電子產(chǎn)品壽命評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)的研究

陳華平，李輝，張穎，鹿文軍，溫志英

（深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣東 深圳 510600）

0 引言

近年來(lái)，歐盟、美國(guó)、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)大量電子電氣產(chǎn)品安全、能耗、環(huán)保等方面的法規(guī)、條例和標(biāo)準(zhǔn)等，使得中國(guó)出口電子電氣產(chǎn)品的門(mén)檻越來(lái)越高。其中，日本 “長(zhǎng)期使用產(chǎn)品安全檢修制度”和 “長(zhǎng)期使用產(chǎn)品安全標(biāo)示制度”中的核心要求是企業(yè)要設(shè)計(jì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)使用期限并且要提供設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使用期限推算依據(jù)的書(shū)面資料。

據(jù)統(tǒng)計(jì)的海關(guān)資料顯示，這兩項(xiàng)制度將影響我國(guó)每年約6億美元的產(chǎn)品。更為重要的是，隨著制度的實(shí)施，日本很有可能擴(kuò)大 “長(zhǎng)期使用產(chǎn)品安全檢修制度”和 “長(zhǎng)期使用產(chǎn)品安全標(biāo)示制度”的管制產(chǎn)品范圍。同時(shí)，歐盟等其它國(guó)家有可能更新它們的技術(shù)指標(biāo)，要求中國(guó)產(chǎn)品在技術(shù)上向日本產(chǎn)品看齊，甚至于歐盟等國(guó)也出臺(tái)類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)將對(duì)我國(guó)電氣產(chǎn)品出口企業(yè)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

對(duì)日本該技術(shù)性貿(mào)易壁壘中要求的電子電氣產(chǎn)品安全使用期限評(píng)估和檢測(cè)技術(shù)的研究十分關(guān)鍵，非常迫切，對(duì)我國(guó)電子電氣產(chǎn)品的出口意義重大。而應(yīng)對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)制度的主要措施就是對(duì)產(chǎn)品的壽命進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試，目前，壽命評(píng)估主要是在對(duì)關(guān)鍵零部件及整機(jī)測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)試，一般都是根據(jù)目標(biāo)銷(xiāo)售國(guó)家及地區(qū)的環(huán)境條件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，耗費(fèi)的時(shí)間成本比較多，測(cè)試的產(chǎn)品數(shù)量也比較多。在當(dāng)前產(chǎn)品更新?lián)Q代快速的形勢(shì)下，這種測(cè)試給企業(yè)帶來(lái)了極大的障礙。

1 壽命評(píng)估

1.1 數(shù)學(xué)模型

在討論產(chǎn)品壽命時(shí)，通常指的是產(chǎn)品失效發(fā)生前的操作或工作時(shí)間t，通常采用f（t）來(lái)表示失效機(jī)率密度函數(shù)，或稱(chēng)之為失效機(jī)率密度函數(shù)。該函數(shù)表明的物理意義為單位時(shí)間的失效機(jī)率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

一般而言，物品的失效率函數(shù)為時(shí)間的函數(shù)，除少數(shù)的應(yīng)用情形外，大部分物品的失效率隨時(shí)間的變化幾乎呈現(xiàn)一浴缸曲線的性質(zhì)，如圖1所示。

圖1中產(chǎn)品壽命由3段組成，第1段為早期失效期，失效率隨時(shí)間逐漸遞減，這是因?yàn)槲锲酚捎谠O(shè)計(jì)、組裝等潛在的不合格因素，設(shè)備在早期就逐漸發(fā)生失效的行為；第2段為偶然失效期，占據(jù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)失效率大致不變，失效也往往是偶然發(fā)生的；第3段為磨損失效期，由于長(zhǎng)時(shí)間的使用后，物品的失效率隨著時(shí)間的變化而增加。由于這3段時(shí)間所組合的失效函數(shù)的形狀很像浴缸，因而被稱(chēng)之為浴缸曲線。

由于壽命評(píng)估主要討論的是物品的失效時(shí)間這個(gè)隨機(jī)變數(shù)T，用R（t）來(lái)表示物品不失效的時(shí)間特性：

式（2）中：R（t）——失效時(shí)間大于t的機(jī)率，稱(chēng)為可靠度函數(shù)。

產(chǎn)品的壽命不盡相同，很難對(duì)某一個(gè)產(chǎn)品的壽命進(jìn)行精確的預(yù)計(jì)，只能對(duì)該型號(hào)，或該類(lèi)產(chǎn)品的壽命進(jìn)行大致的評(píng)估。產(chǎn)品的壽命一般用可靠壽命、平均任務(wù)時(shí)間、平均壽命或中位壽命表示。

1.2 產(chǎn)品的壽命

a）可靠壽命

可靠壽命是給定的可靠度值時(shí)所對(duì)應(yīng)的壽命時(shí)間，一般而言，可靠度為隨著工作時(shí)間t的增加而下降的函數(shù)，因此對(duì)不同的給定R值，則有不同的壽命：

可靠壽命的觀測(cè)值是能完成規(guī)定功能的產(chǎn)品的比例，恰好等于給定可靠度時(shí)所對(duì)應(yīng)的壽命時(shí)間。

b）中位壽命

當(dāng)指定產(chǎn)品的可靠度R=0.5時(shí)，此時(shí)的壽命被稱(chēng)為中位壽命。

c）平均壽命

產(chǎn)品無(wú)失效時(shí)間的平均值，被稱(chēng)為平均壽命或平均失效時(shí)間。對(duì)于可維修物品而言，平均壽命為平均失效間隔時(shí)間（MTBF）；對(duì)于不可維修物品而言，則為平均失效發(fā)生時(shí)間（MTTF）。平均壽命的定義為：

d）平均任務(wù)壽命

對(duì)于一些有固定任務(wù)或預(yù)先設(shè)定壽命（tD）的系統(tǒng)而言，則以平均任務(wù)時(shí)間表示其特征壽命，平均任務(wù)時(shí)間的定義為：

2 檢測(cè)方法

2.1 常規(guī)的壽命測(cè)試方法

壽命評(píng)估以后，需要對(duì)產(chǎn)品的壽命進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證，即壽命檢測(cè)。但是我們注意到，不同地區(qū)，甚至同一地區(qū)的產(chǎn)品的壽命也不一定相同，這是因?yàn)楫a(chǎn)品的壽命受使用的環(huán)境、時(shí)長(zhǎng)和頻率等因素的影響，因此在壽命評(píng)估的時(shí)候，也要考慮這些因素。

現(xiàn)有的壽命檢測(cè)方法已經(jīng)比較成熟，有著相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可以依照。一般的壽命檢測(cè)都是采用抽取一定量的樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試流程為：1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及使用環(huán)境，設(shè)定實(shí)驗(yàn)的環(huán)境；2）根據(jù)產(chǎn)品準(zhǔn)備使用的頻率及時(shí)長(zhǎng)，電壓的波動(dòng)來(lái)設(shè)定具體的參數(shù)；3）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，記錄每一短時(shí)間內(nèi)的失效產(chǎn)品數(shù)目；4）根據(jù)產(chǎn)品的失效函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證。

在實(shí)際的工作中，壽命測(cè)試需要花費(fèi)大量的時(shí)間成本及經(jīng)濟(jì)成本，給企業(yè)帶來(lái)了極大的負(fù)擔(dān)，因此提出了加速壽命檢測(cè)方法。

2.2 加速檢測(cè)

根據(jù)退化理論，退化模型一般為：

這也是物理加速模型的最原始、最基本的型式。 是退化量的特征值，f（）是與退化量相關(guān)的物質(zhì)狀態(tài)的函數(shù)，K為退化速度。常用的物理加速模型有如下幾種：

a）Arrhenius模型

產(chǎn)品失效從根本上講都是基本的物理/化學(xué)過(guò)程，而溫度對(duì)于許多物理/化學(xué)過(guò)程來(lái)講是一個(gè)重要因素，因此溫度常常在加速試驗(yàn)中作為一個(gè)重要的加速應(yīng)力。

式（7）中：η——特征壽命；

A——常數(shù)，與產(chǎn)品和試驗(yàn)方法有關(guān)；

E——激活能，與材料有關(guān)；

k——波爾茲曼常數(shù)；

T——絕對(duì)穩(wěn)定。該模型廣泛地應(yīng)用于溫度作為應(yīng)力的加速壽命試驗(yàn)中。

b）逆冪率模型

在加速試驗(yàn)中，除了溫度應(yīng)力外，還有機(jī)械應(yīng)力和電應(yīng)力。

式（8）中：η——特征壽命；

A——常數(shù)；

n——一個(gè)與激活能相關(guān)的正常數(shù)；

S——應(yīng)力水平。

逆冪率模型使用于如機(jī)械疲勞、機(jī)械磨損和電壓擊穿、絕緣擊穿等失效機(jī)理場(chǎng)合，表征產(chǎn)品壽命退化特征的逆冪率模型在機(jī)械產(chǎn)品和電工產(chǎn)品的加速試驗(yàn)中應(yīng)用廣泛。

c）艾林（Eying）模型

式（9）中：η——特征壽命；

A、B——常數(shù)；

k——波爾茲曼常數(shù)。

艾林模型和Arrhenius模型相似，只是前面的系數(shù)略有不同而已，兩者可以通用，都可以擬合高應(yīng)力和低應(yīng)力產(chǎn)品壽命之間的關(guān)系。

d）廣義艾林（Eying）模型

對(duì)于除溫度以外還包含其它應(yīng)力S的普通情況，反應(yīng)速度與應(yīng)力的關(guān)系可以用廣義Eying模型描述

式（10）中：η——特征壽命；

A、B、n——待定常數(shù)；

k——波爾茲曼常數(shù)；

S——溫度以外的其它應(yīng)力。

廣義艾琳模型針對(duì)溫度和其它應(yīng)力共同作用于產(chǎn)品下的加速模型。從模型的表達(dá)式來(lái)看，廣義艾琳模型是艾林模型和逆冪率模型的疊加組合，如果是溫度和電力應(yīng)力兩者共同作用，則廣義艾琳模型比較合適。

加速壽命測(cè)試通過(guò)強(qiáng)化某一應(yīng)力或幾個(gè)應(yīng)力對(duì)設(shè)備的沖擊，以模擬設(shè)備在嚴(yán)酷環(huán)境下的運(yùn)行情況，加速設(shè)備退化的時(shí)間，進(jìn)而縮短壽命測(cè)試的時(shí)間。

3 預(yù)測(cè)方法

壽命測(cè)試需要長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)時(shí)間和大量的樣品，對(duì)制造商是一筆不菲的開(kāi)支，特別是在當(dāng)前電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快的時(shí)代，時(shí)間成本對(duì)制造商來(lái)說(shuō)是極為寶貴的，因此，及時(shí)地預(yù)測(cè)后續(xù)的試驗(yàn)過(guò)程就尤為重要了。目前，已經(jīng)有許多針對(duì)壽命試驗(yàn)的預(yù)測(cè)研究。

3.1 基于灰色理論的預(yù)測(cè)方法

灰色理論的GM（1，1）模型，有全數(shù)據(jù)模型、新信息模型和新陳代謝模型，而新陳代謝模型的模擬精度最好，它通過(guò)現(xiàn)有數(shù)據(jù)系列基礎(chǔ)上的GM（1，1）模型，對(duì)下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在得到預(yù)測(cè)值后將其加入數(shù)據(jù)系列，同時(shí)去掉原建模序列的第一個(gè)數(shù)據(jù)，用同樣長(zhǎng)的新序列進(jìn)行再建模，如此循環(huán)。在李競(jìng)[2]的研究中采用正弦處理建模序列，對(duì)背景值進(jìn)行近似構(gòu)造，最終建立相應(yīng)的新陳代謝模型，得到了更高的預(yù)測(cè)精度。

3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)方法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有外推性、記憶性和對(duì)非線性函數(shù)的逼近能力，可以通過(guò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練去逼近可靠性預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)更多的可靠性數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)可靠性的統(tǒng)計(jì)分析。如果電子設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)樣本少，也無(wú)法確定它的壽命分布，則可采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)擴(kuò)大可靠性數(shù)據(jù)的樣本量，然后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。有效地預(yù)測(cè)壽命測(cè)試的后續(xù)過(guò)程能極大地減少測(cè)試時(shí)間及樣品，可以幫助制造商減少測(cè)試成本，占得市場(chǎng)先機(jī)，這也是目前研究的熱點(diǎn)之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從設(shè)備壽命的數(shù)學(xué)模型、加速測(cè)試的方法及預(yù)測(cè)方法對(duì)壽命評(píng)估的影響等方面進(jìn)行了初步的研究。設(shè)備壽命是可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，經(jīng)典的壽命評(píng)估方法主要是以大樣本試驗(yàn)的方法進(jìn)行，通過(guò)加速壽命試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)可靠性模型及得到的數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試的后續(xù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，及時(shí)地停止試驗(yàn)，可以有效地降低測(cè)試成本。

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