產(chǎn)品承受的正常工作應(yīng)力進(jìn)行的 “傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)”既費(fèi)錢又費(fèi)時(shí)，而且很難發(fā)現(xiàn)一些潛伏地較深的故障。針對(duì)新的轉(zhuǎn)變和 “傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)”的不足，客觀上需要采用新的可靠性試驗(yàn)方法[1]。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是近年來迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)可靠性試驗(yàn)技術(shù)，其理論依據(jù)是故障物理學(xué)。與以往的環(huán)境模擬可靠性試驗(yàn)截然不同，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)把故障或失效作為研究對(duì)象，通過采用人為施加步進(jìn)環(huán)境應(yīng)力的方法，加速激發(fā)產(chǎn)品潛在的缺陷來達(dá)到可靠性水平提升的目的。可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)具有周期短、費(fèi)用低和暴露問題多等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

1.1 目的

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種采用加速應(yīng)力的可靠性研制試驗(yàn)，其目的是使產(chǎn)品設(shè)計(jì)得更為“健壯”[3]?；痉椒ㄊ峭ㄟ^施加步進(jìn)應(yīng)力來不斷地加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，并進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證，使產(chǎn)品的可靠性不斷地提高，并使產(chǎn)品的耐環(huán)境能力達(dá)到最高，直到現(xiàn)有的材料、工藝、技術(shù)和費(fèi)用支撐能力無法作進(jìn)一步的改進(jìn)為止。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

a）可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種激發(fā)試驗(yàn)，不要求模擬應(yīng)力的真實(shí)性，而是強(qiáng)調(diào)應(yīng)力的激發(fā)效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)研制階段產(chǎn)品可靠性的快速增長(zhǎng)。

b）可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種加速試驗(yàn)，其采用的是步進(jìn)應(yīng)力方法，施加的應(yīng)力是變化的，而且是遞增的，應(yīng)力可以超出規(guī)范極限甚至可以到達(dá)破壞的極限。

c）可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種研制試驗(yàn)，而不是一種統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，其主要目的是查明和排除設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，適用于產(chǎn)品的研制階段。

d）為了保證試驗(yàn)的有效性，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)盡量地在能夠代表設(shè)計(jì)、元器件、材料和生產(chǎn)中所使用的制造工藝都基本落實(shí)的樣件上盡早地進(jìn)行，以便修改設(shè)計(jì)。

1.3 試驗(yàn)流程

為了實(shí)現(xiàn)上述試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，更好地激發(fā)產(chǎn)品潛在的缺陷，提高可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)效率，根據(jù)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的特點(diǎn)，采用的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的應(yīng)用流程

對(duì)產(chǎn)品開展故障模式、影響和危害性分析，確定產(chǎn)品的故障模式和敏感應(yīng)力，依據(jù)分析結(jié)果制定可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)大綱和設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，盡早地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的設(shè)計(jì)、工藝缺陷，暴露薄弱環(huán)節(jié)，摸清產(chǎn)品各種應(yīng)力極限和性能參數(shù)的變化趨勢(shì)，明確產(chǎn)品的工作和破壞裕度，通過采取糾正措施來提高附件的健壯性和可靠性，降低產(chǎn)品使用過程中發(fā)生故障的概率。通過試驗(yàn)、分析和改進(jìn)的過程，使產(chǎn)品在研制初期達(dá)到較高的可靠性水平，并初步驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)，為其后續(xù)的可靠性工作提供信息和依據(jù)。

2 某型顯示器

2.1 產(chǎn)品組成

某型顯示器是一個(gè)高分辨率、高亮度的、與夜視成像系統(tǒng)兼容的彩色有源矩陣液晶顯示器，能夠分別和綜合顯示與控制分系統(tǒng)、任務(wù)管理分系統(tǒng)配套，為飛行員提供系統(tǒng)輸入的視頻顯示信息，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的通訊、控制功能。兩個(gè)分系統(tǒng)的顯示器相互兼容，可以實(shí)現(xiàn)完全互換。顯示器的電子模塊主要由視頻處理、接口控制、電源處理和液晶顯示等模塊組成。

2.2 敏感應(yīng)力分析

在制定可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案前，需要對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行環(huán)境因素和敏感應(yīng)力的分析，找出影響產(chǎn)品的可靠性的主要因素和對(duì)產(chǎn)品的可靠性影響較大的敏感應(yīng)力，并以此為依據(jù)制定相應(yīng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案。

某型顯示器主要由電子模塊組成，電子模塊中含有大量的電子組件、部件和元器件，由于穩(wěn)定應(yīng)力在揭示有缺陷的元器件方面起著主要的作用，例如：振動(dòng)在揭示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝和組裝缺陷方面起著主要作用；高溫、低溫、高低溫循環(huán)和振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力能夠誘發(fā)顯示器不同的故障。因此，該產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)以溫度、振動(dòng)作為主要的應(yīng)力條件來激發(fā)其潛在的缺陷，可以覆蓋主要的潛在故障模式[4]。

2.2.1高溫效應(yīng)

高溫會(huì)改變產(chǎn)品所用電子元器件的物理性能或尺寸，因而會(huì)暫時(shí)或永久性地降低產(chǎn)品的性能。該顯示器的工作溫度范圍為-40～60℃，當(dāng)顯示器工作在高溫環(huán)境下時(shí)，其內(nèi)部的電子模塊會(huì)產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電子模塊上的部分元器件的性能退化，而隨著溫度的持續(xù)增加，最終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障。數(shù)據(jù)顯示，在高溫環(huán)境下，隨著溫度的升高，產(chǎn)品的故障率呈指數(shù)式的增長(zhǎng)。

高溫激發(fā)的主要故障模式有：電子電路的穩(wěn)定性會(huì)因材料的膨脹系數(shù)的不同而變差、材料出現(xiàn)裂紋或開裂和集成電路的性能因其芯片過熱而下降。

2.2.2低溫效應(yīng)

當(dāng)顯示器工作在低溫環(huán)境下時(shí)，其受到的影響與高溫時(shí)的相反，其內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)減弱，流動(dòng)性變差，內(nèi)應(yīng)力會(huì)造成結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度降低，從而發(fā)生冷脆現(xiàn)象。

低溫激發(fā)的主要故障模式有：材料發(fā)硬變脆、電子元器件的性能下降、強(qiáng)度降低、發(fā)生開裂及碎裂和焊盤脫落。

2.2.3溫度循環(huán)效應(yīng)

當(dāng)顯示器工作在溫度循環(huán)的環(huán)境下時(shí)，產(chǎn)品因受到循環(huán)應(yīng)力的作用而熱脹冷縮，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變。加之產(chǎn)品內(nèi)部各個(gè)模塊相鄰材料的熱膨脹系數(shù)不一致，更加劇了產(chǎn)品的熱應(yīng)力和應(yīng)變。加劇的熱應(yīng)力和應(yīng)變集中作用在缺陷處，并隨著循環(huán)次數(shù)的增加，使缺陷最終暴露出來而形成故障。溫度循環(huán)是激發(fā)焊點(diǎn)和印制板電鍍通孔產(chǎn)生故障的重要手段。在溫度循環(huán)過程中，溫度變化范圍與循環(huán)次數(shù)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，也就是隨著溫度變化范圍的加大，產(chǎn)品所受到的熱應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)相應(yīng)地變大，產(chǎn)品內(nèi)部的潛在缺陷暴露成故障所需要的循環(huán)次數(shù)也就會(huì)相應(yīng)地減少。

溫度循環(huán)激發(fā)的主要故障模式有：電路板開路或短路、器件相鄰部分的熱膨脹系數(shù)不同所導(dǎo)致的熱疲勞、材料或?qū)Ь€接頭上的各種細(xì)微裂紋擴(kuò)大、元件裝配不當(dāng)、器件不同部分焊接或粘貼不牢、安裝不當(dāng)?shù)穆葆斔擅摵唾|(zhì)量差的焊點(diǎn)開裂，以及密封失效。

2.2.4振動(dòng)效應(yīng)

當(dāng)對(duì)機(jī)載顯示器施加隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，由于產(chǎn)品受到的振動(dòng)應(yīng)力的頻率不惟一，因而產(chǎn)品內(nèi)部不同的元器件會(huì)出現(xiàn)同時(shí)共振，此時(shí)，安裝不當(dāng)?shù)脑骷尤菀资艿酵饬ψ饔枚鴵p壞。振動(dòng)應(yīng)力能夠有效地激發(fā)對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)或反復(fù)的結(jié)構(gòu)變形敏感的缺陷，例如：導(dǎo)線接頭和電路板上的細(xì)微裂紋。

總的來說，振動(dòng)激發(fā)出的主要故障模式有：電路板開路、短路；部件之間由于焊接不牢而斷開；元件裝配不當(dāng)；在產(chǎn)品裝配時(shí)由于夾持方式不合理而導(dǎo)致的器件管腳劃傷；導(dǎo)線接頭產(chǎn)生疲勞；導(dǎo)線磨損、夾斷、松脫；螺釘松脫；元器件管腳斷裂；焊點(diǎn)虛焊和焊接不良；布線連接不當(dāng)?shù)取?/p>

3 某顯示器的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案

由于振動(dòng)對(duì)顯示器的損傷程度大于溫度對(duì)其的影響，為了充分地利用有限的試驗(yàn)樣品，節(jié)約費(fèi)用，應(yīng)先施加對(duì)產(chǎn)品的損傷程度較小的環(huán)境應(yīng)力。本次可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的試驗(yàn)流程包括低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、快速溫度變化試驗(yàn)、振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)5個(gè)階段[5]，各個(gè)步驟之間的相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)方案

在檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品中抽取1臺(tái)顯示器按可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)大綱進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目的先后次序?yàn)椋旱蜏夭竭M(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、快速溫度變化試驗(yàn)、振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了1次故障。

3.1 故障現(xiàn)象

高溫步進(jìn)至溫度t時(shí)，顯示器出現(xiàn)畫面逐漸黑掉的故障現(xiàn)象，如圖3所示；按試驗(yàn)大綱要求恢復(fù)到初始溫度時(shí)，產(chǎn)品恢復(fù)正常，由此可以推斷，產(chǎn)品的工作極限為t。

圖3 顯示器高溫步進(jìn)故障圖

振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)中振動(dòng)量級(jí)在V g時(shí)，產(chǎn)品的顯示畫面隨試驗(yàn)的進(jìn)行出現(xiàn)局部拉線故障，顯示畫面下半部分無法顯示，如圖4所示。停止振動(dòng)后，產(chǎn)品無法恢復(fù)正常工作。由于設(shè)定的振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)的步長(zhǎng)為2 g，因此，初步確定顯示器振動(dòng)的工作極限為 （V-2）g，破壞極限為V g。

圖4 顯示器振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)故障圖

3.2 原因分析

高溫步進(jìn)試驗(yàn)故障的原因?yàn)椋涸谠摳邷貤l件下，由于液晶模塊背光發(fā)熱問題，液晶屏自身的溫度已經(jīng)達(dá)到了液晶的清亮點(diǎn)。液晶盒的液晶材料達(dá)到清亮點(diǎn)后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲缘囊簯B(tài)，此時(shí)液晶的電致偏轉(zhuǎn)特性被破壞，失去炫光效應(yīng)從而無法正常地顯示畫面。

振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)故障的原因?yàn)椋阂壕э@示模塊內(nèi)部信號(hào)線松動(dòng)及損壞，導(dǎo)致視頻信號(hào)無法正常地顯示。

3.3 解決措施及驗(yàn)證情況

對(duì)于高溫步進(jìn)試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障，受限于液晶屏液晶的自身工作特性，目前已達(dá)到設(shè)計(jì)極限，無改進(jìn)措施。

對(duì)于振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，經(jīng)檢查確認(rèn)均為液晶顯示器模塊內(nèi)部視頻信號(hào)接觸故障，因此，通過采取對(duì)液晶顯示模塊視頻信號(hào)線纜部分進(jìn)行加固的措施而解決了該故障，并對(duì)改進(jìn)措施進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明糾正措施是有效、可行的。

4 結(jié)束語

在某顯示器的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中，通過對(duì)受試樣品施加步進(jìn)的環(huán)境應(yīng)力，促使其設(shè)計(jì)和制造缺陷迅速地暴露，短時(shí)間內(nèi)暴露了產(chǎn)品的故障模式，并分析了其失效機(jī)理，確定了產(chǎn)品的工作極限和破壞極限。

如果按照傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，至少需要幾個(gè)月甚至產(chǎn)品交付后的數(shù)年時(shí)間才可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，而采用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的方法只需要短短幾天就可以達(dá)到相同的效果，極大地提高了試驗(yàn)效率[5]?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)突破了環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的思路，將加速試驗(yàn)機(jī)制引入到了可靠性試驗(yàn)中，其作為一種新型的試驗(yàn)技術(shù)，具有效率高、成本低的特點(diǎn)，可以從根本上提高顯示器的固有可靠性，并且能夠快速地獲得顯示器的早期高可靠性，從而大大地縮短了顯示器的研制與生產(chǎn)時(shí)間。因此，開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用的研究與工程實(shí)踐，對(duì)于加強(qiáng)顯示器研制與生產(chǎn)過程的質(zhì)量與可靠性控制具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]溫熙森，陳循，張春華.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007：6-9.

[2]姚軍，曹心寬，姜同敏.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)定量評(píng)估方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（1）：117-120.

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[4]范志鋒，齊杏林，雷彬.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)及其在引信中的應(yīng)用 [J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2008，30（6）：8-11.

[5]馬杰.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)及方法研究 [D].北京：北京航空航天大學(xué)，2003：20-24.

The Application of Reliability Enhancement Test in Display

ZHU Jianshan，HUA Yiqiu，HUANG Qin
（Suzhou Changfeng Avionics Co.，Ltd.，Suzhou 215151，China）

Firstly，the main environmental factors inducing the failure mode of the display are analyzed，and the sensitive environmental stresses affecting the reliability of the display are determined.Next，taking a display as the research object，the corresponding reliability enhancement test scheme is made by designing test profile，and the practical application is worked out.And then，during the implementation of the test， the defects of the product are successfully stimulated to the faults which can be detected，and the weak link of product design are found effectively.Finally，by analyzing the failure mode and failure mechanism of the product，some effective improvement measures are put forward，and the robustness and reliability of the product are improved.

reliability enhancement test；failure mode；week link；display

TB 114.39；TB 24

：A

：1672-5468（2017）01-0018-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.01.004

2016-07-25

2016-08-02

朱建山 （1985-），男，河南開封人，蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司工程師，碩士研究生，主要從事質(zhì)量與可靠性方面的工作。