機載電子產(chǎn)品可靠性定量加速增長試驗技術(shù)

袁澤譚，樊西龍，趙曉東

(中國航空工業(yè)集團公司 第一飛機設(shè)計研究院，西安 710089)

機載電子產(chǎn)品可靠性定量加速增長試驗技術(shù)

袁澤譚，樊西龍，趙曉東

(中國航空工業(yè)集團公司 第一飛機設(shè)計研究院，西安 710089)

傳統(tǒng)的可靠性試驗在環(huán)境與時間上存在不足，已很難滿足現(xiàn)代飛機可靠性試驗工作的要求?；诠收衔锢韺W(xué)，通過研究航空電子類機載設(shè)備在綜合環(huán)境應(yīng)力條件下的故障原因及其分布規(guī)律，結(jié)合傳統(tǒng)可靠性加速試驗和增長試驗的特點，提出一種可靠性試驗的新方法，詳細介紹具體的試驗方法、試驗流程、試驗應(yīng)力、故障處理要求和評估方法等關(guān)鍵技術(shù)，并將其應(yīng)用在受試產(chǎn)品的典型案例中。結(jié)果表明：當(dāng)產(chǎn)品試驗時間達到952.4 h時，故障數(shù)為0，可以認(rèn)為該產(chǎn)品以70%的置信度確定產(chǎn)品的平均故障間隔時間已達到25 000 h；本文提出的可靠性試驗方法能夠有效解決基于環(huán)境模擬的傳統(tǒng)可靠性試驗方法和評估技術(shù)不能在短的研制周期內(nèi)評估高可靠性指標(biāo)要求的機載設(shè)備的工程難題，可以實現(xiàn)加速因子的多樣、可控，有效地縮短試驗時間，節(jié)約試驗經(jīng)費。

機載電子產(chǎn)品；加速增長試驗；加速因子；可靠性

0 引 言

隨著我國軍用飛機設(shè)計技術(shù)的發(fā)展和使用需要，軍用飛機的可靠性指標(biāo)越來越高，整機可靠性要求的提高使機載設(shè)備可靠性指標(biāo)也大幅度提高[1]。如果仍沿用傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗技術(shù)，存在以下兩個缺點[2]：①較高的可靠性要求，必將導(dǎo)致較長的可靠性試驗時間，帶來較高的試驗費用，從而使可靠性試驗很難在大范圍內(nèi)推廣；②進行可靠性增長試驗的產(chǎn)品，由于試驗時間不足，故障暴露不夠充分，可靠性水平提高有限。因此，傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代飛機可靠性試驗工作的要求。為了有效解決現(xiàn)代電子設(shè)備可靠性和復(fù)雜性之間的矛盾、提高可靠性試驗效率、最大程度地降低電子設(shè)備全壽命周期費用，必須研究新的可靠性試驗技術(shù)和方法[3]，故可靠性加速試驗不可或缺。

現(xiàn)如今武器裝備的性能與功能要求不斷提高，對武器裝備的可靠性水平也提出了更高的要求。基于新形勢下裝備的高可靠性和長壽命的要求及其現(xiàn)代裝備數(shù)字化并行研制模式的特點，對快速高效開展可靠性試驗的需求日益增強[4-6]。

傳統(tǒng)可靠性加速試驗通過施加加嚴(yán)應(yīng)力來激發(fā)產(chǎn)品缺陷，使得產(chǎn)品的可靠性特性依賴試驗結(jié)果歸納的特點，可以看出傳統(tǒng)的可靠性試驗未能明確產(chǎn)品的可靠性特性[7]，在進行加速試驗之前也無法提出有針對的試驗計劃。因此，本文在傳統(tǒng)的加速試驗的基礎(chǔ)上提出基于故障物理的可靠性加速試驗技術(shù)，并介紹具體的試驗方法、試驗流程、試驗應(yīng)力、故障處理要求和評估方法。通過將該方法應(yīng)用于具體工程中，以期能有效地縮短試驗時間，節(jié)約試驗經(jīng)費。

1 試驗概述

基于故障物理的可靠性加速試驗是一種根據(jù)產(chǎn)品的故障物理分析結(jié)果[8]，確定產(chǎn)品加速模型(或加速因子)，并采用加嚴(yán)的試驗條件，在較短的試驗時間內(nèi)快速地暴露產(chǎn)品設(shè)計和制造缺陷，以評估產(chǎn)品可靠性水平的試驗。另一種做法是在加嚴(yán)的試驗條件下，開展一定時間的試驗(無需激發(fā)出故障)，并依據(jù)加速模型和統(tǒng)計方案，給出產(chǎn)品達到或超過某一可靠性水平的置信概率[9]。因此，通過基于故障物理的可靠性方法，可以在試驗前明確產(chǎn)品的可靠性特性[10]，從而有針對性的設(shè)計試驗、激發(fā)缺陷和評價產(chǎn)品可靠性。由此可以看出，基于故障物理的可靠性加速試驗的前提條件是掌握基于故障物理的可靠性分析方法，并有效利用其結(jié)果設(shè)計試驗[11]。

故障物理和加速試驗的原理和方法適用于機械、機構(gòu)、電子、機電等各種類型的產(chǎn)品[12]。本文僅針對電子產(chǎn)品，因此本文所闡述的各種理論、技術(shù)和方法也僅限于電子產(chǎn)品適用范圍之內(nèi)，同時基于故障物理的可靠性技術(shù)理論是相對傳統(tǒng)基于數(shù)理統(tǒng)計的可靠性技術(shù)而言的，主要基于故障物理學(xué)原理，采用工程分析手段，通過對產(chǎn)品可能的故障位置、故障機理、故障模式及其相應(yīng)故障發(fā)生時間等信息進行系統(tǒng)地分析，評估產(chǎn)品的潛在風(fēng)險，從而對產(chǎn)品可靠性進行設(shè)計、分析、試驗和評估。再者，在進行可靠性加速試驗前，必須對產(chǎn)品進行周密的故障物理分析工作，以確定產(chǎn)品的潛在故障情況，再根據(jù)該故障情況進行試驗計劃制定和試驗方案設(shè)計。

2 試驗流程

2.1 基本流程

可靠性加速增長試驗主要包括：制定試驗增長計劃，確定初始環(huán)境條件，確定環(huán)境邊界、加速系數(shù)和加速試驗剖面，試驗實施，故障分析、處理及回歸驗證等階段，如圖1所示。

2.2 步驟內(nèi)容

2.2.1 試驗前準(zhǔn)備工作

選擇合適的試驗?zāi)Ｐ停_定最低可接受的平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure， 簡稱MTBF)。

2.2.2 制定增長計劃

以滿足飛機機載產(chǎn)品平均故障間隔時間的最低可接受值為可靠性加速增長試驗的目標(biāo)，并根據(jù)增長目標(biāo)，確定增長模型，繪制增長曲線，用作監(jiān)控試驗的依據(jù)。

2.2.3 確定環(huán)境初始條件

根據(jù)試驗?zāi)Ｐ偷呐摱?，確定設(shè)備的傳統(tǒng)可靠性試驗?zāi)Ｐ推拭妗?/p>

2.2.4 確定環(huán)境邊界、加速系數(shù)和加速試驗剖面

根據(jù)確定原則，確定加速試驗條件，原則如下：

(1) 以傳統(tǒng)的可靠性試驗剖面為基礎(chǔ)設(shè)計加速增長試驗剖面，加速增長試驗剖面由溫度、振動應(yīng)力、電應(yīng)力和濕度應(yīng)力等組成；

(2) 采用加嚴(yán)溫度循環(huán)的方式進行加速溫度循環(huán)條件設(shè)計，計算加速系數(shù)，確定加速試驗時間；

(3) 振動應(yīng)力根據(jù)累積損傷原理，將加速試驗當(dāng)量時間內(nèi)的損傷等效到加速時間內(nèi)，同時應(yīng)保證最大振動應(yīng)力不大于可靠性試驗綜合應(yīng)力條件的最大應(yīng)力條件；

(4) 當(dāng)加嚴(yán)溫度循環(huán)條件無法得到足夠大的加速系數(shù)時，溫度循環(huán)應(yīng)力按最大條件設(shè)計，根據(jù)振動條件計算加速系數(shù)，確定加速試驗時間；

(5) 電應(yīng)力按產(chǎn)品規(guī)范的要求進行施加。

2.2.5 試驗結(jié)果評估

當(dāng)試驗數(shù)據(jù)以給定的顯著性水平表明有明顯的可靠性增長趨勢，并通過AMSAA模型(一種可靠性增長模型)擬合優(yōu)度檢驗時，利用AMSAA模型評估設(shè)備的基本可靠性指標(biāo)。

當(dāng)不滿足上述要求時，受試產(chǎn)品的基本可靠性指標(biāo)按照式(1)進行評估。

(1)

式中：T為本次可靠性加速增長試驗等效的正常應(yīng)力下試驗時間；r為在可靠性加速增長試驗時間內(nèi)出現(xiàn)的進行改進的責(zé)任故障數(shù)；c為置信度(建議取70%)。

3 試驗方法

3.1 試驗剖面確定方法

加速試驗條件和試驗時間確定總體流程如圖2所示，具體的要求如下：

(1) 可靠性加速試驗溫度條件設(shè)置參考如表1所示。根據(jù)產(chǎn)品的特點，結(jié)合其可靠性強化試驗的結(jié)果，參考表1初步制定可靠性加速試驗的溫度應(yīng)力條件；

表1 可靠性加速試驗溫度條件設(shè)置參考

(2) 以可靠性試驗剖面的溫度條件和試驗增長計劃的工作時間為輸入，通過可靠性仿真試驗得出的加速系數(shù)計算溫度條件下的等效試驗時間；

(3) 確認(rèn)等效試驗時間是否合理(在500 h～1 000 h以內(nèi))，如果不合理，調(diào)整溫度應(yīng)力條件重新進行計算，直至得到合適的等效試驗時間；

(4) 按照等效損傷的式(2)計算加速試驗時間下的振動應(yīng)力；

但是外鄉(xiāng)人一到嶺北鎮(zhèn)來，這麻糍就會變得大方一些。我們嶺北鎮(zhèn)雖然是個窮山里的小鎮(zhèn)，但因為是金華的東陽市與紹興的諸暨市的要道，所以，來往的外鄉(xiāng)人還是有的。經(jīng)過我們嶺北鎮(zhèn)時，麻糍便能做一些生意，而有些人實在買不起，或者少帶了錢的，麻糍也會給，尤其是面對小孩子，麻糍可以算得上是大方的。

(2)

式中：T0為傳統(tǒng)可靠性試驗剖面時間內(nèi)的振動累計損傷時間；T1為加速試驗時間；W0為可靠性試驗剖面最大振動量值；W1為加速試驗時間下的振動量值。

如果振動量值W1超過可靠性強化試驗得出的振動應(yīng)力工作極限的50%，則調(diào)整溫度應(yīng)力條件重新進行計算，直至等效試驗時間在500～1 000 h以內(nèi)，且振動量值不大于功能振動量值。

(5) 綜合最終確認(rèn)的溫度應(yīng)力、電應(yīng)力(在低溫保持結(jié)束前進行通電，高溫保持結(jié)束時斷電)和振動應(yīng)力(除低溫不通電階段外連續(xù)施加振動，在測試時施加3 min高量值振動W1，其余時間施加按照式(2)計算低量值振動)，即可靠性加速增長試驗綜合環(huán)境條件，得出等效試驗時間，也即可靠性加速增長試驗時間。

3.2 加速系數(shù)確定方法

(1) 通過可靠性仿真試驗得到產(chǎn)品在正常條件下失效的前20個薄弱環(huán)節(jié)點(薄弱環(huán)節(jié)點不足時用潛在故障點補充)，假定其首發(fā)故障循環(huán)數(shù)分別為NT1、NT2、…、NT20；

(3) 將第i個薄弱環(huán)節(jié)點在正常條件和加速條件下首發(fā)故障循環(huán)數(shù)相除，利用式(3)得到第i個故障點的循環(huán)數(shù)均值比τVi；

(3)

(4)

加速系數(shù)Au=產(chǎn)品循環(huán)數(shù)均值比×每個循環(huán)的時間比=產(chǎn)品循環(huán)數(shù)均值比×(正常條件每循環(huán)時間/加速條件每循環(huán)時間)。

3.3 振動量值等效計算方法

振動應(yīng)力根據(jù)累積損傷原理，將計劃試驗時間內(nèi)的損傷等效到加速試驗時間內(nèi)，同時應(yīng)保證最大振動應(yīng)力不大于可靠性摸底試驗綜合應(yīng)力條件的最大應(yīng)力條件。根據(jù)故障點的常數(shù)因子bi、最大振動量值、最小振動量值和持續(xù)時間，應(yīng)用式(5)計算等效試驗時間。

(5)

式中：bi為薄弱環(huán)節(jié)點常數(shù)因子的算術(shù)平均值，一般選為3.2。

4 典型案例

4.1 受試設(shè)備說明

案例中受試設(shè)備的設(shè)計定型最低可接受值為25 000 h，其由機箱和5個模塊組成，如圖3所示，組成如表2所示。

表2 受試產(chǎn)品模塊組成

4.2 可靠性加速試驗方案制定

4.2.1 加速溫度應(yīng)力條件初步確定

預(yù)取低溫+10 ℃和高溫-25 ℃作為溫度范圍。本次加速試驗時間按最低可接受值為MTBT的1.2倍(即30 000 h)進行規(guī)劃，加速溫度應(yīng)力條件初步確定：

低溫：-75 ℃，保溫30 min；

高溫：85 ℃，保溫90 min；

溫變率：15 ℃/min；

一個循環(huán)時間為140 min(應(yīng)重點考慮產(chǎn)品的測試時間)，試驗剖面如圖4所示。

4.2.2 加速試驗時間計算

(1) 以899A剖面(如圖5所示)為輸入條件，通過可靠性仿真試驗獲得10個潛在薄弱點。以可靠性加速試驗剖面(圖4)為輸入計算加速溫度應(yīng)力條件下的平均故障首發(fā)時間，通過對正常條件下10個潛在薄弱點進行分析，計算各潛在故障點在圖5條件下和加速溫度應(yīng)力條件下的首發(fā)故障時間及加速因子，如表3所示。

(2) 根據(jù)潛在故障點的加速因子進行算術(shù)平均，獲得產(chǎn)品應(yīng)力損傷模型加速因子，即

(3) 計算加速因子

加速因子Au=循環(huán)數(shù)均值比×每個循環(huán)的時間比=5.25×(14×60/140)=31.5。

(4) 計算加速試驗時間

加速試驗時間計算=30 000/31.5=952.4 h。

4.2.3 振動量值計算

經(jīng)過等效計算，最大振動量值W0為

最小振動量值W1為

表3 無線電接口單元10個潛在薄弱點加速因子

4.3 故障情況

本次試驗共用時952.4 h，試驗過程中未出現(xiàn)責(zé)任故障。

4.4 指標(biāo)評估

依據(jù)可靠性鑒定和驗收試驗(GJB 899A-2009)中的定時截尾試驗抽驗方案(使用方風(fēng)險β=30%的定時試驗方案)，在試驗進行至1.2倍的目標(biāo)值即30 000 h的等效試驗時間952.4 h時試驗結(jié)束。因此，當(dāng)產(chǎn)品試驗時間達到952.4 h時，故障數(shù)為0，可以認(rèn)為該產(chǎn)品以70%的置信度確定產(chǎn)品的MTBF已達到25 000 h。

5 結(jié)束語

本文提出了綜合可靠性加速試驗和增長試驗于一體的可靠性試驗新方法，能有效地解決高可靠性產(chǎn)品的評估難題，并通過試驗案例驗證了本文提出的試驗方法的可行性，研究結(jié)果可為我國高可靠性航空武器裝備的可靠性試驗工作提供參考。

[1] 紀(jì)春陽, 汪凱蔚. 電子設(shè)備的可靠性快速增長實驗技術(shù)[J]. 中國質(zhì)量, 2011(3): 24-28. Ji Chunyang, Wang Kaiwei. Reliability growth test technique of electronic equipment[J]. China Quality, 2011(3): 24-28.(in Chinese)

[2] 祝軍生, 郝冠軍, 李明. 軍用電子設(shè)備可靠性試驗方法的確定及研究[J]. 電子質(zhì)量, 2010(6): 44-47. Zhu Junsheng, Han Guanjun, Li Ming. Determination and research of the method of the reliability test of the military electronic equipment[J]. Electronics Quality, 2010(6): 44-47.(in Chinese)

[3] 呂俊霞, 宣峰. 電子元器件的可靠性分析[J]. 潔凈與空調(diào)技術(shù), 2011(1): 32-37. Lü Junxia, Xuan Feng. Electronic primary device’s fail-safe analysis[J]. Contamination Control & Air-conditioning Technology, 2011(1): 32-37.(in Chinese)

[4] 龍博. 集成電路超細互連線電遷移可靠性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010. Long Bo. Electromigration reliability of ultra-fine interconnection in integrated circuit[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2010.(in Chinese)

[5] Tu K N, Mayer J W, Feldman L C. Electronic thin film science: for electrical engineers and materials scientists[J]. Canada: Maxwell Macmillan Canada, 1992.

[6] Spolenak R, Kraft O, Arzt E. Effects of alloying elements on electromigration[J]. Microelectronics Reliability, 1998, 38(6-8): 1015-1020.

[7] 孔學(xué)東, 章曉文, 恩云飛. 集成電路可靠性評價技術(shù)[J]. 中國集成電路, 2005(68): 83-86. Kong Xuedong, Zhang Xiaowen, En Yunfei. Integrated circuit reliability evaluation technology[J]. China Integrated Circuit, 2005(68): 83-86.(in Chinese)

[8] 丁小東. 電子設(shè)備產(chǎn)品的可靠性試驗[J]. 電子質(zhì)量, 2005(2): 32-34. Ding Xiaodong. The reliability test for the electronic equipment products[J]. Electronics Quality, 2005(2): 32-34.(in Chinese)

[9] 米紹曾. 鋁金屬化層中的電遷移[J]. 宇航材料工藝, 1986(4): 12-17. Mi Shaozeng. Electromigration of aluminum metallized layer[J]. Aerospace Materials & Technology, 1986(4): 12-17.(in Chinese)

[10] 劉美俊. 電子產(chǎn)品的可靠性試驗研究[J]. 電子質(zhì)量, 2004(5): 19-21. Liu Meijun. Study on reliability testing of electronic products[J]. Electronics Quality, 2004(5): 19-21.(in Chinese)

[11] Deng Haixiao, Zhang Meng, Gu Duan, et al. Simulation studies on laser pulse stability for Dalian coherent light source[J]. Chinese Physics C, 2014, 38(2): 028101-1-028101-6.

[12] 夏泓. 電子元器件失效分析及應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1998. Xia Hong. Electronic components failure analysis and application[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1998.(in Chinese)

(編輯：趙毓梅)

Reliability Quantitative Accelerated Growth Test Technology of Airborne Electronic Equipment

Yuan Zetan, Fan Xilong, Zhao Xiaodong

(The First Aircraft Institute, Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710089, China)

The traditional reliability experimental technique is difficult to meet the requirements of modern aircraft reliability test because of the shortage in environment and time. Based on the theory of the physical fault, a new reliability test method, which combines the comprehensive test and accelerated reliability growth test, is proposed by studying the failure causes and distribution rules of aviation electronic airborne equipment under the comprehensive environmental stress conditions. The specific test method, test process, test stresses, requirements of fault treatment, and the key technologies of evaluation method are introduced in detail. A typical test is analyzed by applying the new reliability test method. The results indicate that there are no failures to take place when the test time of the tested products reaches 952.4 hours. The mean time between failure(MTBF) has reached 25 000 hours which can be determined with 70% confidence level. The proposed reliability test method can be used to solve the engineering problem that environmental simulation test methods and traditional statistical reliability cannot evaluate the airborne equipment under high reliability requirements within short development cycle. The new methods can make it reasonably to realize diversity factors and controllability, shorten the test time, and save the test costs.

airborne electronic equipment; accelerated growth test; accelerated factor; reliability

2016-11-28；

2017-02-14

袁澤譚,470741963@qq.com

1674-8190(2017)01-098-07

V240.2

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.01.015

袁澤譚(1990-)，男，碩士研究生，工程師。主要研究方向：軍用飛機可靠性設(shè)計、分析與試驗。

樊西龍(1982-)，男，碩士，高級工程師。主要研究方向：軍用飛機可靠性設(shè)計、分析與試驗。

趙曉東(1975-)，男，高級工程師。主要研究方向：軍用飛機可靠性設(shè)計、分析與試驗。