小子樣電子裝備可靠性加速試驗(yàn)方法

孔 耀，申 斌，劉興隆，王 政，朱緒垚

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸軍裝備部駐武漢地區(qū)第一軍事代表室，湖北 武漢 430073)

0 引言

新變革對裝備的功能性能指標(biāo)要求不斷提高，對電子裝備的可靠性水平也提出了更高的要求。電子裝備的MTBF一般為幾千小時(shí)，甚至幾萬小時(shí)。傳統(tǒng)的環(huán)境模擬試驗(yàn)已經(jīng)無法進(jìn)行高可靠、長壽命電子產(chǎn)品可靠性水平的驗(yàn)證[1-4]。尤其是針對研制項(xiàng)目產(chǎn)品數(shù)量較少，如果仍沿用傳統(tǒng)的GJB 899A-2009規(guī)定的可靠性鑒定試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，需要累積試驗(yàn)臺(tái)時(shí)數(shù)，對于高可靠電子裝備，試驗(yàn)樣本量越小，進(jìn)行的試驗(yàn)時(shí)間就越長，而且故障激發(fā)效果低，難以支撐對高可靠、長壽命電子裝備的可靠性驗(yàn)證需求。而可靠性加速試驗(yàn)正是解決這一突出矛盾的有效方法，已成為可靠性試驗(yàn)領(lǐng)域的重要研究方向。

1 整機(jī)的可靠性模型

在給定的時(shí)間t0，產(chǎn)品的可靠度可表示為：

(1)

式中，RStressi為產(chǎn)品在某一種應(yīng)力(工作應(yīng)力或環(huán)境應(yīng)力)下的可靠度。

環(huán)境應(yīng)力包括溫度、溫度循環(huán)、濕度、振動(dòng)及沖擊等。工作應(yīng)力包括與產(chǎn)品使用相關(guān)的應(yīng)力，如開機(jī)/停機(jī)、功率、電壓波動(dòng)及負(fù)載等。

要根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境確定應(yīng)力種類和應(yīng)力水平。產(chǎn)品失效率可表示為：

(2)

式中，λStressi為產(chǎn)品在某一應(yīng)力(使用應(yīng)力或環(huán)境應(yīng)力)下的失效率。

該模型將產(chǎn)品的可靠度按應(yīng)力的類型進(jìn)行分配。

2 加速試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程

以GJB 899A-2009的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案為基礎(chǔ)，首先根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況選擇確定合適的定時(shí)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案和可靠性鑒定試驗(yàn)剖面，然后對鑒定試驗(yàn)剖面溫度和振動(dòng)應(yīng)力水平進(jìn)行加速，并分別計(jì)算加速因子，從而得到加速條件下的等效試驗(yàn)剖面[5-10]。具體的可靠性加速增長試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 加速試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程Fig.1 The acceleration test program design process

具體試驗(yàn)步驟為：

① 根據(jù)受試設(shè)備的實(shí)際情況，選擇試驗(yàn)方案；根據(jù)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)及試驗(yàn)方案確定總試驗(yàn)時(shí)間 及故障判據(jù)；

② 參照相關(guān)規(guī)范，制定可靠性試驗(yàn)剖面；

③ 根據(jù)強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果或產(chǎn)品耐應(yīng)力極限分析，確定加速試驗(yàn)的最高溫度、最低溫度、溫變率；

④ 根據(jù)Norris-Landzberg模型計(jì)算溫度循環(huán)加速因子，并確定加速條件下總溫度循環(huán)數(shù)[11-15]；

⑤ 根據(jù)阿倫尼斯模型，將正常工作溫度應(yīng)力折合到加速溫度應(yīng)力，計(jì)算加速條件下溫度保持總時(shí)間；

⑥ 確定加速條件下每個(gè)循環(huán)中溫度保持時(shí)間及每個(gè)循環(huán)時(shí)間；

⑦ 確定加速試驗(yàn)總時(shí)間；

⑧ 根據(jù)疲勞累積損傷模型及總的加速試驗(yàn)時(shí)間，計(jì)算加速試驗(yàn)振動(dòng)量級。

⑨ 確定加速試驗(yàn)剖面；

⑩ 計(jì)算故障時(shí)間折合因子；

3 加速因子的確定

3.1 溫度加速因子的確定

激活能決定了溫度應(yīng)力的加速因子。加速因子的計(jì)算公式為：

AF=tuse/ttest=exp[(Ea/k)(1/Tuse-1/Ttest)]，

(3)

式中，k表示波爾茲曼常數(shù)8.617×10-5eV/K；Ea表示元件的激活能，單位eV；Tuse表示正常工作溫度；Ttest表示加速試驗(yàn)溫度。

分析國內(nèi)外的規(guī)范可以得出：激活能越大，加速因子越大，集成電路的激活能一般高于電阻、電容等分立元件，是其2倍左右。集成電路的基本失效率大于分立元件的基本失效率。如果電子產(chǎn)品包含較多的集成電路，可以選取較高的加速因子。對于通信裝備，有較多的集成電路，因此，建議激活能選用0.5～0.9 eV。

3.2 振動(dòng)加速因子的確定

振動(dòng)應(yīng)力的加速因子按 GJB 150.16A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》第16部分振動(dòng)試驗(yàn)給出的方法確定。

隨機(jī)振動(dòng)的加速公式：

(4)

正弦振動(dòng)的加速公式：

(5)

式中，W0表示規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)量值(加速度譜密度)，單位g2/Hz；W1表示施加的隨機(jī)振動(dòng)量值(加速度譜密度)，單位g2/Hz；g0表示規(guī)定的正弦振動(dòng)量值(峰值加速度)，單位g；g1表示施加的正弦振動(dòng)量值(峰值加速度)；T0表示規(guī)定的時(shí)間；T1表示施加的時(shí)間。

這是線性疲勞損傷累積的簡化表達(dá)式，指數(shù)是材料常量(log/log疲勞曲線的斜率或S/N曲線的斜率)，給出的值適用于航空電子裝備。

導(dǎo)彈試驗(yàn)大綱使用的指數(shù)值為1/3.25～1/6.6。航天器試驗(yàn)大綱有時(shí)使用1/2。多數(shù)材料的指數(shù)取1/6～1/6.5。指數(shù)值的變化范圍與所要求的保守程度以及材料特性有關(guān)。必要時(shí)應(yīng)根據(jù)具體材料的疲勞數(shù)據(jù)(S/N曲線)進(jìn)行分析。

裝備上不同部件用材料的S/N曲線可得到不同的等價(jià)關(guān)系。應(yīng)采用等價(jià)關(guān)系建立試驗(yàn)準(zhǔn)則。

3.3 溫度循環(huán)加速因子的確定

由JEDES標(biāo)準(zhǔn)JESD94A可知，溫度循環(huán)的加速因子符合Norris-Landzberg模型：

(6)

式中，ΔT1為加速應(yīng)力溫度循環(huán)的變化范圍；ΔT2為使用的溫度循環(huán)變化范圍；v1為使用時(shí)溫度循環(huán)的溫變率；v2為加速時(shí)溫度循環(huán)的溫變率；Tmax1，Tmax2為溫度循環(huán)中最高溫度。

4 應(yīng)用實(shí)例

某型機(jī)載衛(wèi)通天線，工作在Ka/Ku頻段?；救蝿?wù)是在飛機(jī)飛行過程中始終連續(xù)地對地球靜止軌道的Ka或Ku波段衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，接收衛(wèi)星的來波信號(hào)和發(fā)射衛(wèi)通機(jī)載數(shù)據(jù)終端的發(fā)射信號(hào)。

本天線隨系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如下：鑒定試驗(yàn)采用GJB 899A-2009中的定時(shí)截尾試驗(yàn)方案30-2，方案參數(shù)如表1所示。

表1 30-2試驗(yàn)方案參數(shù)Tab.1 Test program paramenters of 30-2

總有效試驗(yàn)時(shí)間是指所有被試品承受試驗(yàn)應(yīng)力的累積時(shí)間，用被試品試驗(yàn)累積的臺(tái)時(shí)數(shù)表示。根據(jù)選定的試驗(yàn)方案，本次鑒定試驗(yàn)的總有效試驗(yàn)時(shí)間為：2.44×θ1=2.44×260=634.4 h；被試品數(shù)量為1套，因此本次鑒定試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間為：634.4÷1=634.4 h；每循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間為720 min，本次試驗(yàn)總循環(huán)數(shù)為：Ncyc=634.4×60÷720=52.87。

振動(dòng)功率密度譜如圖2所示。電應(yīng)力循環(huán)如圖3所示。天線可靠性鑒定試驗(yàn)剖面如圖4所示。

圖2 振動(dòng)功率密度譜Fig.2 Vibration power spectral density

圖3 電應(yīng)力循環(huán)Fig.3 Electrical stress cycle

圖4 天線可靠性鑒定試驗(yàn)剖面Fig.4 The reliability qualification test profile of antenna

振動(dòng)應(yīng)力的加速因子按GJB 150.16A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》第16部分，隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力的加速因子計(jì)算公式為：

式中，T1，T2為持續(xù)時(shí)間；W1，W2為加速度譜密度，單位為g2/Hz；對于航空電子裝備推薦的指數(shù)m取4。

若振動(dòng)持續(xù)時(shí)間縮短為原來的1/10，則：

加速后振動(dòng)量值應(yīng)擴(kuò)大為1.778 3倍，持續(xù)時(shí)間為30 min。

加速后的隨機(jī)振動(dòng)譜型不變，功率譜量值如表2所示。加速度功率譜密度控制容差不得超過±3 dB。

表2 加速后的振動(dòng)量值Tab.2 The vibration value after acceleration

試驗(yàn)剖面溫度循環(huán)70 ℃～-55 ℃的降溫速率為5 ℃/min，降溫時(shí)間為25 min，振動(dòng)時(shí)間由300 min壓縮為30 min，溫度保持時(shí)間縮短為5 min。

把持續(xù)時(shí)間為7 min的27 ℃溫度段、持續(xù)時(shí)間93 min的13 ℃溫度段，按Arrhenius模型折合到50 ℃持續(xù)時(shí)間分別為1.1，3.6 min，因此取持續(xù)時(shí)間為5 min的溫度值為50 ℃。計(jì)算過程如下：

① 高溫工作加速模型選用Arrhenius模型，激活能取0.7 eV，27 ℃時(shí)間段和13 ℃時(shí)間段折合工作50 ℃下持續(xù)時(shí)間為5 min。

② 低溫段主要考核裝備的環(huán)境適應(yīng)性，對產(chǎn)品老化影響較小，為簡化試驗(yàn)程序，低溫段取-45 ℃，持續(xù)時(shí)間5 min。

③ 溫度循環(huán)的次數(shù)保持不變，仍為53個(gè)，則總的持續(xù)時(shí)間為53×3 h=159 h。

天線可靠性加速試驗(yàn)剖面如圖5所示。

圖5 天線可靠性加速試驗(yàn)剖面Fig.5 The Reliability acceleration test profile of antenna

5 結(jié)束語

針對小子樣可靠性加速試驗(yàn)，提出了加速試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)流程，給出了加速因子的計(jì)算方法，通過某型機(jī)載衛(wèi)通天線試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用表明：可靠性加速試驗(yàn)方法，在不改變失效機(jī)理的情況下可以明顯縮短試驗(yàn)時(shí)間，降低試驗(yàn)成本，可在工程實(shí)踐中進(jìn)行推廣。