鄒祁峰 ， 張鈞天 ， 沈崢嶸 ， 秦杰

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 511370；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術重點實驗室， 廣東 廣州 511370；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術研究開發(fā)中心， 廣東 廣州 511370）

0 引言

隨著科技的進步和快速發(fā)展， 裝備的研制周期縮短、 更新?lián)Q代的速度越來越快。 隨著地面設備使用需求的大幅度提升， 大家越來越重視其可靠性水平。 面對可靠性指標越來越高的地面設備的可靠性驗證工作[1]， 如何對其可靠性水平快速評估， 將是一個新的亟需解決的難題。

傳統(tǒng)的可靠性鑒定試驗方法面臨著試驗樣本量少、 試驗周期長和費用較高等問題。 而可靠性加速試驗， 能夠明顯地降低試驗費用， 縮短試驗周期，較為快速地評價可靠性水平， 對裝備研制及鑒定工作提供了有力的支撐。

本文梳理了可靠性加速試驗開展的基本流程，通過對產(chǎn)品的故障物理分析， 研究了開展加速試驗的前提條件、 加速應力的確定方法和加速因子的計算模型， 給出了加速試驗條件的確定方法， 并結合案例應用， 形成了一整套試驗流程及方法。

1 可靠性加速試驗方案的基本流程

1.1 前提條件

可靠性加速試驗是基于疲勞累積損傷理論， 在不改變設備失效機理的前提下， 通過提高試驗應力水平來縮短相應的試驗時間。 也就是說， 設備在加速試驗環(huán)境條件下暴露出的故障， 其故障模式、 機理應與設備在實際的使用過程中出現(xiàn)的故障模式、 機理相一致。

當試驗應力水平超出產(chǎn)品的實際工作閾值時， 機理會發(fā)生相應的變化， 會使得故障機理出現(xiàn)偏移，以致在加速試驗中暴露的故障與設備在現(xiàn)場使用環(huán)境下出現(xiàn)的故障模式和故障機理不一樣， 試驗結果不可信， 達不到加速試驗的目的。 試驗應力不應無限地加大， 以保證產(chǎn)品能正常工作， 在試驗過程中完成相應的功能和性能檢測。 同時設備的復雜度、 成熟度、 生產(chǎn)和工藝水平波動等因素也需考慮。 由于復雜系統(tǒng)的故障模式及機理相對多樣， 當我們進行故障物理分析時， 難免也會不到位、 不全面， 與產(chǎn)品實際存在差異性。 人、 機、料、 法、 環(huán)等環(huán)節(jié)都不可避免地出現(xiàn)偏差。 因此，建議在經(jīng)費、 時間成本可行的情況下， 選取相對保守的加速應力水平開展試驗， 避免出現(xiàn)故障偏離及失效機理發(fā)生改變的情況， 以保證試驗的可信度。

產(chǎn)品是否具有可加速性， 以及產(chǎn)品失效機理不改變是關乎加速試驗成敗的重要條件。 可以通過以下幾種方式進一步地分析產(chǎn)品是否具有可加速性：

1） 通過相似產(chǎn)品以往的故障數(shù)據(jù)進行分析與推斷；

2） 通過FMECA 和FTA 等可靠性分析手段確定產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和敏感應力；

3） 通過開展可靠性仿真試驗進行對比分析；

4） 根據(jù)產(chǎn)品的特點設計預試驗方案， 并開展試驗進行分析。

1.2 基本流程

本文提出的可靠性加速試驗方法的基本流程如圖1 所示， 具體內(nèi)容如下所述。

圖1 加速試驗的一般流程

a） 根據(jù)GJB 899A 確定常規(guī)應力條件下的試驗剖面及試驗時間。

b） 通過相似產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)分析、 產(chǎn)品FMECA、 仿真分析和預試驗等方法分析產(chǎn)品的主要故障失效模式及機理， 確定加速應力類型。

c） 根據(jù)產(chǎn)品的使用特點分析或通過強化試驗方式， 在失效機理不變的基礎上， 確定加速應力的極限應力條件范圍。

d） 分析不同產(chǎn)品的敏感環(huán)境應力， 選取相應的失效物理加速試驗模型。

e） 根據(jù)不同應力類型下的加速試驗模型， 將常規(guī)應力試驗剖面轉化為等效的加速應力剖面， 并以此開展加速試驗。

f） 對故障數(shù)據(jù)進行分析， 對比故障失效模式及機理是否發(fā)生變化并對可靠性加速試驗結果進行評價。

2 常規(guī)可靠性試驗剖面的確定

地面設備傳統(tǒng)可靠性試驗剖面是依據(jù)GJB 899A—2009 中地面固定設備和地面移動設備的綜合試驗條件的相關要求[4]， 并結合其任務剖面、使用場景等進行制定。 本文以某地面綜合保障車的電源設備為例開展分析研究， 由于該設備安裝在組合輪式車輛為改進型產(chǎn)品， 通過設備的外場故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析， 該設備滿足開展可靠性加速試驗的前提條件。

可靠性試驗的綜合環(huán)境應力包含： 溫度、 濕度、 振動和電應力等。 每個試驗循環(huán)的持續(xù)時間為24 h， 以每24 h 模擬春夏秋冬4 種氣候條件， 1/2的試驗時間按常溫25 ℃， 1/4 的時間按冷天環(huán)境，1/4 的時間按熱天環(huán)境。

a） 溫度應力

由于電源設備技術協(xié)議書規(guī)定設備的工作溫度為-40~55 ℃， 貯存溫度為-50~70 ℃， 由此確定相應的冷浸溫度為-50 ℃， 冷天常態(tài)工作溫度為-40 ℃，熱浸為70 ℃， 熱天常態(tài)工作溫度為55 ℃。

b） 振動應力

試驗期間施加振動應力， 每24 h 模擬4 種氣候條件下車輛執(zhí)行任務， 該型車輛實際工作時， 每次執(zhí)行任務前行進100 km。 根據(jù)GJB 150.16A—2009 規(guī)定的組合輪式車輛每805 km 的公路運輸折合振動應力施加時間40 min， 計算得到試驗期間每24 h 施加20 min 振動應力， 分別在冷天、 熱天和常溫階段施加。 振動應力按照GJB 150.16A—2009 中組合輪式車振動譜C.3 施加， 振動方向為垂向方向。

c） 溫度應力和電應力

濕度應力和電應力依據(jù)GJB 899A—2009B.3.3中地面移動設備的要求執(zhí)行， 同時參考GJB 899A—2009 中圖B.3.3-2 地面移動設備的合成試驗剖面， 制定相應的試驗剖面。

3 可靠性加速試驗方法的設計

3.1 可靠性加速試驗剖面中的應力類型選取

通常電子設備的可靠性試驗剖面的應力類型主要包含溫度應力、 振動應力、 溫度循環(huán)、 濕度應力和電應力等。 等效后的可靠性加速試驗剖面包含的應力類型理論上應該和可靠性鑒定試驗剖面應力類型保持一致。 可靠性加速應力的種類是依據(jù)前期產(chǎn)品的可靠性分析結果確定， 通過產(chǎn)品可靠性分析確定出造成產(chǎn)品故障的敏感應力類型， 依此可選取加速應力類型。 電子產(chǎn)品出現(xiàn)的故障與溫度和振動的關系最為密切。 因此， 本文擬選取溫度應力和振動應力作為加速應力， 電應力和濕度應力不作為加速應力。 但試驗剖面不應刪除這兩種應力， 二者在可靠性加速試驗剖面中的施加時機和其他應力的匹配關系和鑒定試驗剖面中的情形盡量地保持一致。 如可靠性加速試驗剖面中， 依然在某一時間段內(nèi)高溫時間保持控濕， 電應力依據(jù)產(chǎn)品相關技術文件規(guī)定的幅度范圍變化。

3.2 加速模型的選取

可靠性加速試驗的加速水平通常用加速因子來表示。 加速因子的含義是指產(chǎn)品在預期使用應力條件下與高應力條件下的失效分布特征壽命（或可靠性水平） 的比值： 1） 對于有加速效果的試驗， 其加速因子大于1； 2） 通常加速因子指產(chǎn)品在使用應力下的時間與在高應力下的時間的比值[7]。 加速因子取決于受試產(chǎn)品的硬件參數(shù)（例如： 材料特性、 物理特性）、 使用應力條件、 加速試驗應力條件和相應的失效機理等。 下面分別對溫度應力和振動應力的加速因子的計算方法進行分析。

3.2.1 溫度應力加速等效計算方法

溫度等效方式由阿倫尼斯模型實現(xiàn)剖面各種溫度條件的時間比例轉化：

式（1） 中： T1——基準溫度， 單位為K；

T2—需要折算的溫度， 單位為K；

t1—折算為基準溫度后的持續(xù)時間；

t2—折算為基準溫度前的持續(xù)時間；

Ea—激活能， 以eV 為單位， 可根據(jù)IEC 61709、IEC 62380、 IPC 279、 GJB 299C 等標準、 元器件試驗值和相關文獻獲取， 其中， IEC 61709： 2011中給出了一般的集成電路的激活能在0.8~1.1 eV之間；

k—玻爾茲曼常數(shù)， 取值為8.617 1×10-5V/K。

溫度應力的加速因子由阿倫尼斯模型計算可得， 但是， 難點是目前已知很少部分元器件在某種失效模式下的激活能， 無法直接得到設備級的激活能； 并且加速因子對激活能的大小十分敏感， 人為估算設備級的激活能必須有足夠的科學依據(jù)和大量的先驗知識。 本模型不適用于產(chǎn)品在負溫條件下引起的破壞。3.2.2 振動應力加速等效計算方法。

通過設定的加速試驗中隨機振動量值和傳統(tǒng)剖面振動應力量值利用逆幕率模型得到振動加速因子。 其利用逆幕率模型（Hallberg 和Peck-模型）計算所得：

式（2） 中： W1——可靠性加速試驗剖面中的振動功率譜密度；

W2——傳統(tǒng)試驗剖面下的振動功率譜密度（加權值）；

m——振動應力加速率常數(shù)， 不同的失效類型對應不同的值， 一般介于4~6 之間。

可參考GJB 150.16A、 GJB 1032—1990、 IILSTD-2164 和FIDES 基于故障物理的可靠性預計手冊， 振動應力的加速因子計算方法如式（2） 所示。

采用加速振動試驗對試件結構在振動環(huán)境下的疲勞特性進行評估的基本必要條件是： 結構的破壞特性具有線性累積損傷特性不同量級的載荷， 使產(chǎn)品的增量損傷可以線性相加； 結構的薄弱部位在加速振動環(huán)境下具有與一般振動環(huán)境下相同的振動破壞機理[4]。 為保證可靠性加速試驗中振動應力激發(fā)故障的失效機理與傳統(tǒng)可靠性鑒定試驗中振動應力激發(fā)故障的失效機理一致， 可靠性加速試驗隨機振動譜型應與可靠性鑒定試驗中產(chǎn)品的隨機振動譜型保持一致。 另外， 可靠性加速試驗中隨機振動的量值可選定為鑒定試驗剖面中的最大量級或者功能/耐久性試驗的振動量級。

3.3 可靠性加速試驗條件的確定

3.3.1 溫度應力

可靠性加速試驗條件確定的一般原則為： 在分析確定受試產(chǎn)品的主要故障模式及機理不改變的情況下， 選取盡量高的加速應力， 從而縮短試驗周期， 提高試驗的費效比。 溫度應力量值應參考電子設備的強化試驗結果、 設計師的經(jīng)驗和鑒定試驗剖面中應力極限值， 以及產(chǎn)品規(guī)范中規(guī)定的工作溫度應力等因素來綜合地確定。

為保守起見， 本文中加速應力與規(guī)范中規(guī)定的溫度工作應力的要求一致， 對于0 ℃以下的環(huán)境應力部分， 其量值及保持時間與原剖面應力量值及持續(xù)時間保持一致， 以更好地驗證產(chǎn)品的低溫適應性。 保留熱浸、 冷浸和部分常溫控濕段， 將其余部分25 ℃常溫段的應力加速到55 ℃， 以縮短試驗時間。 溫度等效地采用阿倫尼斯模型， 按公式（1）的方式計算得到加速高溫工作應力溫度段。 本文采用保守的方式， 激活能按0.8 eV 進行計算， 得到加速試驗的時間， 最終得到該試驗方式下的加速因子為2.1。

3.3.2 振動應力

為保證可靠性加速試驗中振動應力激發(fā)故障的失效機理與傳統(tǒng)可靠性鑒定試驗中振動應力激發(fā)故障的失效機理一致， 可靠性加速試驗隨機振動譜型設定為可靠性鑒定試驗中產(chǎn)品的隨機振動譜型。 一般情況下可靠性加速試驗中隨機振動的量值可選定為鑒定試驗剖面中的最大量級或者耐久性試驗的振動量級。 對于確定不同振動環(huán)境的疲勞等價關系，工程上可參考GJB 150.16A—2009 附錄B 中疲勞關系的相關計算。 由于本試驗的地面輪式車輛的振動時間較短， 對振動應力的量值不進行加速， 振動應力相應地在試驗剖面冷天、 熱天和常溫階段施加。 通過以上分析、 計算， 以及將各種應力進行組合并將其在時序上進行匹配， 得到可用于地面設備的可靠性加速試驗剖面， 如圖2 所示。 通過此試驗剖面開展試驗， 設備無故障通過， 最終依據(jù)加速試驗結果對整個試驗開展評價， 并出具可靠性試驗評價報告。

圖2 地面設備可靠性加速試驗剖面示意圖

4 可靠性加速試驗方法的局限性

影響加速試驗可信度的因素主要是產(chǎn)品在兩種試驗方式下的失效機理是否一致。 通過在不同的應力條件下進行一系列的可靠性分析和折算， 若其失效機理發(fā)生變化， 加速因子也將相應地發(fā)生改變，加速試驗的方式將失去意義。

產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)通常會經(jīng)歷特定的組合或綜合應力， 試驗時應盡可能地模擬實際的使用狀態(tài)。主要包括環(huán)境應力和工作應力， 會以各自獨特的順序及組合施加。 在設計加速試驗時， 可能對試驗應力進行重新組合， 以致產(chǎn)品經(jīng)受的試驗應力可能是分散無序的， 從而降低試驗結果的可信性。

加速因子的確定非常復雜， 需要耗費很大的時間和成本。 在開展綜合應力試驗時， 很難分析出某單一應力引起的產(chǎn)品特定的失效， 所以存在著高估或低估加速因子的綜合影響的可能性， 以致驗證其可靠性指標的精度有限。

部分產(chǎn)品中存在大的熱質量塊， 當利用試驗得到的產(chǎn)品工作溫度上限， 確定可靠性加速試驗剖面溫度應力值時， 需要考慮產(chǎn)品在通電工作不同時長下， 內(nèi)部會有不同的溫變速率及溫升問題。 若溫度應力上限設置不當， 則會導致產(chǎn)品出現(xiàn)不應出現(xiàn)的故障模式及機理。

當加速試驗過程中出現(xiàn)故障時， 會遇到故障元器件很小且在試驗中破壞極嚴重的情況（燒毀或其物理性能遭到了極大的改變）， 通常無法分析出失效模式及機理， 從而影響試驗結果的有效性。

5 結束語

本文針對高可靠地面電子設備的可靠性指標的快速評估的需求， 基于疲勞累積損傷理論基礎， 分析了開展可靠性加速試驗的前提條件， 研究了加速模型的適用性， 形成了地面設備可靠性加速試驗方法， 解決了高可靠、 小樣本產(chǎn)品的可靠性試驗問題， 并給出了案例進行了驗證。 同時對可靠性加速試驗方法的局限性進行分析，對該方法的可信性， 試驗結果的有效性提出了一些見解， 對設備的試驗鑒定工作具有一定的參考意義， 但是， 考慮該可靠性加速試驗方法的局限性，建議在得到用戶認可情況下慎重地選擇使用。