某型軍用電子產(chǎn)品的可靠性強化試驗＊

潘新祥

（中國人民解放軍海軍駐連云港七一六所軍事代表室 連云港 222006）

1 引言

可靠性試驗技術(shù)從誕生至今可歸結(jié)為模擬試驗和激發(fā)試驗兩大類［1］。模擬試驗通過對產(chǎn)品進行使用環(huán)境模擬來檢驗或鑒定產(chǎn)品的可靠性程度，如我國的GJB899A、GJB1407等標準均是采用模擬試驗方法的標準，由于采用的是基于環(huán)境真實性模擬的試驗方法，因此存在試驗周期長、效率低、耗費大的缺點，此外，完全真實地模擬產(chǎn)品的使用環(huán)境往往存在諸多困難，以至于在實際工程中難以準確實現(xiàn)，導致試驗結(jié)果與產(chǎn)品的實際使用情況不符。為有效解決模擬試驗存在的問題，上世紀80年代后期，可靠性試驗技術(shù)領域形成了一項以環(huán)境應力篩選為代表的新分支，即激發(fā)試驗技術(shù)，它不以環(huán)境的真實性模擬為目標，而是通過強化環(huán)境來進行試驗，以提高試驗效率、降低消耗。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子設備復雜程度越來越高，更新?lián)Q代的步伐也越來越快，再加上高可靠性高壽命電子產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，主要針對生產(chǎn)工藝缺陷的這一類激發(fā)試驗技術(shù)已經(jīng)趕不上現(xiàn)代電子設備發(fā)展的步伐。20世紀80年代，美國G.K.Hobbs博士提出了高加速壽命試驗（Highly accelerated life test，HALT）和高加速應力篩選HASS（Highly Accelerated stress screen，HASS），前者用于產(chǎn)品的設計階段，目的是快速暴露產(chǎn)品的設計缺陷，以便及時改進設計，提高產(chǎn)品的固有可靠性；后者用于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，目的是快速暴露產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的各種制造缺陷，為用戶提供高可靠性的產(chǎn)品［1］。1994年，波音公司在此基礎上開發(fā)了用于實現(xiàn)高可靠性增長為目的的可靠性強化試驗。它通過人為施加遠遠超出產(chǎn)品設計規(guī)范所允許的極限應力快速有效地激發(fā)產(chǎn)品設計和制造缺陷，從而大幅度提高了試驗效率，具有試驗周期短、試驗效率高、耗費小、能夠快速暴露電子產(chǎn)品設計缺陷的特點。到目前為止，可靠性強化試驗在國際上已經(jīng)被普遍認同并執(zhí)行，且在保證產(chǎn)品現(xiàn)場使用可靠性方面獲得廣泛應用。

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，軍用電子產(chǎn)品由于其使用的特殊性和重要性，要求其具有很高的可靠性和環(huán)境適應性，而產(chǎn)品不可靠的設計往往造成故障頻繁，使后勤保障費用增加，更重要的是將大大降低裝備的戰(zhàn)斗力和出勤率，貽誤戰(zhàn)機或影響作戰(zhàn)任務的完成［2］?？煽啃詮娀囼灢捎脧娀瘧ぐl(fā)缺陷的方法，快速有效地暴露設計上的薄弱環(huán)節(jié)，改進設計缺陷，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。本文以我單位某型軍用電子產(chǎn)品為試驗對象，設計其RET試驗剖面，并對其進行試驗，尋找工作極限和產(chǎn)品的設計缺陷，從而為同類軍用電子產(chǎn)品的設計提供依據(jù)。

2 可靠性強化試驗（RET）概述

可靠性強化試驗（RET）是在克服傳統(tǒng)試驗方法試驗周期長、效率低、耗費大等缺點的基礎上發(fā)展起來的一種全新的可靠性試驗技術(shù)。其理論依據(jù)是故障物理學，把故障或失效當作研究的主要對象，通過施加的強化應力環(huán)境進行試驗，快速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷使其以故障形式表現(xiàn)出來，通過故障模式分析、故障機理分析和改進措施消除缺陷提高產(chǎn)品的可靠性［1］。可靠性強化試驗并不強調(diào)試驗環(huán)境的真實性，而是在保證失效機理不變的情況下，強調(diào)試驗的激發(fā)效率，實現(xiàn)研制過程中可靠性水平的快速增長，因此，確定產(chǎn)品的工作極限和破壞極限是RET的主要目的之一，同時，準確的極限應力確定也為之后進行的高加速應力篩選（HASS）試驗和環(huán)境鑒定試驗提供了依據(jù)。

從上世紀90年代開始，美國等西方發(fā)達國家相繼在航空航天、國防、軍事工業(yè)等領域推廣應用RET技術(shù)，并呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢，取得了較好的經(jīng)濟效益和政治效益［3］。對國內(nèi)來說，RET仍然是一門新興技術(shù)，由于管理體制、設計思想、試驗觀念、試驗理論和方法等因素的制約［2～4，7］，我國的可靠性強化試驗技術(shù)尚處于起步階段，目前還沒有統(tǒng)一的試驗標準或指南，工程應用主要根據(jù)經(jīng)驗施加振動和溫度應力剖面。

3 RET試驗實際應用

以某軍用電子產(chǎn)品為試驗對象，根據(jù)委托方要求，設計合理的試驗剖面以充分暴露設計缺陷，并尋找產(chǎn)品的極限應力。由于委托方只需找出該產(chǎn)品的工作極限（包括工作溫度極限和工作振動極限），從而為設計該產(chǎn)品提供有效依據(jù)，因此當確定工作極限后即停止試驗，不再尋找其破壞極限。

3.1 試驗條件

試驗設備采用美國環(huán)測公司：Starr44Plus－X型高加速應力篩選試驗系統(tǒng)，其中振動臺為多軸向氣動振動臺。某型軍用電子產(chǎn)品通過夾具被固定在振動臺上，如圖1所示。

圖1 可靠性強化試驗實物圖

RET試驗項目包括溫度步進應力、快速溫度變換、6自由度隨機振動、溫度與振動步進應力的綜合及試驗的結(jié)尾等。為了從被試產(chǎn)品中獲得盡可能多的信息或數(shù)據(jù)，RET試驗的應力施加過程是從施加破壞性最小的應力開始，逐步加大到最能產(chǎn)生破壞的應力，因此本試驗的應力選擇順序為：降溫步進、高溫步進、快速溫變、振動步進、綜合應力。

3.2 試驗剖面設計及試驗實施

目前RET試驗剖面的設計還沒有明確的標準可供參考，一般都遵循工程師Chris Scholten提出的方法：一個典型的RET剖面開始于5℃～10℃步長的冷步進應力試驗，然后是同樣步長的熱步進應力試驗，接著是快速溫度變換試驗，然后是振動步進應力試驗，最后是溫度和振動的綜合試驗［5］。

工作極限確定方法：在每一個步進溫度點對產(chǎn)品進行檢測，觀察在當前溫度條件下受試產(chǎn)品的工作情況，若產(chǎn)品工作正常則溫度步進至下一溫度點，繼續(xù)進行檢測；若受試產(chǎn)品工作不正常，則停止試驗并恢復到上一個溫度點進行測試；如工作正常，則該溫度點即為高溫工作極限；若工作不正常，繼續(xù)恢復上一個溫度點，進行測試，如果應力到達正常狀態(tài)時產(chǎn)品都無法恢復功能，那么說明發(fā)生故障處的應力為破壞極限。

根據(jù)委托方提出的要求，設計可靠性強化試驗剖面，并對其產(chǎn)品進行試驗，尋找產(chǎn)品的工作極限，具體過程如下：

1）降溫步進應力試驗

降溫步進應力試驗的目的是為了尋找與確定產(chǎn)品的低溫工作極限，為進行快速溫度提供低溫截至溫度，起始溫度（－20℃），步進量在溫度高于給定的產(chǎn)品設計工作極限溫度時取5℃／步；當溫度小于等于給定的設計工作極限溫度時取2℃／步，變溫率60℃／min，保溫時間為產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定時間加測試時間。降溫的極限溫度以試驗樣品出現(xiàn)可恢復故障的溫度為準。在每步階溫度穩(wěn)定情況下對該電子產(chǎn)品的功能進行測試。試驗安裝及實測剖面如圖2所示。本試驗中，當溫度下降到－48℃時，樣機出現(xiàn)故障，當溫度上升2℃并穩(wěn)定后，再進行功能測試，樣機正常工作，表明該產(chǎn)品的工作溫度下限為－48℃。

圖2 降溫步進應力試驗安裝及實測剖面圖

2）高溫步進應力試驗

高溫步進應力試驗的目的是為了尋找與確定產(chǎn)品的高溫工作極限，為進行快速溫度提供高溫截至溫度，起始溫度（60℃），步進量在溫度低于給定的產(chǎn)品設計工作極限溫度時取5℃／步；當溫度高于等于給定的設計工作極限溫度時取2℃／步，變溫率60℃／min，保溫時間為產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定時間加測試時間，高溫的極限溫度以試驗樣品出現(xiàn)可恢復故障的溫度為準，在每步階溫度穩(wěn)定情況下對該電子產(chǎn)品的功能進行測試。試驗實測剖面如圖3所示。本試驗中，當溫度升到92℃時，樣機出現(xiàn)故障，當溫度下降2℃并穩(wěn)定后，再進行功能測試，樣機正常工作，表明該產(chǎn)品的工作溫度上限為92℃。

圖3 高溫步進應力實測剖面圖

3）快速溫變應力試驗

快速溫度變化應力試驗的溫度變化范圍在上述溫度試驗結(jié)果得到的工作溫度極限的基礎上去10℃的余量，溫度變化率采用40℃／min、50℃／min、60℃／min三個試驗過程，每個溫變率循環(huán)次數(shù)3次，在試驗過程中對該電子產(chǎn)品的功能進行測試，試驗實測剖面如圖4所示。試驗中，故障監(jiān)測結(jié)果顯示，整個試驗過程中，產(chǎn)品未出現(xiàn)故障。

圖4 快速溫度變化應力實測剖面圖

4）振動步進應力試驗

振動試驗采用10Hz～12KHz的3軸6自由度寬帶隨機振動，振動量級同樣采用步進的方式，初始量級為5G，每步長5G，每個量級保持時間為10min（含測試時間），在每步階持續(xù)振動的條件下對該電子產(chǎn)品的功能進行測試，試驗過程中，當振動應力上升到30Grms時，故障監(jiān)測系統(tǒng)顯示樣機出現(xiàn)故障，此時將振動應力下降5Grms再進行功能測試，樣機功能恢復正常，表明該產(chǎn)品的工作振動極限為30Grms。試驗實測剖面如圖5所示。

圖5 振動步進應力實測剖面圖

5）綜合應力試驗

產(chǎn)品如果沒有遇到破壞性失效則進行五次綜合環(huán)境循環(huán)。綜合環(huán)境試驗的溫度剖面是在溫度工作極限之間（即高低溫工作極限值－10℃）的循環(huán)，溫變速率采用40℃／min、50℃／min和60℃／min共3種溫度變化速率進行，每種溫度變化速率各進行5個循環(huán)。即前5個循環(huán)為40℃／min溫度變化速率，其后5個循環(huán)為50℃／min溫度變化速率，最后5個循環(huán)為60℃／min溫度變化速率。每個溫度極限上的保持時間以預試驗時確定的保溫時間為準。

所要求的至少五次綜合環(huán)境循環(huán)的初始振動量級由振動步進應力試驗施加的最大振動量級除以5得出，每個量級的振動時間分別對應每種溫變速率一個溫度循環(huán)的時間。在接下來的溫度循環(huán)中，振動量級以相同量值增長。比如，若樣品在振動步進應力為50Grms的振動量級開始，在40℃／min溫變速率的溫度循環(huán)中每次增加10Grms，即第一循環(huán)：10Grms、第二循環(huán)：20Grms、第三循環(huán)：30Grms、第四循環(huán)：40Grms、第五循環(huán)：50Grms。如果振動步進應力試驗沒有達到受試產(chǎn)品的振動工作極限，則將得到的最大振動量級除以5，振動的初始量級和量級增量的確定方法同前。

圖6 綜合應力試驗實測剖面圖

同理快速溫變應力試驗，綜合應力試驗也只需要驗證產(chǎn)品在已經(jīng)設定的試驗條件下的工作情況。故障監(jiān)測結(jié)果顯示，整個試驗過程中，產(chǎn)品沒有出現(xiàn)故障。

6）試驗的結(jié)尾

在下述情況出現(xiàn)時試驗結(jié)束：

（1）可靠性強化試驗采用應力量級步進的方式，隨著以更高的應力量級進行試驗時，引入新的失效機理，開始出現(xiàn)不相關(guān)失效時應停止試驗；

（2）應力量級已經(jīng)達到或遠遠超過驗證產(chǎn)品時所要求的應力水平時，停止試驗并對試驗結(jié)果進行評審；

（3）全部組件或是大多數(shù)組件失效時，停止試驗并重新審核試驗方案與產(chǎn)品的設計方案。

3.3 試驗結(jié)論

對某軍用電子產(chǎn)品在進行了低溫步進、高溫步進、快速溫變、振動步進、綜合應力試驗，試驗結(jié)論如下：

1）工作溫度上限（UOL）：92℃；

2）工作溫度下限（LOL）：－48℃；

3）工作振動極限（VOL）：30Grms；

4）產(chǎn)品經(jīng)過快速溫變應力試驗后，未出現(xiàn)故障，能正常工作；

5）該產(chǎn)品經(jīng)過綜合應力試驗后，未出現(xiàn)故障，能常工作。試驗后的結(jié)果分析表明，已經(jīng)出現(xiàn)的故障均為環(huán)境應力到達工作極限引起的，應力消除后產(chǎn)品均能恢復正常工作，快速溫變應力試驗和綜合應力試驗過程中未出現(xiàn)因設計缺陷引起的產(chǎn)品故障。本次試驗滿足委托方提出的要求，達到預期的試驗目的。

4 結(jié)語

可靠性強化試驗主要針對產(chǎn)品設計，通過試驗不僅能確定產(chǎn)品的極限應力，而且能夠快速地找出設計缺陷并加以改進，從而進一步提高產(chǎn)品的工作和破壞極限，同時大大縮短了試驗時間與研制周期，其在提高產(chǎn)品環(huán)境適應性和可靠性方面具有明顯優(yōu)勢。本文以軍用電子產(chǎn)品的可靠性強化試驗（RET）為研究對象，對RET試驗的定義、特性、目的、優(yōu)點及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀等進行了介紹，并以某軍用電子產(chǎn)品的可靠性強化試驗為例，重點闡述了其試驗剖面的設計以及尋找工作極限的方法，最后通過試驗確定了該產(chǎn)品工作溫度上限、下限以及工作振動極限。此次試驗確定的工作極限為生產(chǎn)廠家設計該產(chǎn)品提供了數(shù)據(jù)基礎，并為制定高加速應力篩選（HASS）方案、確定應力量級提供了依據(jù)。

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［6］羅勇，夏丹，徐丹.基于可靠性評估的維修診斷輔助決策系統(tǒng)研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2011（11）.

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