可靠性強化試驗在顯示器上的應(yīng)用

朱建山，花一秋，黃琴

（蘇州長風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151）

可靠性強化試驗在顯示器上的應(yīng)用

朱建山，花一秋，黃琴

（蘇州長風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151）

首先，對誘發(fā)顯示器故障模式的主要環(huán)境因素進行了分析，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象，通過設(shè)計試驗剖面，制定了相應(yīng)的可靠性強化試驗方案，并進行了實際應(yīng)用；然后，在試驗實施的過程中成功地將產(chǎn)品的缺陷激發(fā)為了可被檢測的故障，有效地發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)；最后，通過分析其故障模式和失效機理，提出了有效的改進措施，提高了產(chǎn)品的健壯性和可靠性。

可靠性強化試驗；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”進行的產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)不能有效地保證產(chǎn)品在實際使用環(huán)境下可靠地工作。自20世紀90年代以來，按照 “最大環(huán)境應(yīng)力條件”來進行產(chǎn)品設(shè)計的新觀念開始出現(xiàn)，按產(chǎn)品承受的正常工作應(yīng)力進行的 “傳統(tǒng)的可靠性試驗”既費錢又費時，而且很難發(fā)現(xiàn)一些潛伏地較深的故障。針對新的轉(zhuǎn)變和 “傳統(tǒng)的可靠性試驗”的不足，客觀上需要采用新的可靠性試驗方法[1]。

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

1 可靠性強化試驗

1.1 目的

可靠性強化試驗是一種采用加速應(yīng)力的可靠性研制試驗，其目的是使產(chǎn)品設(shè)計得更為“健壯”[3]?；痉椒ㄊ峭ㄟ^施加步進應(yīng)力來不斷地加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，并進行改進和驗證，使產(chǎn)品的可靠性不斷地提高，并使產(chǎn)品的耐環(huán)境能力達到最高，直到現(xiàn)有的材料、工藝、技術(shù)和費用支撐能力無法作進一步的改進為止。

1.2 技術(shù)特點

可靠性強化試驗具有如下技術(shù)特點：

a）可靠性強化試驗是一種激發(fā)試驗，不要求模擬應(yīng)力的真實性，而是強調(diào)應(yīng)力的激發(fā)效應(yīng)，從而實現(xiàn)研制階段產(chǎn)品可靠性的快速增長。

b）可靠性強化試驗是一種加速試驗，其采用的是步進應(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破壞的極限。

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

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

1.3 試驗流程

為了實現(xiàn)上述試驗?zāi)繕耍玫丶ぐl(fā)產(chǎn)品潛在的缺陷，提高可靠性強化試驗效率，根據(jù)可靠性強化試驗的特點，采用的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 可靠性強化試驗的應(yīng)用流程

對產(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)果制定可靠性強化試驗大綱和設(shè)計試驗方案，盡早地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的設(shè)計、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，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、分析和改進的過程，使產(chǎn)品在研制初期達到較高的可靠性水平，并初步驗證產(chǎn)品的可靠性設(shè)計，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，實現(xiàn)規(guī)定的通訊、控制功能。兩個分系統(tǒng)的顯示器相互兼容，可以實現(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

在制定可靠性強化試驗方案前，需要對試驗對象進行環(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)的可靠性強化試驗方案。

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：振動在揭示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、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)品的可靠性強化試驗以溫度、振動作為主要的應(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)

高溫會改變產(chǎn)品所用電子元器件的物理性能或尺寸，因而會暫時或永久性地降低產(chǎn)品的性能。該顯示器的工作溫度范圍為-40～60℃，當顯示器工作在高溫環(huán)境下時，其內(nèi)部的電子模塊會產(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。

高溫激發(fā)的主要故障模式有：電子電路的穩(wěn)定性會因材料的膨脹系數(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)

當顯示器工作在低溫環(huán)境下時，其受到的影響與高溫時的相反，其內(nèi)部分子運動減弱，流動性變差，內(nèi)應(yīng)力會造成結(jié)構(gòu)件的強度降低，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)

當顯示器工作在溫度循環(huán)的環(huán)境下時，產(chǎn)品因受到循環(huán)應(yīng)力的作用而熱脹冷縮，其內(nèi)部會產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變。加之產(chǎn)品內(nèi)部各個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€接頭上的各種細微裂紋擴大、元件裝配不當、器件不同部分焊接或粘貼不牢、安裝不當?shù)穆葆斔擅摵唾|(zhì)量差的焊點開裂，以及密封失效。

2.2.4振動效應(yīng)

當對機載顯示器施加隨機振動時，由于產(chǎn)品受到的振動應(yīng)力的頻率不惟一，因而產(chǎn)品內(nèi)部不同的元器件會出現(xiàn)同時共振，此時，安裝不當?shù)脑骷尤菀资艿酵饬ψ饔枚鴵p壞。振動應(yīng)力能夠有效地激發(fā)對相對運動或反復(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微裂紋。

總的來說，振動激發(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；在產(chǎn)品裝配時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；焊點虛焊和焊接不良；布線連接不當?shù)取?/p>

3 某顯示器的可靠性強化試驗方案

由于振動對顯示器的損傷程度大于溫度對其的影響，為了充分地利用有限的試驗樣品，節(jié)約費用，應(yīng)先施加對產(chǎn)品的損傷程度較小的環(huán)境應(yīng)力。本次可靠性強化試驗的試驗流程包括低溫步進應(yīng)力試驗、高溫步進應(yīng)力試驗、快速溫度變化試驗、振動步進試驗和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗5個階段[5]，各個步驟之間的相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 試驗方案

在檢驗合格的產(chǎn)品中抽取1臺顯示器按可靠性強化試驗大綱進行試驗，試驗項目的先后次序為：低溫步進應(yīng)力試驗、高溫步進應(yīng)力試驗、快速溫度變化試驗、振動步進應(yīng)力試驗和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗，試驗過程中出現(xiàn)了1次故障。

3.1 故障現(xiàn)象

高溫步進至溫度t時，顯示器出現(xiàn)畫面逐漸黑掉的故障現(xiàn)象，如圖3所示；按試驗大綱要求恢復(fù)到初始溫度時，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 顯示器高溫步進故障圖

振動步進試驗中振動量級在V g時，產(chǎn)品的顯示畫面隨試驗的進行出現(xiàn)局部拉線故障，顯示畫面下半部分無法顯示，如圖4所示。停止振動后，產(chǎn)品無法恢復(fù)正常工作。由于設(shè)定的振動步進試驗的步長為2 g，因此，初步確定顯示器振動的工作極限為 （V-2）g，破壞極限為V g。

圖4 顯示器振動步進試驗故障圖

3.2 原因分析

高溫步進試驗故障的原因為：在該高溫條件下，由于液晶模塊背光發(fā)熱問題，液晶屏自身的溫度已經(jīng)達到了液晶的清亮點。液晶盒的液晶材料達到清亮點后會轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲缘囊簯B(tài)，此時液晶的電致偏轉(zhuǎn)特性被破壞，失去炫光效應(yīng)從而無法正常地顯示畫面。

振動步進試驗故障的原因為：液晶顯示模塊內(nèi)部信號線松動及損壞，導(dǎo)致視頻信號無法正常地顯示。

3.3 解決措施及驗證情況

對于高溫步進試驗中出現(xiàn)的故障，受限于液晶屏液晶的自身工作特性，目前已達到設(shè)計極限，無改進措施。

對于振動步進試驗中出現(xiàn)的問題，經(jīng)檢查確認均為液晶顯示器模塊內(nèi)部視頻信號接觸故障，因此，通過采取對液晶顯示模塊視頻信號線纜部分進行加固的措施而解決了該故障，并對改進措施進行了試驗驗證，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化試驗中，通過對受試樣品施加步進的環(huán)境應(yīng)力，促使其設(shè)計和制造缺陷迅速地暴露，短時間內(nèi)暴露了產(chǎn)品的故障模式，并分析了其失效機理，確定了產(chǎn)品的工作極限和破壞極限。

如果按照傳統(tǒng)的試驗方法，至少需要幾個月甚至產(chǎn)品交付后的數(shù)年時間才可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，而采用可靠性強化試驗的方法只需要短短幾天就可以達到相同的效果，極大地提高了試驗效率[5]?？煽啃詮娀囼灱夹g(shù)突破了環(huán)境模擬試驗技術(shù)的思路，將加速試驗機制引入到了可靠性試驗中，其作為一種新型的試驗技術(shù)，具有效率高、成本低的特點，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)時間。因此，開展可靠性強化試驗技術(shù)及其應(yīng)用的研究與工程實踐，對于加強顯示器研制與生產(chǎn)過程的質(zhì)量與可靠性控制具有十分重要的現(xiàn)實意義。

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

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

[3]龔慶祥.型號可靠性工程手冊 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2007：392-399.

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

[5]馬杰.可靠性強化試驗技術(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。