電子設(shè)備可靠性加速試驗(yàn)方法的研究與應(yīng)用

陳中青，朱宜生，王超，王一飛，劉玉石

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，揚(yáng)州 225001 2.中國(guó)船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測(cè)中心，揚(yáng)州 225001）

引言

目前驗(yàn)證電子設(shè)備可靠性指標(biāo)的方式主要有基于GJB 899A的常規(guī)可靠性試驗(yàn)、可靠性評(píng)估和加速可靠性試驗(yàn)等。其中，基于GJB 899A的常規(guī)可靠性試驗(yàn)適用于可靠性指標(biāo)相對(duì)不高的電子設(shè)備。一般根據(jù)電子設(shè)備相關(guān)技術(shù)文件的規(guī)定，通過(guò)選取合適的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方案，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下施加極限應(yīng)力進(jìn)行考核驗(yàn)證，其特點(diǎn)是試驗(yàn)周期相對(duì)較長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用較高。可靠性評(píng)估一般通過(guò)收集設(shè)備某個(gè)階段的實(shí)際使用數(shù)據(jù)或各個(gè)分設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，定量評(píng)估其可靠性指標(biāo)。由于系統(tǒng)級(jí)電子設(shè)備組成龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室不具備系統(tǒng)級(jí)可靠性試驗(yàn)的能力，一般采用可靠性評(píng)估的方式進(jìn)行驗(yàn)證。因此，可靠性評(píng)估適用于系統(tǒng)級(jí)的電子設(shè)備?？煽啃约铀僭囼?yàn)是基于電子設(shè)備的故障物理分析結(jié)果，以確定電子設(shè)備的加速試驗(yàn)條件和加速因子，通過(guò)對(duì)電子設(shè)備施加高于正常水平的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)在較短的時(shí)間內(nèi)快速評(píng)估電子設(shè)備可靠性水平的試驗(yàn)方法[1]?？煽啃约铀僭囼?yàn)解決了常規(guī)可靠性試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、效率低及費(fèi)用高等問(wèn)題[2]，適用于高可靠性（通常指標(biāo)在5 000 h以上）、長(zhǎng)壽命的電子設(shè)備。

隨著科技的快速發(fā)展和進(jìn)步，武器裝備的研制周期越來(lái)越短、更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快。尤其是在武器系統(tǒng)中起重要作用的電子設(shè)備，其逐漸向小型化、數(shù)字化和集成化的方向發(fā)展，同時(shí)隨著工藝和技術(shù)水平的進(jìn)步，許多電子設(shè)備的可靠性指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了數(shù)千甚至上萬(wàn)小時(shí)以上。電子設(shè)備可靠性水平的大幅提升，使得常規(guī)的可靠性試驗(yàn)方法難以滿足高可靠性電子設(shè)備指標(biāo)驗(yàn)證的需求[3]。為快速評(píng)價(jià)電子設(shè)備的可靠性水平，采用可靠性加速試驗(yàn)的方式成為研制方的不二選擇。

1 可靠性加速試驗(yàn)

電子設(shè)備的可靠性水平主要受溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、電應(yīng)力等各種環(huán)境因素的影響。20世紀(jì)90年代，美國(guó)軍方對(duì)某基地電子產(chǎn)品故障進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)果表明在環(huán)境因素引起的損壞失效或故障產(chǎn)品中，由溫濕度引起的占60 %，振動(dòng)因素引起的占27 %[4]。由此可見(jiàn)，溫濕度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力是引起電子產(chǎn)品失效的主要環(huán)境因素。

可靠性加速試驗(yàn)一般分為以下幾個(gè)實(shí)施階段：故障物理分析、確定試驗(yàn)條件、試驗(yàn)實(shí)施和可靠性評(píng)估。

1.1 故障物理分析

可靠性加速試驗(yàn)是圍繞電子設(shè)備的故障模式與故障機(jī)理進(jìn)行的，進(jìn)行加速試驗(yàn)的前提是：設(shè)備在短時(shí)間的加速應(yīng)力條件下暴露出來(lái)的故障模式和故障機(jī)理，應(yīng)與長(zhǎng)時(shí)間使用環(huán)境下的故障模式和故障機(jī)理相一致。否則，通過(guò)加速試驗(yàn)獲得結(jié)果不能真實(shí)反映電子設(shè)備的可靠性水平。

故障物理分析的目的是為了分析電子設(shè)備在其壽命周期環(huán)境條件下可能發(fā)生的故障位置、故障機(jī)理和故障模式。電子設(shè)備的壽命周期環(huán)境條件是指：電子設(shè)備在預(yù)期的任務(wù)剖面和環(huán)境剖面下，其可能承受的環(huán)境載荷（如溫度、溫度循環(huán)、振動(dòng)、相對(duì)濕度等）和工作載荷（如電壓、電流等）。

故障物理分析的主要方法有以下三個(gè)：

1）采用有限元建模與仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行分析計(jì)算，簡(jiǎn)稱(chēng)仿真試驗(yàn)或仿真分析；

2）利用相似產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷，簡(jiǎn)稱(chēng)相似產(chǎn)品法；

3）設(shè)計(jì)小型試驗(yàn)進(jìn)行分析。

其中，可靠性仿真試驗(yàn)是故障物理分析最有效的手段之一。仿真試驗(yàn)以電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料屬性、器件類(lèi)型、互聯(lián)等信息作為輸入，建立起電子產(chǎn)品的仿真模型，通過(guò)對(duì)該仿真模型施加各種模擬的環(huán)境條件和載荷，從而得出電子產(chǎn)品中各種故障可能發(fā)生的時(shí)間和模式。

1.2 加速試驗(yàn)應(yīng)力的確定

加速試驗(yàn)應(yīng)力的選取一般需遵循以下原則：

1）加速試驗(yàn)應(yīng)力的類(lèi)型應(yīng)基于電子設(shè)備主要的故障模式和故障機(jī)理，即影響電子設(shè)備失效的主要因素；

2）加速試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)足夠大，才能達(dá)到縮短試驗(yàn)時(shí)間，快速評(píng)價(jià)電子設(shè)備可靠性水平的目的。但是，加速試驗(yàn)應(yīng)力不是無(wú)限加大，需要在設(shè)備極限工作應(yīng)力范圍內(nèi)，否則發(fā)生的故障模式和故障機(jī)理與設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間使用的故障模式和故障機(jī)理不一致，達(dá)不到加速試驗(yàn)的目的；

3）加速試驗(yàn)中應(yīng)對(duì)電子設(shè)備的功能性能進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 加速試驗(yàn)的實(shí)施

針對(duì)電子設(shè)備，一般是采用整機(jī)加速的方式。首先按照GJB 899A-2009的規(guī)定選取統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，確定試驗(yàn)時(shí)間。然后選取影響電子設(shè)備失效主要環(huán)境因素，如溫度、濕度、振動(dòng)和電應(yīng)力。根據(jù)電子設(shè)備的各個(gè)環(huán)境因素的極限應(yīng)力，制定加速試驗(yàn)剖面，確定加速因子。最后根據(jù)試驗(yàn)時(shí)間和加速因子計(jì)算出可靠性加速試驗(yàn)時(shí)間和循環(huán)數(shù)。

1.4 評(píng)估設(shè)備的可靠性水平

針對(duì)電子設(shè)備，一般是采用整機(jī)加速的方式。首先按照GJB 899A-2009的規(guī)定選取統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，確定試驗(yàn)時(shí)間。然后選取影響電子設(shè)備失效主要環(huán)境因素，如溫度、濕度、振動(dòng)和電應(yīng)力。根據(jù)電子設(shè)備的各個(gè)環(huán)境因素的極限應(yīng)力，制定加速試驗(yàn)剖面，確定加速因子。最后根據(jù)常規(guī)可靠性試驗(yàn)時(shí)間和加速因子計(jì)算出可靠性加速試驗(yàn)的有效時(shí)間和循環(huán)數(shù)。

2 可靠性加速模型

加速模型是加速試驗(yàn)方案制定和試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的依據(jù)[5]。單一應(yīng)力下的加速模型成熟度較高，如阿倫尼斯模型為表征溫度加速的模型，逆冪率模型表征動(dòng)態(tài)應(yīng)力（如沖擊、振動(dòng)）或氣候應(yīng)力（如溫度變化、濕度、太陽(yáng)輻射等）加速的模型[6]。由于在綜合環(huán)境下，多種應(yīng)力相互疊加耦合，電子設(shè)備的失效機(jī)理和失效模式較為復(fù)雜，確立其加速應(yīng)力與正常應(yīng)力下的關(guān)系存在一定的難度[7]。

目前，多種環(huán)境應(yīng)力下的加速模型主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是各種加速應(yīng)力單獨(dú)作用，忽略其相互之間的耦合作用，其代表為Peck模型；另一類(lèi)是各種加速應(yīng)力之間具有一定的相互耦合作用，其代表是廣義艾琳模型[8]。

3 某型艦船電子設(shè)備可靠性加速試驗(yàn)案例

本文以某型艦船電子設(shè)備為研究對(duì)象，采用可靠性加速的方式對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。由于該型電子設(shè)備受多種環(huán)境應(yīng)力影響，且各種應(yīng)力間相互耦合，故確定本次的加速模型為廣義艾琳模型。

3.1 確定試驗(yàn)方案及試驗(yàn)時(shí)間

研制要求規(guī)定該型艦船電子設(shè)備的MTBF最低可接受值≥5 000 h，選擇GJB 899A-2009中的高風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案21，具體參數(shù)如表1所示。

按照21號(hào)統(tǒng)計(jì)方案，總試驗(yàn)時(shí)間為5 000×1.1=5 500 h。由此可見(jiàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用高，對(duì)項(xiàng)目研制進(jìn)度影響非常大。綜合考慮費(fèi)效比、工程研制進(jìn)度等因素，擬采用GB/T 34986-2017《產(chǎn)品加速試驗(yàn)方法》附錄B中推薦的B.3整機(jī)加速可靠性試驗(yàn)方案驗(yàn)證其可靠性指標(biāo)[9]。

表1 試驗(yàn)方案參數(shù)

3.2 確定試驗(yàn)應(yīng)力

該型電子設(shè)備可靠性安裝在艦船有溫控艙室內(nèi)，影響其可靠性的環(huán)境因素主要有溫度、濕度、振動(dòng)和電應(yīng)力[10]。因此，可靠性加速試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)包含上述四種應(yīng)力。

經(jīng)分析，溫度循環(huán)為引起該型電子設(shè)備耗損型故障的主因、振動(dòng)應(yīng)力是引起疲勞失效的主因，且兩者均存在充裕的加速空間[11]。因此，本次可靠性加速試驗(yàn)擬通過(guò)加嚴(yán)溫度循環(huán)應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力，以達(dá)到縮短試驗(yàn)時(shí)間、降低試驗(yàn)費(fèi)用和快速評(píng)估該型電子設(shè)備可靠性水平的目的。濕度應(yīng)力按照GJB 899A-2009中艦船艙內(nèi)有溫控設(shè)備的濕度剖面進(jìn)行施加，電應(yīng)力按照研制要求規(guī)定的電壓變化范圍進(jìn)行施加。

3.3 確定加速因子

1）溫度循環(huán)加速因子

本文溫度循環(huán)加速因子的計(jì)算方法參考GB/T 34986-2017《產(chǎn)品加速試驗(yàn)方法》附錄B.4.2中熱循環(huán)的計(jì)算公式，具體如下：

式中：

NUse—常規(guī)可靠性試驗(yàn)根據(jù)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案確定的循環(huán)數(shù)；

NTest—采用加速試驗(yàn)后的循環(huán)數(shù)；

ΔTUse—常規(guī)可靠性試驗(yàn)上下限工作溫度的溫度差，單位℃；

ΔTTTest—加速試驗(yàn)上下限工作溫度的溫度差，單位℃；

ζUse—常規(guī)可靠性試驗(yàn)的溫變率，單位℃/min；

ζTest—加速試驗(yàn)的溫變率，單位℃/min；

m— 一般取2.5。

該型電子設(shè)備在常規(guī)可靠性試驗(yàn)中的最大溫差為60 ℃（-10 ℃～50 ℃）；加速前，原溫變速率為0.2 ℃ /min。

綜合考慮選用元器件的極限工作溫度范圍，對(duì)該型電子設(shè)備的工作溫度上下限分別進(jìn)行外擴(kuò)，外擴(kuò)后溫度循環(huán)的加速應(yīng)力如下：

上下限最大溫差為80 ℃（上限工作溫度Tmax=60 ℃，下限工作溫度Tmin=-20 ℃）；同時(shí)溫度變化速率由0.2 ℃ /min 提高到 1 ℃ /min。

經(jīng)計(jì)算，ATC＝5.537。

2）振動(dòng)加速因子

為縮短試驗(yàn)中振動(dòng)施加的時(shí)間，根據(jù)GJB 150.16A-2009《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)》附錄B.2.2中的規(guī)定，在保持振動(dòng)頻率和譜型不變的基礎(chǔ)上，可通過(guò)增加振動(dòng)量級(jí)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[11-14]。

戰(zhàn)斗損傷頻譜：

運(yùn)輸隨機(jī)頻譜：

式中：

tUse—常規(guī)可靠性振動(dòng)應(yīng)力的施加時(shí)間，單位h；

tTest—可靠性加速試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力的施加時(shí)間，單位h；

gUse—常規(guī)可靠性中戰(zhàn)斗損傷頻譜振動(dòng)量值（峰值加速度），g；

雪景不只是文人的喜好，還是畫(huà)家鐘情的題材。知山水而知中國(guó)，畫(huà)中國(guó)山水才是實(shí)實(shí)在在的“一個(gè)人的浪漫”，每一幅都是畫(huà)家獨(dú)有的“美的沉思”。

gTest—可靠性加速試驗(yàn)戰(zhàn)斗損傷頻譜振動(dòng)量值（峰值加速度），g；

WUse—常規(guī)可靠性中運(yùn)輸隨機(jī)頻譜振動(dòng)量值，m/s2（r.m.s）；

WTest—可靠性加速試驗(yàn)運(yùn)輸隨機(jī)頻譜振動(dòng)量值，m/s2（r.m.s）；

W1取 4；W2取 6。

按照GJB 150.16A-2009的規(guī)定，優(yōu)先采用實(shí)測(cè)應(yīng)力，無(wú)實(shí)測(cè)應(yīng)力時(shí)應(yīng)選擇參考應(yīng)力或標(biāo)準(zhǔn)中的推薦應(yīng)力[12,13]。鑒于該型電子設(shè)備無(wú)實(shí)測(cè)應(yīng)力，振動(dòng)應(yīng)力選取GJB 899A-2009中規(guī)定的應(yīng)力曲線，gUse=7.5 m/s2，WUse=10 m/s2（r.m.s）。

結(jié)合該型電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裕度和耐振強(qiáng)度，本次加速試驗(yàn)gTest取 9.8 m/s2，WTest取 14.93 m/s2（r.m.s）。

3）整機(jī)加速因子

振動(dòng)應(yīng)力和熱循環(huán)會(huì)激發(fā)相同的失效模式[9]，因此整機(jī)加速因子為：

式中：

Ns—加速的應(yīng)力種類(lèi)數(shù)量，取2。

經(jīng)計(jì)算，A整機(jī)＝5.537×4.97/2=13.76。

3.4 加速試驗(yàn)時(shí)間及試驗(yàn)剖面

綜上所述，可靠性加速試驗(yàn)時(shí)間T=5 500/13.76=399.71 h，按照?qǐng)D1中的剖面需要進(jìn)行不少于16.7個(gè)循環(huán)?？煽啃约铀僭囼?yàn)剖面如圖1所示。

3.5 可靠性水平的評(píng)估

該型電子設(shè)備共進(jìn)行了17個(gè)循環(huán)408 h的加速試驗(yàn)，等效可靠性試驗(yàn)時(shí)間為5 614.08 h。經(jīng)計(jì)算，在66.7 %置信度下其MTBF的單邊置信下限為5 110.16 h，滿足MTBF最低可接受值不低于5 000 h的要求。

圖1 可靠性加速試驗(yàn)剖面

4 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)案例可以看，對(duì)于高可靠性指標(biāo)的設(shè)備采用可靠性加速試驗(yàn)的方式，不僅可以大大縮短試驗(yàn)周期、降低試驗(yàn)成本，而且可以在較短的時(shí)間內(nèi)快速評(píng)價(jià)出設(shè)備的可靠性水平。

本文結(jié)合案例給出了溫度循環(huán)和振動(dòng)加速因子的計(jì)算方法，希望可以為高可靠性指標(biāo)電子設(shè)備的驗(yàn)證提供新的解決方式。