基于高加速極限試驗(yàn)與加速壽命試驗(yàn)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方案研究

葉奇 趙京 黨麗君 毛翔 伍巧鳳

摘 要

本文通過(guò)對(duì)高加速極限試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方式進(jìn)行分析，對(duì)其試驗(yàn)方法、試驗(yàn)流程，加速應(yīng)力，加速模型，試驗(yàn)剖面等方面進(jìn)行了論述，形成兩種試驗(yàn)方式相結(jié)合的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方案，可有效地用于電子設(shè)備可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞

可靠性增長(zhǎng);高加速極限試驗(yàn)（HALT）;加速壽命試驗(yàn)（ALT）;加速因子;MTBF

中圖分類號(hào)： V416 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 77

Abstract

This paper analyzed and discussed the test scheme， test process， accelerated stree， accelerated model and test profile of two test methods of High Accelerated Limit Test（HALT） and Accelerated Life Test（ALT），and formed a reliability-growth scheme combined by this two test methods， which can be effectively used in reliability-growth test of electronic equipment.

Key words

Reliability-growth; HALT; ALT; Accelerated factor; MTBF

0 引言

可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)是在研制過(guò)程中模擬實(shí)際的使用條件或加速條件進(jìn)行試驗(yàn)，將產(chǎn)品存在的設(shè)計(jì)缺陷和工藝缺陷，激發(fā)成故障，通過(guò)“試驗(yàn)—分析--糾正—再試驗(yàn)”這樣的反復(fù)循環(huán)過(guò)程，使產(chǎn)品在研制階段通過(guò)試驗(yàn)不斷暴露產(chǎn)品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，采取有效的糾正措施，來(lái)提高產(chǎn)品可靠性而進(jìn)行的一系列試驗(yàn)。

可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)主要有兩個(gè)作用：一是通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)故障，二是驗(yàn)證糾正措施的有效性。

1 高加速壽命試驗(yàn)（HALT）和加速壽命試驗(yàn)（ALT）

高加速極限試驗(yàn)（HALT），是指通過(guò)逐步增強(qiáng)施加在試驗(yàn)樣品上的試驗(yàn)應(yīng)力（如溫度、振動(dòng)、快速溫變以及振動(dòng)綜合應(yīng)力等），確定產(chǎn)品的耐受應(yīng)力極限的試驗(yàn)[1]。HALT作為非指標(biāo)考核性的加速試驗(yàn)，它不能得到產(chǎn)品的壽命信息，但可以得到產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)力極限的信息。

HALT是最容易發(fā)現(xiàn)故障的項(xiàng)目之一。對(duì)于電子設(shè)備而言，低溫失效占總失效的14%，高溫失效占比17%，快速溫變循環(huán)失效占比4%，振動(dòng)失效占比45%，振動(dòng)與高溫變組合失效占比20%[2]，HALT覆蓋了導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要應(yīng)力，可以快速激發(fā)故障，因此可以獲得更快的可靠性增長(zhǎng)速度，更高的固有可靠性水平，更低的適用維護(hù)成本，更好的環(huán)境適應(yīng)能力以及更短的研制周期。

加速壽命試驗(yàn)（ALT），是在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)在超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的可靠性信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到試驗(yàn)樣品在額定應(yīng)力水平下可靠性特征的可復(fù)現(xiàn)的數(shù)值估計(jì)的一種試驗(yàn)方法[3]。

ALT是基于如下假設(shè)：即受試品在短時(shí)間、高應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的特性與產(chǎn)品在長(zhǎng)時(shí)間、低應(yīng)力作用下表現(xiàn)出來(lái)的特性是一致的;簡(jiǎn)而言之，加速壽命試驗(yàn)是在保持失效機(jī)理不變的條件下，通過(guò)加大試驗(yàn)應(yīng)力來(lái)縮短試驗(yàn)周期的一種壽命試驗(yàn)方法。加速壽命試驗(yàn)采用加速應(yīng)力水平來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的手試驗(yàn)，從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本。

當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以近似地分成三種形式：當(dāng)產(chǎn)品中存在缺陷時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)所謂的“早期失效”即薄弱項(xiàng)故障;由于外部負(fù)載超過(guò)強(qiáng)度，從而誘發(fā)故障;當(dāng)設(shè)備磨損到一定階段，也會(huì)誘發(fā)故障[4]。這三種故障形式構(gòu)成了浴盆曲線，如圖1所示。HALT的實(shí)施將降低由于外因誘發(fā)故障形式形成的浴盆曲線的中間平坦段，同時(shí)HALT將使得浴盆曲線的磨損段遠(yuǎn)遠(yuǎn)地向右延伸，即HALT使得MTBF得到了確實(shí)的提高;同時(shí)還可快速地提供工程改善的依據(jù)，有效降低失效風(fēng)險(xiǎn)，快速進(jìn)入市場(chǎng)與達(dá)成任務(wù)需求，因此HALT對(duì)可靠性增長(zhǎng)具有很高的貢獻(xiàn)度。HALT雖不能確定浴盆曲線的底部具體位置，但通過(guò)ALT定量可靠性試驗(yàn)正好彌補(bǔ)了這一缺陷。

HAT與ALT廣泛適用于電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)驗(yàn)證，特別是新產(chǎn)品在研發(fā)階段越來(lái)越受到廣大的企業(yè)與工程試驗(yàn)人員以及學(xué)者的普遍重視與推行，并在實(shí)際的工程應(yīng)用中取得了顯著的成效。在現(xiàn)今市場(chǎng)上，生產(chǎn)武器裝備航空航天機(jī)械電子產(chǎn)品的具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的公司，幾乎都在廣泛使用這些技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方案

第一步：進(jìn)行HALT，快速、高效暴露產(chǎn)品問(wèn)題，改進(jìn)后在出現(xiàn)問(wèn)題的具體試驗(yàn)環(huán)節(jié)下驗(yàn)證其工作極限提升比例、可靠性改進(jìn)效果。HALT通過(guò)設(shè)置逐級(jí)遞增的加嚴(yán)的環(huán)境應(yīng)力，來(lái)加速暴露試驗(yàn)樣品的缺陷和薄弱點(diǎn)，而后對(duì)暴露的缺陷和故障從設(shè)計(jì)、工藝和用料等諸方面進(jìn)行分析和改進(jìn)，從而達(dá)到提升可靠性的目的，其最大的特點(diǎn)是設(shè)置高于樣品設(shè)計(jì)運(yùn)行上限的環(huán)境應(yīng)力，從而使暴露故障的時(shí)間大大短于正常環(huán)境應(yīng)力條件下的所需時(shí)間，是實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)最經(jīng)濟(jì)、最快速的方法。HALT試驗(yàn)結(jié)束后，配合設(shè)計(jì)改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)第一輪快速的可靠性增長(zhǎng)。

第二步：以改進(jìn)后的產(chǎn)品為試驗(yàn)對(duì)象，開展第二輪的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)即ALT（加速壽命試驗(yàn)），通過(guò)施加高于正常應(yīng)用條件的應(yīng)力，進(jìn)行定量可靠性試驗(yàn)，評(píng)估其MTBF指標(biāo)是否達(dá)到要求。如試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未達(dá)到要求，則對(duì)問(wèn)題進(jìn)行歸零，通過(guò)理論分析，確認(rèn)該故障不會(huì)復(fù)現(xiàn)后，再評(píng)估指標(biāo)是否達(dá)到要求。通過(guò)HALT+ALT的試驗(yàn)組合方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)+可靠性指標(biāo)驗(yàn)證的雙重目標(biāo)。

第三步：以第二步結(jié)果結(jié)合設(shè)備可靠性框圖以及設(shè)備中各個(gè)模塊在考慮工作應(yīng)力后修正的MTBF值，進(jìn)行設(shè)備可靠性分析。

3 高加速壽命試驗(yàn)（HALT）方案

3.1 試驗(yàn)開始前準(zhǔn)備

試驗(yàn)開始前需確定所有待測(cè)模塊滿足該模塊所標(biāo)稱的功能要求，測(cè)試前待測(cè)模塊需燒機(jī)測(cè)試一天并所有功能完好，確保在室溫下被測(cè)模塊的功能以及相關(guān)的軟件設(shè)置等都是正確的，排除與HALT試驗(yàn)無(wú)關(guān)的影響因子。

HALT試驗(yàn)箱溫度范圍要求在-100℃至+200℃之間，溫變率范圍要求達(dá)到60℃/分鐘，并能在試驗(yàn)時(shí)能保持熱穩(wěn)定[4]。振動(dòng)試驗(yàn)要求能產(chǎn)生三軸六自由度振動(dòng)，加速度要求達(dá)到60Grms，振動(dòng)頻譜范圍需在2Hz到10000Hz之間。

在試驗(yàn)時(shí)主要元器件及結(jié)構(gòu)件上安裝加速度傳感器以監(jiān)測(cè)和記錄振動(dòng)曲線，只有振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)曲線與加速度傳感器的振動(dòng)曲線一致時(shí)才能進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。建議安裝加速度傳感器的位置為振動(dòng)臺(tái)面、靠近大體積（或大重量）硬件的固定點(diǎn)、最大反饋點(diǎn)（PCB中央）、疑似的薄弱位置等。

3.2 試驗(yàn)流程

高加速壽命試驗(yàn)依照?qǐng)D2試驗(yàn)流程開展，主要進(jìn)行高溫步進(jìn)、振動(dòng)步進(jìn)、溫度快速變化以及綜合試驗(yàn)（溫度快速變化加振動(dòng)）。

3.2.1 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

測(cè)試從25℃開始，步長(zhǎng)為+10℃（當(dāng)接近操作/破壞限時(shí)降至+5℃），溫變率為40℃/min。一直持續(xù)到發(fā)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備的操作極限和破壞極限。因?yàn)?25C為主流元器件的最高使用溫度，超過(guò)該溫度無(wú)測(cè)試意義，如果溫度升至125℃還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)破壞限（為防止高溫破壞零件，建議到90C即停止比較保險(xiǎn)），則停止此項(xiàng)測(cè)試。

3.2.2 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

測(cè)試起始振動(dòng)為5Grms隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)頻率帶寬在10Hz至5KHz范圍內(nèi)，步進(jìn)步長(zhǎng)為5Grms[2]，每個(gè)振動(dòng)臺(tái)階保持至少10分鐘并完成功能測(cè)試。如果振動(dòng)設(shè)置到40Grms還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)破壞限，則停止此測(cè)試項(xiàng)。當(dāng)達(dá)到30Grms（含）以上且功能測(cè)試正常時(shí)，需恢復(fù)到5Grms以驗(yàn)證功能測(cè)試是否正常。此時(shí)回到5Grms測(cè)試功能的目的是回到低振動(dòng)應(yīng)力水平去發(fā)現(xiàn)在高振動(dòng)應(yīng)力激勵(lì)時(shí)不能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

3.2.3 溫度快速變化試驗(yàn)

以最低工作溫度作為最低溫度，以高溫操作限作為最高溫度，以此為界限進(jìn)行5個(gè)循環(huán)測(cè)試，溫度變化率為40℃/分鐘，每個(gè)周期到達(dá)高/低溫時(shí)，駐留時(shí)間至少為10分鐘。

3.2.4 熱沖擊&振動(dòng)綜合應(yīng)力試驗(yàn)

熱沖擊參照溫度快速變化應(yīng)力試驗(yàn)，即以儀控設(shè)備最低工作溫度0℃作為最低溫度，以高溫操作限作為最高溫度，進(jìn)行5個(gè)循環(huán)測(cè)試，溫度變化率為40℃/分鐘，每個(gè)周期到達(dá)高/低溫時(shí)，駐留時(shí)間至少為10分鐘。振動(dòng)值從5Grms開始，步進(jìn)步長(zhǎng)為5Grms，每個(gè)振動(dòng)臺(tái)階保持30分鐘。每一個(gè)溫度快速變化應(yīng)力試驗(yàn)的溫度平穩(wěn)期執(zhí)行功能測(cè)試。

3.2.5 電應(yīng)力試驗(yàn)

對(duì)輸入電壓進(jìn)行拉偏，拉偏要求為設(shè)計(jì)的電壓輸入上下限值。并且需要在測(cè)試時(shí)進(jìn)行反復(fù)開關(guān)機(jī)等動(dòng)作。

4 加速壽命試驗(yàn)（ALT）方案

4.1 試驗(yàn)流程

加速壽命試驗(yàn)依照?qǐng)D3試驗(yàn)流程開展。

4.2 加速應(yīng)力

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明溫度、濕度、振動(dòng)所引起的失效占整體失效的86%[5]。若產(chǎn)品能長(zhǎng)期生存在溫度、濕度、振動(dòng)的應(yīng)力條件，則未來(lái)產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題會(huì)大幅度的減少;溫度、濕度和振動(dòng)同時(shí)加速可以模擬產(chǎn)品使用的實(shí)際條件，更加快速的激發(fā)產(chǎn)品故障，及早發(fā)現(xiàn)可靠性問(wèn)題，同時(shí)可縮短產(chǎn)品的驗(yàn)證時(shí)間，節(jié)省測(cè)試費(fèi)用。綜上所述，采取溫度、濕度和振動(dòng)同時(shí)加速作為本試驗(yàn)的加速應(yīng)力。

4.3 加速模型與加速因子

振動(dòng)導(dǎo)致的環(huán)境效應(yīng)主要表現(xiàn)為設(shè)備或設(shè)備內(nèi)的動(dòng)態(tài)位移，這些動(dòng)態(tài)位移可能引起或促進(jìn)結(jié)構(gòu)疲勞與機(jī)械磨損，另外還會(huì)導(dǎo)致元器件的碰撞與功能損壞。而溫度主要影響化學(xué)反應(yīng)速度，特別是電子零件電氣參數(shù)的改變，是電子產(chǎn)品失效的主要原因。濕度主要對(duì)表面和材料特性以及水凝產(chǎn)生影響。三者造成的失效模式及失效原因均不同，故可以認(rèn)為溫度+濕度與振動(dòng)應(yīng)力從解決工程問(wèn)題的角度，近似彼此獨(dú)立。隨機(jī)振動(dòng)和濕度為非熱應(yīng)力其模型為逆冪律模型;溫度加速為阿倫尼斯模型，溫濕度的組合模型Hallerberg-Peck模型即為阿倫尼斯模型和逆冪律模型組合構(gòu)成的一個(gè)新的模型。如果溫度與非熱應(yīng)力同時(shí)加速，則阿倫尼斯與逆冪律模型可以組合構(gòu)成一個(gè)新的模型。也就是將溫度與非熱應(yīng)力加速因子直接相乘，其前提條件是威布爾分布的形狀參數(shù)為1，即為故障規(guī)律服從指數(shù)分布。[6]電子產(chǎn)品的故障率服從指數(shù)分布。多個(gè)加速應(yīng)力同時(shí)作用，應(yīng)力如果相互獨(dú)立則總的加速因子等于各加速應(yīng)力因子直接相乘，因此，本方案的溫度、濕度和振動(dòng)的加速因子為：

AF=AF1*AF2

其中：

AF： 溫度+濕度+振動(dòng)組合加速因子;

AF1： 溫度+濕度組合加速因子;

AF2： 振動(dòng)加速因子。

4.3.1 溫度+濕度應(yīng)力加速因子

溫度應(yīng)力的加速模型為Hallerberg-Peck 模型[7]，其加速因子為：

AF1=exp{（Ea/K）}*（1/Tu-1/Ts）*（RH_stress/RH_use）n

其中：

AF1：溫度+濕度組合加速因子;

Ea：活化能;

K：Boltzmann常數(shù)=8.617*10-5ev/K;

Tu：產(chǎn)品正常使用下的開爾文溫度，選值為Tu=25+273=298K;

Ts：產(chǎn)品加速試驗(yàn)的開爾文溫度;

RH_use：產(chǎn)品正常使用時(shí)的相對(duì)濕度，選值為正常的50%RH;

RH_stress：產(chǎn)品在加速試驗(yàn)時(shí)的相對(duì)濕度;

n：相對(duì)濕度加速率，一般取3，也可以通過(guò)試驗(yàn)得出。

其中活化能的確定至關(guān)重要。主要有如下幾種方法：

（1）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算

零件級(jí)可以參考Telcordia SR332或根據(jù)HDBK-217-F推算活化能;

單元級(jí)可以在零件級(jí)基礎(chǔ)上進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算。

（2）采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

企業(yè)在過(guò)去同類產(chǎn)品通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得出活化能作為參考。

（3）實(shí)測(cè)分析

通過(guò)樣品進(jìn)行相同濕度但不同溫度加速試驗(yàn)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出活化能。

由于通過(guò)不同溫度加速試驗(yàn)得出的活化能需要將樣品做到失效才能停止試驗(yàn)，導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試費(fèi)用高，因此本試驗(yàn)方案活化能Ea建議采用常用的0.9eV。

4.3.2 振動(dòng)應(yīng)力加速因子

4.4 試驗(yàn)剖面

整個(gè)試驗(yàn)剖面如圖 4所示，主要的方案如下：

（1）工作循環(huán)期間，輸入電壓應(yīng)按照下圖所示的幾個(gè)量值之間變化。

（2）每24小時(shí)隨機(jī)抽取3小時(shí)施加振動(dòng)應(yīng)力。試驗(yàn)應(yīng)按規(guī)定的軸向上進(jìn)行。在開始振動(dòng)循環(huán)時(shí)，應(yīng)先施加10分鐘的戰(zhàn)斗損傷頻譜;然后在這3小時(shí)的其余時(shí)間內(nèi)施加運(yùn)輸隨機(jī)頻譜，每振動(dòng)20分析，停振10分鐘，并以此重復(fù)進(jìn)行。

（3）在試驗(yàn)的前三個(gè)周期里， 每個(gè)周期的開始2小時(shí)內(nèi)，先執(zhí)行冷浸試驗(yàn)，然后進(jìn)行高溫加速試驗(yàn)。完成三個(gè)周期后，冷浸試驗(yàn)取消。

（4）在試驗(yàn)的前三個(gè)周期里， 每個(gè)周期的開始2小時(shí)內(nèi)，冷浸試驗(yàn)期間，先不做濕度控制。然后進(jìn)行高濕加速試驗(yàn)。

5 設(shè)備可靠性分析

修正后的MTBF可采用以下方式得到：

MTBF修正后=MTBF設(shè)計(jì)值/AF

如果采用的是整體設(shè)備的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，那么可直接得到設(shè)備級(jí)的MTBF，用于設(shè)備改進(jìn)。若采用的是模塊級(jí)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，可根據(jù)設(shè)備的實(shí)際配置得出設(shè)備的可靠性框圖，然后將組成設(shè)備的模塊MTBF值代入可靠性框圖即可得出設(shè)備的MTBF。

6 結(jié)論

基于高加速極限試驗(yàn)與加速壽命試驗(yàn)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方案，具備非常高的實(shí)用性和適用性，通過(guò)先進(jìn)行HALT試驗(yàn)，再進(jìn)行ALT試驗(yàn)，最后進(jìn)行可靠性分析，可有效地激發(fā)產(chǎn)品故障、引導(dǎo)產(chǎn)品改進(jìn)、提升產(chǎn)品固有可靠性的提升。

參考文獻(xiàn)

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