可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在高可靠產(chǎn)品中的應(yīng)用探討

李勁，時(shí)鐘

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

1 引言

技術(shù)的發(fā)展使機(jī)載設(shè)備的功能越來越全面，隨之而來的是其要求的提高：大量新技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)致系統(tǒng)更為復(fù)雜和集成度更高；超音速巡航、高機(jī)動(dòng)能力導(dǎo)致其組成單元所處的環(huán)境條件更加惡劣；多任務(wù)平臺(tái)能力導(dǎo)致其所經(jīng)受的環(huán)境特征具有多樣性。系統(tǒng)的高可靠要求，導(dǎo)致各組成單元的基本可靠性要求非常高。

傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)技術(shù)追求的是在模擬的環(huán)境條件下，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在缺陷，對(duì)產(chǎn)品采取糾正措施，提高和觀測(cè)產(chǎn)品的可靠性水平，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)原理評(píng)估產(chǎn)品的可靠性水平，故其試驗(yàn)時(shí)間將會(huì)很長。此外，完全真實(shí)地模擬產(chǎn)品的使用環(huán)境往往存在諸多困難，以至于在實(shí)際工程中難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與產(chǎn)品的實(shí)際使用情況不相符。傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)技術(shù)所得到的試驗(yàn)結(jié)果只能用于本次試驗(yàn)所使用的環(huán)境條件，換句話說，同樣的產(chǎn)品，利用某一平臺(tái)環(huán)境進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)，其結(jié)果僅適用于這一平臺(tái)；而對(duì)于其它平臺(tái)，如果環(huán)境條件稍有改變，則這一試驗(yàn)結(jié)果將不適用；由于機(jī)載設(shè)備面臨使用平臺(tái)復(fù)雜的特點(diǎn)，在研制過程中，傳統(tǒng)的模擬試驗(yàn)需對(duì)多平臺(tái)進(jìn)行模擬，故其試驗(yàn)時(shí)間將會(huì)更長，試驗(yàn)效率也不高。由于采用了基本環(huán)境真實(shí)性模擬的試驗(yàn)方法，傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)存在周期長、效率低、耗費(fèi)大的缺點(diǎn)。

因此，對(duì)于高可靠要求的機(jī)載設(shè)備，應(yīng)用傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)方法，將會(huì)面臨試驗(yàn)效率低、暴露問題試驗(yàn)時(shí)間長和不徹底的問題，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長，影響研制進(jìn)度和增加了研制費(fèi)用。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)不考慮或僅宏觀地考慮產(chǎn)品應(yīng)用的平臺(tái)環(huán)境，目的是盡快激發(fā)現(xiàn)場(chǎng)可能存在的隱患和尋找極限應(yīng)力，健壯產(chǎn)品設(shè)計(jì)。它采取強(qiáng)化環(huán)境條件，激發(fā)效率高，能快速地激發(fā)出產(chǎn)品的潛在缺陷，消除隱患，加固薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品的使用質(zhì)量和可靠性，加快產(chǎn)品研制和交付的周期，因此，這是一種解決高可靠機(jī)載產(chǎn)品的試驗(yàn)與經(jīng)費(fèi)進(jìn)度之間的矛盾的有效方法。

2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)概述

2.1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的應(yīng)用情況

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是近年來迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)可靠性試驗(yàn)技術(shù),其理論依據(jù)是故障物理學(xué)。與傳統(tǒng)的環(huán)境模擬可靠性試驗(yàn)截然不同,可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)把故障或失效作為研究對(duì)象，通過采用人為施加步進(jìn)環(huán)境應(yīng)力的方法,加速激發(fā)產(chǎn)品潛在的缺陷來達(dá)到提高可靠性的目的?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)具有試驗(yàn)周期短、費(fèi)用低、暴露的問題多與外場(chǎng)使用有關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)90年代，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)在國外已得到逐步的推廣和應(yīng)用。例如：HALT/HASS（高加速壽命試驗(yàn)/高加速應(yīng)力篩選）。在90年代末，就相繼在通訊、電子、電腦、能源和汽車等工業(yè)部門的零件上推廣應(yīng)用，都無一例外地取得了很大的成功，如有名的福特汽車和惠普公司就是使用這一技術(shù)獲得產(chǎn)品的高可靠性和快速更新?lián)Q代的。在軍工、航空、航天方面的應(yīng)用要晚一些，近幾年來應(yīng)用越來越多，發(fā)展也很快，其中最著名的就是波音公司于1994年在波音777飛機(jī)電子設(shè)備上的應(yīng)用獲得成功，一方面縮短了研制周期，另一方面有力地保證了波音777的可靠性水平。軍事上，美國國防部在“美國空軍2025”中提出，可靠性試驗(yàn)要提高試驗(yàn)的效率，減少無用的試驗(yàn)時(shí)間。其中，縮短暴露故障的時(shí)間是其主要的目標(biāo)。美軍可靠性與環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)已從過去的模擬產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境的模擬試驗(yàn)，到采用施加極限環(huán)境應(yīng)力，快速激發(fā)并剔除產(chǎn)品潛在缺陷的加速可靠性試驗(yàn)，以提高產(chǎn)品的健壯性和加快產(chǎn)品成熟期，縮短驗(yàn)證試驗(yàn)和可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)的時(shí)間。由此可見，在國外一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家特別是美國，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)已經(jīng)被機(jī)電產(chǎn)品制造廠家廣泛接受，并加以普遍的應(yīng)用。

在國內(nèi)，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)剛起步，雖然對(duì)試驗(yàn)機(jī)理、試驗(yàn)方案的制定方法的研究已經(jīng)取得了初步的成果，但是缺乏制定試驗(yàn)方案的應(yīng)用指南類的研究，這一直是制約可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)在國內(nèi)廣泛開展的主要因素。

2.2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的應(yīng)用原理

可靠性工程研究的是產(chǎn)品故障的發(fā)生、發(fā)展及其預(yù)防的規(guī)律，通過設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)等手段，防止、控制故障的發(fā)生和發(fā)展，提高產(chǎn)品的固有可靠性水平?；旧?，產(chǎn)品是由許多機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子組件所組成的，當(dāng)某一組件的強(qiáng)度不足以抵抗所遭遇的環(huán)境所產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，就會(huì)由于不耐環(huán)境或不可靠而失效。但是產(chǎn)品在生產(chǎn)及使用過程中，所遭遇的環(huán)境應(yīng)力種類繁多，如振動(dòng)、沖擊、溫度及濕度，且施加的應(yīng)力大小不一，故所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)形成一個(gè)分布，如圖1所示的左側(cè)分布；而產(chǎn)品各組件的強(qiáng)度也是各不相同，故強(qiáng)度也是一個(gè)分布，如圖1所示的右側(cè)分布。當(dāng)產(chǎn)品強(qiáng)度較弱的左側(cè)，碰到環(huán)境應(yīng)力較強(qiáng)的右側(cè)，即強(qiáng)度低于環(huán)境應(yīng)力，如圖1所示的斜線黑影的不可靠區(qū)域，就有發(fā)生失效的可能性。當(dāng)然，當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)過健壯設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程強(qiáng)化后，使其強(qiáng)度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所經(jīng)受的應(yīng)力；但隨著使用時(shí)間的推移，產(chǎn)品強(qiáng)度又會(huì)逐漸退化而降低(應(yīng)力分布不變)，如圖2所示，使得強(qiáng)度較弱分布漸漸被應(yīng)力較強(qiáng)分布所涵蓋，進(jìn)而提高失效的可能性。

圖1 應(yīng)力與強(qiáng)度分布示意圖

圖2 強(qiáng)度-應(yīng)力分布與失效時(shí)間模式的關(guān)系示意圖

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種階梯應(yīng)力程序，其目的是利用高環(huán)境應(yīng)力，提早將產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷激發(fā)出來，從而消除設(shè)計(jì)缺陷，以獲得產(chǎn)品寬的工作極限裕度及破壞極限界線，大大提高設(shè)計(jì)可靠性，確保產(chǎn)品能獲得早期高可靠性，使產(chǎn)品具有高的外場(chǎng)可靠性，如圖3、4所示。

圖3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)前

圖4 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)后

3 機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)案例

本文嘗試采用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的方法對(duì)某慣導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn),以暴露該產(chǎn)品的典型故障模式，通過與外場(chǎng)故障模式進(jìn)行比較,分析其失效機(jī)理,從而為改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品的固有可靠性提供了依據(jù)。

某慣導(dǎo)產(chǎn)品主要由電子部件和臺(tái)體組成，而臺(tái)體包含有陀螺等精密光機(jī)電元件，耐環(huán)境能力較差，是整系統(tǒng)的短板。若直接以系統(tǒng)進(jìn)行可靠性強(qiáng)化，則無法充分利用強(qiáng)化的環(huán)境應(yīng)力來充分暴露電子部件（主要為電路板）的缺陷，經(jīng)對(duì)外場(chǎng)故障模式進(jìn)行分析，故障主要集中于電子部件部分，故可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案主要對(duì)電子部件進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（臺(tái)體置于試驗(yàn)箱外作為配試），利用極嚴(yán)酷的應(yīng)力來充分暴露電子部件的缺陷，故采取兩步走的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案：

1）首先進(jìn)行電子部件的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（臺(tái)體置于試驗(yàn)箱外作為配試），利用極嚴(yán)酷的應(yīng)力來充分暴露電子部件的缺陷；

2）然后進(jìn)行整系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（主要觀察臺(tái)體部分的耐環(huán)境能力，及整系統(tǒng)在嚴(yán)酷條件下的表現(xiàn)）。

試驗(yàn)方案流程包括：低溫步進(jìn)測(cè)試、高溫步進(jìn)測(cè)試、快速溫度循環(huán)測(cè)試、振動(dòng)步進(jìn)測(cè)試和綜合應(yīng)力循環(huán)測(cè)試，如圖5所示，各階段試驗(yàn)間的關(guān)系如圖6所示。

圖5 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案流程

圖6 各階段試驗(yàn)關(guān)系

3.1 試驗(yàn)的實(shí)施

在進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)之前，首先進(jìn)行各電路板和整系統(tǒng)的熱分布分析（包括使用紅外熱像儀和溫度巡檢儀等手段），了解各單板的熱點(diǎn)情況和整系統(tǒng)的熱分布升溫情況，為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)溫度傳感器的布置提供參考；然后在低振動(dòng)量級(jí)的情況下對(duì)受試系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)方面的調(diào)查，初步了解系統(tǒng)的共振點(diǎn)和應(yīng)力積累點(diǎn)，為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)振動(dòng)傳感器的布置提供參考。

為突出試驗(yàn)中溫度響應(yīng)效果，溫度試驗(yàn)階段采用鏤空機(jī)箱進(jìn)行，試驗(yàn)中根據(jù)溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果在9塊SRU電路板上共布溫度傳感器27個(gè)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，在進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)時(shí)，一個(gè)產(chǎn)品中不同的部件一般會(huì)在不同的應(yīng)力強(qiáng)度下出現(xiàn)失效，因此，為了最大限度地發(fā)揮可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的效果并進(jìn)行更深層次的試驗(yàn)，隔離相對(duì)較脆弱的部件，使其工作在正常的應(yīng)力范圍之內(nèi)是非常必要的。因此，在溫度試驗(yàn)設(shè)置了4路故障薄弱點(diǎn)保護(hù)氮?dú)夤苈罚▓D6中的藍(lán)色管）。試驗(yàn)連接情況見圖7，試驗(yàn)各階段試驗(yàn)剖面如圖8～12所示。

圖7 電子部件試驗(yàn)安裝照片

圖8 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

圖9 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

圖10 快速溫度循環(huán)試驗(yàn)剖面

圖11 振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)剖面

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

溫度步進(jìn)試驗(yàn)階段后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品最薄弱環(huán)節(jié)為其中的“衛(wèi)星接收機(jī)板”，帶“衛(wèi)星接收機(jī)板”的系統(tǒng)工作極限值分別為低溫工作極限-55℃、高溫工作極限101℃；“衛(wèi)星接收機(jī)板”撤出試驗(yàn)后，系統(tǒng)工作極限值分別為低溫工作極限-85℃、高溫工作極限120℃。本階段試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)原因?qū)е碌漠a(chǎn)品失效，出現(xiàn)的失效主要為器件的耐環(huán)境應(yīng)力不足導(dǎo)致的暫時(shí)失效。

圖12 溫度振動(dòng)綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面

快速溫度循環(huán)階段未發(fā)生故障。

振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)采用三軸六自由度振動(dòng)方式，過程中出現(xiàn)了母板某接插頭因雜質(zhì)引起短路導(dǎo)致的系統(tǒng)失效，清除雜質(zhì)后振動(dòng)至50G未發(fā)生故障。

在溫度振動(dòng)綜合應(yīng)力試驗(yàn)階段，多次出現(xiàn)由于電路板故障導(dǎo)致的產(chǎn)品失效，經(jīng)分析定位，均為電路板上FPGA芯片故障導(dǎo)致。

試驗(yàn)后，對(duì)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效進(jìn)行了故障定位及失效分析。

a）衛(wèi)星接收機(jī)板的薄弱點(diǎn)為晶振的耐環(huán)境應(yīng)力不足。

b）插頭因雜質(zhì)引起短路導(dǎo)致的失效及時(shí)反饋至生產(chǎn)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)過程監(jiān)控，避免該類現(xiàn)象的再次發(fā)生。

c）多塊電路板的故障均為該板上的FPGA芯片管腳斷所致（如圖13所示），經(jīng)分析是由于設(shè)計(jì)電路時(shí)設(shè)計(jì)師疏忽，將該FPGA芯片的正反面對(duì)調(diào)，導(dǎo)致生產(chǎn)時(shí)該FPGA芯片無法按正常安裝方式安裝，必須使其管腳彎曲，將FPGA芯片倒置安裝于電路板上，在部分管腳彎曲時(shí)留有劃痕，為產(chǎn)品留有失效隱患（見圖14所示）。由于劃痕較輕，在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)前的環(huán)境應(yīng)力篩選及傳統(tǒng)可靠性摸底試驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)該缺陷。

圖12 故障FPGA芯片管腳斷裂

圖13 正常產(chǎn)品FPGA芯片管腳的劃痕

4 結(jié)束語

在某慣導(dǎo)產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中,通過對(duì)受試樣品施加強(qiáng)化的環(huán)境應(yīng)力,促使其設(shè)計(jì)和制造缺陷迅速暴露，短時(shí)間內(nèi)暴露了電子部件的故障模式,并分析了其失效機(jī)理,確定了產(chǎn)品的工作極限。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法的應(yīng)用，對(duì)提高高可靠產(chǎn)品可靠性，加快研制進(jìn)度和減少研制費(fèi)用，提高電子設(shè)備效能有著重要作用，并將為我國高可靠產(chǎn)品的可靠性提高提供新的、可操作的試驗(yàn)手段。

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