基于特種計算機(jī)的高加速應(yīng)力可靠性評估方法

王雷，劉志永

（1.研祥智能科技股份有限公司，廣東 深圳，518057；2.國家特種計算機(jī)工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳，518057）

基于特種計算機(jī)的高加速應(yīng)力可靠性評估方法

王雷1，2，劉志永1，2

（1.研祥智能科技股份有限公司，廣東 深圳，518057；2.國家特種計算機(jī)工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳，518057）

本文介紹了一種針對地鐵、高鐵、普鐵、城鐵應(yīng)用時，作為車載服務(wù)器向車廂內(nèi)部解碼器傳送多媒體視頻流或作為視頻記錄服務(wù)器的信息處理系統(tǒng)的高應(yīng)力快速評估方法，由于其系統(tǒng)工作在地上和地下，其中的環(huán)境應(yīng)力變化較大，溫度、振動等應(yīng)力隨機(jī)性施加，環(huán)境惡劣；而普通的Burning測試由于施加應(yīng)力等級較低，耗時較長，已經(jīng)很難滿足快速有效的激發(fā)早期失效和潛在性缺陷的目的，而高加速應(yīng)力試驗具有快速高效的缺陷激發(fā)能力，可以實現(xiàn)有效的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計問題的目的。

高加速應(yīng)力試驗；快速評估；缺陷激發(fā)；潛在性問題；復(fù)雜環(huán)境

0 引言

地鐵高鐵領(lǐng)域因其設(shè)備工作環(huán)境的復(fù)雜性，需要保證系統(tǒng)中運(yùn)行的電子設(shè)備要具備抗惡劣環(huán)境工作的性能，要能夠抵御溫度、振動、濕度等多種應(yīng)力的沖擊。隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，地鐵等軌道交通建設(shè)的推進(jìn)，對鐵路信息系統(tǒng)的需求不斷增加，對系統(tǒng)的連續(xù)工作可靠性要求也越來越高，以滿足高鐵地鐵領(lǐng)域設(shè)備在惡劣環(huán)境下工作的要求［1-3］。高加速應(yīng)力試驗是美國軍方在二戰(zhàn)時為提高坦克和裝甲車及飛機(jī)的可靠性而提出的，目前此試驗由美國霍博思博士等技術(shù)專家進(jìn)行不斷的研究和規(guī)范化，已經(jīng)有了較成熟的應(yīng)力施加方法和試驗設(shè)備，規(guī)定了溫度和振動應(yīng)力施加的順序和應(yīng)力變化率等，以其篩選能力強(qiáng)，速度快，快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷著稱［4］。

1 現(xiàn)有技術(shù)和困難

普通的高低溫試驗，高低溫交變試驗，高低溫循環(huán)試驗僅能起到模擬實際環(huán)境的PASS/Fail試驗，即使測試時產(chǎn)品留有一定的Margin，但由于一般的溫變速率在5℃以內(nèi)，很難快速激發(fā)出產(chǎn)品的潛在性缺陷。如霍博思博士就強(qiáng)化應(yīng)力對金屬試件的疲勞壽命的影響效果進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力提高一倍，疲勞壽命降低為原來的1/1000，這個時候如果針對產(chǎn)品上的缺陷部件，故障點(diǎn)處的應(yīng)力可提高2-3倍，在如此高應(yīng)力情況下，缺陷即可快速的暴露出來，相對于普通的應(yīng)力模擬實驗，缺陷的激發(fā)時間會大大縮短［5］，由于所有應(yīng)力試驗都會縮短產(chǎn)品壽命，高加速應(yīng)力試驗縮短了應(yīng)力施加時間，所以對產(chǎn)品破壞性較小，由于其對產(chǎn)品失效率浴盆曲線的前端缺陷做到了較好激發(fā)，從而降低了產(chǎn)品失效率，提高了可靠性，而通過高加速應(yīng)力篩選后的產(chǎn)品是可以直接出貨的。美國霍博思博士也研究出，在加速和強(qiáng)化應(yīng)力情況下激發(fā)出產(chǎn)品缺陷的有效性和激發(fā)出產(chǎn)品的缺陷與正常使用環(huán)境下所暴露出的產(chǎn)品故障問題具有較高的一致性。

目前已經(jīng)有了MIL-HDBK-217、GJB299、SR332等標(biāo)準(zhǔn)，可以覆蓋一般的電力電子和通信電路的電子元件及常用模塊電路，提供產(chǎn)品預(yù)計可靠性評估參考，為在項目雛形及方案階段和設(shè)計階段的DFR提供了有力評估標(biāo)準(zhǔn)，而當(dāng)評估結(jié)果不滿足可靠性要求，產(chǎn)品需要進(jìn)行可靠性增長時，借助普通的試驗手段或者客戶驗收試驗的反饋情況進(jìn)行改善，是很難滿足客戶的可靠性要求的；而高加速應(yīng)力試驗作為很好的可靠性增長方法，可以在短期內(nèi)快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷，從而快速高效的提高產(chǎn)品可靠性的目的。

2 鐵路信息系統(tǒng)的高加速應(yīng)力試驗

針對鐵路信息處理系統(tǒng)，由于其應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜惡劣，溫度、振動、濕度等應(yīng)力隨機(jī)性變化施加，根據(jù)目前各種應(yīng)力對電子產(chǎn)品的缺陷激發(fā)嚴(yán)酷度，我們設(shè)計了以下的高加速應(yīng)力試驗剖面，從而達(dá)到快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷，對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行確認(rèn)的目的。

高加速應(yīng)力試驗應(yīng)力施加采取低溫步進(jìn)，高溫步進(jìn)，高低溫瞬變，振動步進(jìn)，溫度振動綜合應(yīng)力試驗四個階段，過程中每個Duell Time （Dwell time）進(jìn)行電壓10%的拉偏測試，以及負(fù)載的輕重載變化等，同時進(jìn)行各項功能的驗證和參數(shù)指標(biāo)測試。

2.1 高加速應(yīng)力試驗準(zhǔn)備

高加速應(yīng)力試驗開展的是否成功與試驗時待測品的擺放，傳感器的布置，安裝夾具的制作和固定，以及內(nèi)部走線的方向等等都有關(guān)系，所以現(xiàn)在很多試驗開展效果都大打折扣，其實是試驗方法不夠細(xì)化導(dǎo)致缺陷沒有得到有效的應(yīng)力激發(fā)，問題仍然隱藏在表面的試驗過程中，所以開展實驗的關(guān)鍵點(diǎn)在于前期的試驗方案，工裝夾具準(zhǔn)備，試驗數(shù)據(jù)記錄表格繪制，試驗備件及關(guān)鍵物料準(zhǔn)備，以及試驗過程中樣品失效的預(yù)案等等。由于高加速應(yīng)力試驗成本較高，試驗一般會連續(xù)進(jìn)行，以保證應(yīng)力施加的連續(xù)性，而前期準(zhǔn)備的不充分可能隨時導(dǎo)致試驗終止或者一些關(guān)鍵的缺陷數(shù)據(jù)沒有得到記錄，待測品得不到及時修復(fù)，試驗臨時中斷。

2.1．1 固定工裝準(zhǔn)備

試驗過程中應(yīng)力的有效傳遞，對試驗中產(chǎn)品缺陷的激發(fā)很關(guān)鍵。為了保證溫度和振動應(yīng)力能夠有效傳遞到待測品的元件上，必須做前期的應(yīng)力傳遞驗證。

通過驗證我們發(fā)現(xiàn)，如圖3和圖1所示，拿開整機(jī)Case，直接通過4個導(dǎo)風(fēng)管給主板施加氣化后的液氮進(jìn)行降溫，主板元件可以達(dá)到40℃/min的溫度變化率，可以滿足測試需求；但這個時候振動應(yīng)力的傳遞到PCB上面測試點(diǎn)的衰減很大，并且由于測試點(diǎn)與主板固定點(diǎn)的距離差異，衰減差異較大，與固定點(diǎn)最遠(yuǎn)的地方甚至衰減到30%左右，已經(jīng)無法達(dá)到振動應(yīng)力的有效傳遞。

為了提高應(yīng)力傳遞效率，降低在傳遞過程中的衰減，我們試圖通過普通的鋁合金壓條來固定，效果不是很好，用壓塊似乎也很難達(dá)到理想效果，最后經(jīng)決定制作一套主板固定夾具，以期達(dá)到應(yīng)力的有效傳遞。新夾具設(shè)計必須考慮到對三個軸向隨機(jī)應(yīng)力的有效傳遞，需要參考原廠提供的壓塊和壓條來設(shè)計，材質(zhì)與臺面接近或一致，另外，也需要考慮到主板各固定點(diǎn)的固定孔布置，板材不宜太過厚重，避免對Y軸向力和撓曲力的過度衰減。如圖2和圖4所示，通過新制作的夾具對主板固定后的測試效果比較好，能量衰減教小，最差也達(dá)到了65%以上的能量傳遞效率，可以開始試驗。

圖1 整機(jī)直接固定主板能量分布圖Fig.1 Energy distribution diagram of the whole machine directly fixed on the main board

圖2 工裝固定主板能量分布圖Fig.2 Energy distribution of fixed main board

圖3 整機(jī)測試點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of the test points of the whole machine

圖4 工裝固定圖片F(xiàn)ig.4 Installed fixed picture

2.1．2 車載信息系統(tǒng)測試假設(shè)

如圖5所示，此車載信息處理系統(tǒng)不僅包括普通的音頻視頻傳輸，還有多網(wǎng)口、多串口傳輸功能，都需要進(jìn)行功能測試，以及鍵盤、鼠標(biāo)等功能，但這些外設(shè)只能通過連接線放置在試驗箱外面，并且控制開關(guān)和按鈕等也需要用信號引出到試驗箱外面。另外，如圖6和圖7 所示，內(nèi)部需固定好溫度和振動應(yīng)力測試點(diǎn)，外部連接好檢測設(shè)備和系統(tǒng)外設(shè)，便于試驗過程中對應(yīng)力的監(jiān)控。

2.2 高加速應(yīng)力試驗

通過低溫、高溫和振動的步進(jìn)試驗，高低溫的瞬變試驗，以及振動溫度復(fù)合試驗五個階段性試驗，產(chǎn)品的缺陷基本會被激發(fā)出來。當(dāng)然，這個過程中與施加的應(yīng)力大小，以及應(yīng)力施加的順序也有關(guān)系，這些都需要在具體實驗中進(jìn)行總結(jié)和歸納。另外，不同的元件和產(chǎn)品的頻率敏感點(diǎn)也是不一樣的，如果能夠逐漸總結(jié)出敏感頻段或者頻率點(diǎn)，可以采取具體的定頻隨機(jī)振，這樣效果會更好，節(jié)省時間，更重要的是非敏感頻率點(diǎn)對待測品的破壞性會大大降低，減少了對待測品不需要的損傷。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)配置1號機(jī)器組網(wǎng)圖Fig.5 Standard configuration 1 machine network diagram

圖6 標(biāo)準(zhǔn)配置1號機(jī)器內(nèi)部固定圖Fig.6 Standard configuration 1 machine internal fixed figure

圖7 標(biāo)準(zhǔn)配置1號機(jī)器的外部檢測設(shè)備Fig.7 External test equipment for standard configuration 1 machine

還有在選擇固定夾具塊的時候也需要注意，不同材質(zhì)的夾具塊頻率敏感點(diǎn)是不同的，選擇時需要根據(jù)實際需要進(jìn)行測定，如角形鋁塊在450HZ～900HZ頻率范圍內(nèi)，其對輸入振動有放大作用，最低放大15dB，最高放大41dB。而膠木塊的一階固有頻率為31177HZ，固有頻率較大，且剛度較大，所以一般建議最好采用膠木塊固定待測品，保證能量傳遞率接近于1，無損耗［6］。

3 測試缺陷和試驗結(jié)果

如圖8到圖11所示，本次高加速應(yīng)力實驗中激發(fā)出的潛在性缺陷主要分布于DVI/VGA顯示類問題，USB，電池模塊，單片機(jī)以及死機(jī)藍(lán)屏還有電源類問題。

試驗中MOS等器件的可靠性較低，出現(xiàn)損壞，另外，大型功率貼裝電感以及插接式連接等在振動應(yīng)力下容易出故障，需要通過點(diǎn)膠等工藝加固。

圖8 電源控制ICFig.8 IC of power control

圖9 單片機(jī)插槽壞Fig.9 SCM slot bad

圖10 MOS管振壞Fig.10 MOS tube vibration

圖11 貼裝電感掉落Fig.11 SMT inductance drops

通過本次試驗，對于車載信息系統(tǒng)的工作限值、操作限值、破壞限值等也得到了具體的試驗值，驗證了產(chǎn)品規(guī)格，對后續(xù)系統(tǒng)工作可靠性范圍有了界定，并且對相關(guān)項目的可靠性設(shè)計裕量有了參考值，避免可靠性過度設(shè)計。

4 結(jié)語

本文公開了一種基于高鐵地鐵信息服務(wù)信息處理系統(tǒng)的高加速應(yīng)力驗證方法，通過試驗使設(shè)計者了解到本系統(tǒng)的各規(guī)格Margin情況，由于實際測試的工作限值范圍僅比實際使用規(guī)格有5℃的裕量，后續(xù)在制程中對各元件的一致性要求就比較嚴(yán)格，如果物料批量性差異較大，或者后續(xù)有設(shè)計變更出現(xiàn)，此試驗需再次進(jìn)行，從而確定設(shè)計變更對產(chǎn)品規(guī)格的影響程度。

此種高應(yīng)力可靠性評估方法，加快了對高鐵地鐵這種車載信息處理系統(tǒng)的可靠性評估過程，能夠快速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)和定位缺陷，節(jié)省了驗證試驗時間。另外，通過幾種應(yīng)力有效的快速施加，能夠快速評價出系統(tǒng)后期連續(xù)工作的環(huán)境可靠性，可以增強(qiáng)對規(guī)格內(nèi)產(chǎn)品工作的信心，對規(guī)格外產(chǎn)品工作的問題預(yù)見性，提前做好故障預(yù)防和處理，能夠有效降低生產(chǎn)者風(fēng)險，對使用者風(fēng)險也可以得到有效控制。

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WANG Guanglu. Discussion on the effect of acceleration transducer fixing block on aircraft vibration measurement［J］. Reliability and Environmental Communication，2008，（4）：39-48.

本文引用格式：修惠文.一種板載X86測試系統(tǒng)研究［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（9）：87-90.

High Stress Accelerated Reliability Assessment Method Based on the Special Computer

WANG Lei1，2， LIU Zhi-yong1，2
（1.EVOC Intelligent Technology CO.， LTD， Shenzhen， Guangdong 518057， China； 2.National Special Computer Engineering Technology Research Center， Shenzhen， Guangdong 518057， China）

This paper introduces a kind of high stress rapid assessment method that applied as a vehicle to the inner decoder server sends multimedia video stream or as an information processing system of video recording server when applied to the subway， high-speed rail， railway and intercity railway. As the system working in the ground and underground， the environmental stress changes violently， such as the temperature and vibration stress applied randomness. The ordinary burning test has been difficult to achieve the rapid and effective excitation of early failure and potential defects due to its lower applied stress and time-consuming. In contrast， highly accelerated stress test has the ability to rapid defect excitation， so that it can effectively find product design issues .

High accelerated stress test； Rapid assessment； Defect excitation； Potential problem； Complex environment

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.013

WANG Lei， LIU Zhi-yong. High Stress Accelerated Reliability Assessment Method based on the Special Computer［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 77-81， 86.

王雷，劉志永.基于特種計算機(jī)的高加速應(yīng)力可靠性評估方法［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（9）：77-81，86.

王雷（1982-），男，工學(xué)碩士研究生，研究方向：可靠性成熟度模型、APQP、CMMI等；劉志永（1973-），男，本科，研究方向：特種計算機(jī)研發(fā)及應(yīng)用