基于元件降額設(shè)計的溫度步進強化試驗剖面設(shè)計

薛小鋒, 徐光鐸,*, 馮蘊雯, 劉佳奇, 高 濤, 郭世璽, 張 薇

(1. 西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2. 西安機電信息技術(shù)研究所, 陜西 西安 710065;3. 西安昆侖工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710043)

0 引 言

55%的電子產(chǎn)品的故障由溫度引起[1],良好的熱設(shè)計工作,對于提升電子產(chǎn)品整體可靠性水平起著至關(guān)重要的作用。溫度可靠性強化試驗是保障產(chǎn)品熱設(shè)計的重要手段,與傳統(tǒng)的可靠性試驗相比,對產(chǎn)品步進施加環(huán)境應(yīng)力,能在短期內(nèi)激發(fā)產(chǎn)品的缺陷,對熱設(shè)計進行修正和完善?？煽啃詮娀囼灥脑囼炂拭媸菍?yīng)力加載情況的時序描述,對于試驗的有效性與產(chǎn)品故障的激發(fā)具有重要影響[2]。

隨著航空航天、武器、機械裝備等系統(tǒng)電氣化、復(fù)雜化、智能化發(fā)展,工程領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)產(chǎn)品可靠性的要求不斷提高,為盡早暴露產(chǎn)品的設(shè)計缺陷,確定工作極限和破壞極限,提升產(chǎn)品固有可靠性,亟需系統(tǒng)性開展強化試驗研究。高加速壽命試驗又稱可靠性強化試驗。近年來,圍繞這一熱點問題,國內(nèi)外研究人員開展了諸多研究[3-7]。

隨著試驗的關(guān)鍵技術(shù),如可靠性強化試驗分析與評估、試驗的支撐設(shè)備與控制等的發(fā)展成熟,傳統(tǒng)的剖面設(shè)計方法針對性弱,導(dǎo)致在對彈類電子產(chǎn)品進行試驗時,試驗效率低,并需要多次迭代與檢測,試驗剖面的設(shè)計技術(shù)一直是可靠性強化試驗領(lǐng)域待解決的問題[8]?？煽啃詮娀囼炂拭姘ㄆ鹗紤?yīng)力、應(yīng)力步長、每步停留時間等要素,步長是決定試驗效率與成功率的關(guān)鍵要素。

目前,針對可靠性強化試驗剖面設(shè)計技術(shù)的研究較少,多位國內(nèi)外學(xué)者[9-18]對不同產(chǎn)品進行了可靠性強化試驗剖面設(shè)計,且多數(shù)延用了QualMark公司的早期試驗指南,并未考慮產(chǎn)品多樣性可能造成的影響。在其他可靠性試驗領(lǐng)域,如加速壽命試驗,多位研究人員通過優(yōu)化應(yīng)力水平提高試驗效率,改善試驗結(jié)果精度[19-24]。

可靠性強化試驗的步長劃分有傳統(tǒng)方法與均分法兩種,傳統(tǒng)方法為參考了QualMark公司試驗指南的變步長法,在產(chǎn)品規(guī)范極限前采用盡可能大的步長,在應(yīng)力超過規(guī)范極限后失效可能急劇增加時,降低步長以達到更精確的激發(fā)故障的目的。但是,由于規(guī)范極限到工作極限間存在工作裕度,易導(dǎo)致試驗效率過低。均分法參考同類型產(chǎn)品的破壞極限,將其作為破壞極限估值,將估值與起始應(yīng)力的差值均分10次得到每步步長[25]。該方法的優(yōu)點在于將步長均分,各量級大小相同,產(chǎn)品發(fā)生破壞的形式一致,但在試驗激發(fā)工作極限時可能需要多次迭代,導(dǎo)致試驗成本過高。

針對可靠性強化試驗剖面確定技術(shù),本文提出基于元器件降額的步長設(shè)計方法(step design method based on component derating, CD-SDM),利用可靠性框圖建立彈類電子產(chǎn)品系統(tǒng)與內(nèi)部元器件之間的故障邏輯,將元器件的最高允許結(jié)溫Tjm與降額后的最高允許結(jié)溫Tjm1作為產(chǎn)品的故障判據(jù),結(jié)合穩(wěn)態(tài)熱仿真分析,得到產(chǎn)品的工作極限與破壞極限估值,進行步長劃分,減少在工作裕度內(nèi)的步進次數(shù),提高試驗效率,減少試驗成本。在CD-SDM方法基礎(chǔ)上,利用瞬態(tài)熱仿真分析、熱穩(wěn)定判據(jù)以及產(chǎn)品任務(wù)剖面等形成溫度強化試驗剖面設(shè)計框架,開展案例驗證,利用摸底試驗驗證計算方法的正確性,并采用傳統(tǒng)步長劃分方法與均分法對比CD-SDM方法,評價試驗效率、試驗成本的優(yōu)化效果。

1 CD-SDM方法

CD-SDM方法針對在高溫環(huán)境下失效原因為元器件溫度超標(biāo)的電子產(chǎn)品,其流程如圖1所示,主要包括以下4個步驟。

步驟 1通過失效模式影響與分析(failure mode and effect analysis, FMEA)與故障機理調(diào)研明確產(chǎn)品失效原因。

步驟 2利用產(chǎn)品可靠性框圖,建立儲備系統(tǒng)與非儲備系統(tǒng)從元器件到產(chǎn)品的失效邏輯。

步驟 3將失效邏輯結(jié)合元器件降額理論確定不同可靠性系統(tǒng)的產(chǎn)品工作極限與破壞極限估值判據(jù)。

步驟 4通過穩(wěn)態(tài)熱仿真得到產(chǎn)品的工作極限與破壞極限估值,最終得到剖面步長。

1.1 產(chǎn)品失效邏輯分析

當(dāng)產(chǎn)品各模塊間為串聯(lián)時,任一模塊失效時,產(chǎn)品功能失效,則產(chǎn)品的工作極限與破壞極限由溫度極限低且發(fā)熱較大的模塊決定。

儲備系統(tǒng)分為工作儲備系統(tǒng)和非工作儲備系統(tǒng),如圖2所示,該圖為彈類電子設(shè)備中的特定情況,在個別產(chǎn)品中會采用該類系統(tǒng),大多數(shù)情況下為串聯(lián)系統(tǒng)[26-28]。其中,工作儲備系統(tǒng)為k/3表決系統(tǒng),則產(chǎn)品的失效溫度應(yīng)與同時導(dǎo)致k個模塊失效的溫度一致;非工作儲備系統(tǒng)失效需要同時考慮B1與B2失效,若產(chǎn)品為長時間工作產(chǎn)品,B1失效后,B2溫度達到穩(wěn)定,產(chǎn)品的失效溫度應(yīng)與允許溫度最高的模塊在工作時失效的溫度一致;若產(chǎn)品為瞬時作用產(chǎn)品,產(chǎn)品的失效溫度應(yīng)與允許溫度最高的模塊在非工作時失效的溫度一致。

圖2 工作儲備系統(tǒng)可靠性框圖Fig.2 Block diagram of working reserve system reliability

對于某彈類電子產(chǎn)品,其單套電路方案如圖3所示,內(nèi)部各電路模塊為串聯(lián)關(guān)系。

圖3 單套電路方案Fig.3 Single circuit solution

由于彈類電子產(chǎn)品具有極長的貯存時間、極短的工作時間和一次性工作等特點,其電路具有獨特的可靠性特點[29],非冗余設(shè)計在全壽命周期內(nèi)的可靠度高于冗余方案,且對產(chǎn)品的小型化、低成本有著實質(zhì)性的改善。

1.2 元件降額設(shè)計

可靠性強化試驗的加速模型與元器件降額理論依據(jù)均為如下所示的Arrhenius模型:

(1)

式中:dM/dt為化學(xué)反應(yīng)速率;A為常數(shù);Ea為某種失效機構(gòu)的激活能;K為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度。其中,激活能Ea在溫度小于500 K時可視為常數(shù)。

以Arrhenius模型為基礎(chǔ)的元器件壽命θ與溫度T的關(guān)系式為

(2)

元器件在溫度為T1時的壽命為θ1,在溫度為T時的壽命為θ,則有

(3)

(4)

式中:ΔT=T-T1;β=(T1·Tln 2)/b;a=(ln ΔM)/A;b=E/k;β、a、b均為常數(shù),需通過試驗進行測量,當(dāng)a、b越大,產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)速率越快,受溫度影響也越嚴(yán)重,導(dǎo)致產(chǎn)品的工作極限與破壞極限與常溫越接近;β與b成反比,因此也與加速系數(shù)成反比,即β越大,加速系數(shù)越小,產(chǎn)品受溫度的影響越小,產(chǎn)品的工作極限與破壞極限越高。

采用元器件降額作為產(chǎn)品工作極限與破壞極限估值的判據(jù),降額后允許結(jié)溫Tjm1為溫度工作極限估值判據(jù)、最高允許結(jié)溫Tjm為溫度破壞極限估值判據(jù)。

需要指出的是,最高允許結(jié)溫Tjm為元器件廠商通過元器件溫度試驗得到,理論上講,溫度破壞極限估值應(yīng)與實際一致;降額后最大允許結(jié)溫Tjm1與元器件故障失效并無直接關(guān)系,產(chǎn)品工作應(yīng)力與溫度應(yīng)力等因素導(dǎo)致產(chǎn)品失效率過高。根據(jù)失效率對產(chǎn)品進行降額設(shè)計,可以延緩產(chǎn)品的物理變化,避免元器件失效。如混合集成電路,高溫對其影響較大,當(dāng)超過允許工作溫度時,芯片會出現(xiàn)參數(shù)漂移甚至燒毀[30]。當(dāng)元器件結(jié)溫超過Tjm1時,產(chǎn)品失效率過大,此時的產(chǎn)品工作溫度與產(chǎn)品工作極限接近,采用Tjm1與Tjm作為產(chǎn)品工作極限與破壞極限的估值判據(jù),以優(yōu)化試驗剖面。

1.3 CD-SDM步長劃分

按照QualMark公司的試驗指南,最大步長不應(yīng)超過10 ℃,起始應(yīng)力從產(chǎn)品環(huán)境溫度開始,利用產(chǎn)品規(guī)范極限與起始應(yīng)力進行劃分,規(guī)范極限前步長較大,規(guī)范極限后步長較小。設(shè)起始應(yīng)力為L1,規(guī)范極限為L2,起始應(yīng)力到規(guī)范極限步長為S1,規(guī)范極限后步長為S2,該方法可表示為

(5)

在產(chǎn)品規(guī)范極限與工作極限之間存在一定的工作裕度,如圖4所示,達到規(guī)范極限后經(jīng)過多次步進才能達到工作極限。利用降額設(shè)計與產(chǎn)品可靠性框圖對產(chǎn)品工作極限與破壞極限進行預(yù)估,通過估值進行步長劃分,以降低工作裕度對步長劃分的影響,工作極限與破壞極限預(yù)估后應(yīng)力與產(chǎn)品的失效關(guān)系如圖5所示。

圖4 可靠性強化試驗應(yīng)力量級圖Fig.4 Stress-level diagram of reliability enhancement test

圖5 工作極限與破壞極限預(yù)估值應(yīng)力量級圖Fig.5 Stress-level diagram of estimated values of working limit and failure limit

(6)

式中:n1與n2分別表示在步長劃分原則下(即最大步長不超過10 ℃)將差值平分的最小次數(shù)。

該方法參考了QualMark公司對于步長劃分的思想,采用了變步長的方式,并且國內(nèi)外多位學(xué)者進行可靠性強化試驗時均采用了變步長的方法[9-18]。QualMark公司在產(chǎn)品的規(guī)范極限的位置進行了步長的變動,而CD-SDM方法在產(chǎn)品的工作極限估值進行了步長的變動。本文對極限應(yīng)力的估值進行平分,并使步長在不超過10 ℃的前提下盡可能大,以達到既快又精確的目的。

2 溫度步進強化試驗剖面設(shè)計框架

通常的溫度步進強化試驗剖面由起始應(yīng)力、每步停留時間、步長等要素組成,目的是指導(dǎo)試驗的應(yīng)力加載以及應(yīng)力的停留時間,以便暴露故障并快速有效地進行試驗。本文利用CD-SDM方法在剖面中加入工作極限與破壞極限估值,以更好地預(yù)計產(chǎn)品發(fā)生故障的應(yīng)力量級,剖面設(shè)計框架如圖6所示。

首先,通過CD-SDM方法,結(jié)合有限元穩(wěn)態(tài)熱仿真得到產(chǎn)品的工作極限估值、破壞極限估值以及應(yīng)力步長,其中起始應(yīng)力通過產(chǎn)品的作用任務(wù)剖面得到。然后,通過瞬態(tài)熱仿真分析,結(jié)合應(yīng)力步長以及熱穩(wěn)定判據(jù)得到每步熱穩(wěn)定時間,將其與檢測時間相加,得到每步停留時間。

圖6 溫度步進強化試驗剖面設(shè)計框架Fig.6 Temperature stepping enhanced test profile design framework

剖面確定方法具體如下。

(1) 起始應(yīng)力:起始應(yīng)力為產(chǎn)品正常使用的環(huán)境溫度。

(2) 每步停留時間:停留時間為產(chǎn)品的溫度穩(wěn)定時間與檢測所需時間之和,熱穩(wěn)定時間依據(jù)GJB150.1A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第一部分:通用要求》中關(guān)于熱穩(wěn)定的定義,當(dāng)產(chǎn)品工作時,在其中具有最大溫度滯后效應(yīng)的功能部件的溫度變化率不大于2.0 ℃/h時,認為產(chǎn)品達到了工作時的溫度穩(wěn)定[31],故通過溫度滯后系數(shù)選取產(chǎn)品中溫度滯后系數(shù)最大的元器件的溫度變化率作為溫度穩(wěn)定判據(jù)。

溫度滯后系數(shù)公式為

(7)

式中:M為元器件質(zhì)量;C為元器件的比熱容;h為導(dǎo)熱系數(shù);s為元器件的有效面積。

熱流量為單位時間內(nèi)物體傳遞的熱量,表示為

Φ=AKΔT

(8)

式中:A為傳熱面積;K為傳熱系數(shù);ΔT為溫度差。

對于傳熱系數(shù)較低或體積較大的產(chǎn)品,熱穩(wěn)定時間也越長,采用較短的停留時間會導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部無法達到規(guī)定的應(yīng)力量級。

(3) 應(yīng)力步長:采用本文第1節(jié)所提CD-SDM方法對步長進行劃分。

(4) 工作極限估值:工作狀態(tài)下各元器件結(jié)溫與其降額后的最高允許結(jié)溫Tjm1對比,當(dāng)特定的元器件超過Tjm1后,認為元器件失效,產(chǎn)品功能失效,此時的溫度為產(chǎn)品的工作極限估值。

不同應(yīng)用具有不同的降額等級,最高降額等級為Ⅰ級,最低降額等級為Ⅲ級,如表1所示。按照最低降額等級,在元器件降額后最高允許結(jié)溫的基礎(chǔ)上加降額等級對應(yīng)的降額數(shù),得到元器件最高允許結(jié)溫。根據(jù)GJB-Z53-93-1994《元器件降額準(zhǔn)則》[32]附表可知,半導(dǎo)體器件Ⅲ級降額為20 ℃。

表1 不同應(yīng)用的降額等級

(5) 破壞極限估值:將工作狀態(tài)下各元器件結(jié)溫與最高允許結(jié)溫Tjm進行對比,特定元器件溫度超過Tjm后,認為元器件失效,導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效,此時的溫度為產(chǎn)品的破壞極限估值。

當(dāng)神經(jīng)元到達40個時的誤差如下:Fx方向最大誤差為2.27%,Fy方向最大誤差為1.85%,Fz方向最大誤差為1.83%,Mx方向最大誤差為1.14%,My方向最大誤差為0.62%,Mz方向最大誤差為1.73%,發(fā)現(xiàn)各個方向都在誤差允許范圍內(nèi)。

3 計算方法驗證

3.1 產(chǎn)品熱設(shè)計和工況分析

以某產(chǎn)品電子安全系統(tǒng)作為研究對象,首先通過FMEA與同類型產(chǎn)品的溫度步進強化試驗結(jié)果,明確了高溫與低溫導(dǎo)致該類型產(chǎn)品失效的根本原因為元器件溫度超標(biāo)或芯片超出結(jié)溫等[33]。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸如圖7所示,仿真前需確定其元器件功耗和額定溫度等參數(shù)。發(fā)熱元器件包括放大器芯片、模數(shù)(analog to digital converter, A/D)轉(zhuǎn)換器芯片、降壓芯片、升壓芯片、現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)芯片、電阻、二極管等,上述元器件均為發(fā)熱嚴(yán)重或負責(zé)主要功能的元器件。其中放大器芯片、A/D轉(zhuǎn)換器芯片放置在模塊3中,降壓芯片與升壓芯片放置在模塊2中,FPGA芯片放置在模塊4中,電阻與二極管在5個模塊中均有布置。

圖7 某彈類電子產(chǎn)品設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸Fig.7 Structural size of a certain missile electronic product

仿真時,忽略電子元器件功耗隨溫度變化的影響,部分電子元器件功耗如表2所示。利用產(chǎn)品的降額理論對主要元器件降額前的最高允許結(jié)溫進行反推,本產(chǎn)品為某彈載電子設(shè)備,降額等級?、蠹?額定溫度如表3所示。

表2 主要元器件功耗

表3 主要元器件額定溫度

對于彈載計算機,因其一次性消耗、無人操縱、執(zhí)行任務(wù)相對單一等原因,多采用單套電路設(shè)計方案,各模塊間為串聯(lián)系統(tǒng)。該產(chǎn)品共有5個功能模塊,各模塊在電路功能上相對獨立,模塊內(nèi)所有元器件為串聯(lián)關(guān)系,產(chǎn)品可靠性框圖如圖8所示。

圖8 產(chǎn)品可靠性框圖Fig.8 Product reliability block diagram

3.2 電子產(chǎn)品熱仿真參數(shù)設(shè)置

采用有限元仿真軟件ANSYS進行瞬態(tài)熱仿真,仿真設(shè)置參考文獻[34]的溫度仿真設(shè)置,仿真時對以下方面進行簡化。

(1) 產(chǎn)品內(nèi)部各組件不發(fā)生相對位移,接觸設(shè)置采用捆綁。

(2) 認為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)間為理想傳熱,內(nèi)部結(jié)構(gòu)無間隙接觸,接觸熱導(dǎo)率TCC按接觸模型中最大的熱傳導(dǎo)系數(shù)λmax和裝配體總體外邊界對角線Diag給定,公式為

(9)

(3) 各結(jié)構(gòu)組件材料除印制電路板(printed circuit board, PCB)均設(shè)置為各向同性,且為常物性,PCB板材設(shè)置為各向異性,主要材料屬性如表4所示。

表4 主要材料屬性

(4) 產(chǎn)品冷卻方式為自然對流,產(chǎn)品外表面對流換熱系數(shù)為10/W/(m2·℃)。

有限元熱仿真邊界條件設(shè)置如下。

(1) 熱仿真采用第三類邊界條件,即已知產(chǎn)品表面溫度與對流換熱系數(shù),對流換熱系數(shù)根據(jù)上文給定,產(chǎn)品外表面溫度按照試驗時試驗箱升溫情況給定,如圖9所示。

圖9 仿真溫度邊界條件Fig.9 Simulation temperature boundary conditions

(2) 產(chǎn)品初始溫度為22 ℃,即在求解開始前,產(chǎn)品各部分溫度相同,均為22 ℃。

(3) 根據(jù)溫度邊界條件,設(shè)置8個分析步,降溫階段與保溫階段分別有4個分析步,其中降溫階段根據(jù)溫降不同,所需時間不同,計算公式為

(10)

式中:TN-1表示上一量級溫度;TN表示當(dāng)前量級溫度;t表示溫降所需時間;5為溫度變化率,單位為℃/min。

3.3 熱仿真與試驗數(shù)據(jù)對比

利用低溫步進摸底試驗結(jié)果,驗證計算方法的正確性。試驗設(shè)備包括:高低溫環(huán)境試驗箱、熱電阻、溫度記錄儀等,試驗設(shè)備具體型號如表5～表7所示。

表5 高低溫試驗箱型號與參數(shù)指標(biāo)

表6 熱電阻型號與參數(shù)指標(biāo)

表7 溫度記錄儀型號與參數(shù)指標(biāo)

通過銅絲將4個PT100熱電阻分別固定在風(fēng)帽以及產(chǎn)品內(nèi)部的表面,如圖10所示,4個測溫位置依次標(biāo)記為P1、P2、P3、P4。

圖10 低溫步進摸底試驗溫度測試和熱電偶固定位置Fig.10 Temperature test and thermocouple fixed position for low temperature stepping and mapping test

為使仿真與實際試驗一致,在同樣的4個位置對溫度變化進行檢測,溫度變化曲線如圖11所示。由于P1溫度監(jiān)測點暴露在外部,受試驗箱溫度影響較大,故不考慮其誤差,P2、P3、P4溫度監(jiān)測點在-50～-40 ℃時的平衡溫度與平衡時間仿真與試驗對比如表8所示。

圖11 仿真溫度變化曲線Fig.11 Simulation temperature changing curves

表8 -50～-40 ℃時仿真溫度測試點的穩(wěn)定時間與溫度

經(jīng)對比,仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)除溫度監(jiān)測點1,誤差均在4%以內(nèi),處于允許范圍之內(nèi)。仿真結(jié)果表明:在相同工況下,除個別位置,試驗與仿真結(jié)果相差不大,趨勢相同。誤差的產(chǎn)生主要有以下幾種原因:① 各結(jié)構(gòu)間接觸熱阻無法確定,接觸熱阻主要由兩結(jié)構(gòu)表面間的不良接觸產(chǎn)生,由于結(jié)構(gòu)之間的連接多為焊接或螺栓形式,接觸應(yīng)力較大,故可忽略接觸熱阻的影響;② 試驗檢測時測溫設(shè)備放置在表面,會受到試驗箱溫度的干擾,仿真為理想情況下的測試點溫度變化,故存在微小誤差。

4 方法對比

本章利用傳統(tǒng)方法、均分法以及CD-SDM 3種方法對步長進行劃分,通過瞬態(tài)熱仿真得到不同步長下所需試驗時間,并進行對比。

4.1 工作極限與破壞極限估值仿真

首先,對常溫(22 ℃)下并處于工作狀態(tài)的電子產(chǎn)品進行熱仿真,利用WorkBench穩(wěn)態(tài)熱分析,初始溫度設(shè)置為22 ℃,對流換熱系數(shù)為10/(W/m2·℃)。圖12為電子產(chǎn)品的截面溫度分布,提取其中主要元器件的溫度數(shù)據(jù),如表9所示。

圖12 某彈類電子產(chǎn)品截面溫度分布Fig.12 Cross-sectional temperature distribution of a certain missile electronic equipment

表9 溫度為22 ℃時主要元器件溫度

從表9數(shù)據(jù)可以看出,FPGA芯片的結(jié)溫與降額后最高允許結(jié)溫Tjm1差值最小,為51.66 ℃,故認為FPGA芯片先于其他元器件失效。將所有元器件的耗散功率考慮為最大額定耗散功率,則其耗散功率為常值,不會隨溫度變化而改變。利用22 ℃時元器件溫度對比降額后最高允許溫度與最高允許結(jié)溫,得到此時元器件的破壞裕度差值。通過故障邏輯將元器件故障轉(zhuǎn)換為設(shè)備故障,并對設(shè)備工作極限溫度與破壞極限溫度進行預(yù)估,得到74 ℃與94 ℃為產(chǎn)品的工作極限估值與破壞極限估值,并將仿真溫度提高到74 ℃再進行仿真。只有FPGA芯片超過了Tjm1,所以74 ℃為該產(chǎn)品的工作極限估值。以此類推,94 ℃為該產(chǎn)品的破壞極限估值。

4.2 步長方案對比

在得到工作極限估值與破壞極限估值后,利用3種步長劃分方法對步長進行劃分。

(1) 傳統(tǒng)方法:從室溫22 ℃開始,產(chǎn)品工作時的規(guī)范極限為50 ℃。在22 ℃到50 ℃時,每步為10 ℃,在50 ℃到94 ℃時,每步為5 ℃。

(2) 均分法:從室溫22 ℃開始,產(chǎn)品工作時的破壞極限估值為94 ℃,每步步長為7.5 ℃。

(3) CD-SDM:從室溫22 ℃開始,起始應(yīng)力到工作極限的步長為9 ℃,工作極限到破壞極限的步長為7 ℃。

進行瞬態(tài)熱仿真前,按照GJB150.A對于溫度穩(wěn)定的判據(jù),需確定具有最大溫度滯后系數(shù)的元器件,通過溫度滯后系數(shù)公式計算選取產(chǎn)品中溫度滯后系數(shù)最大的元器件,如圖13所示。

圖13 具有最大溫度滯后系數(shù)的元器件Fig.13 Component with maximum temperature hysteresis coefficient

A/D轉(zhuǎn)換器是所有元器件中溫度滯后系數(shù)最大的,其溫度變化時間為產(chǎn)品的熱穩(wěn)定時間判據(jù)。

現(xiàn)按照傳統(tǒng)方法仿真,步長為10 ℃時,設(shè)置仿真每步時間為150 min;步長為5 ℃時,設(shè)置仿真每步時間為115 min,得到溫度變化曲線以及總試驗時間,溫度變化曲線如圖14所示,總試驗時間根據(jù)每步熱穩(wěn)定時間與檢測時間之和獲得,每步熱穩(wěn)定時間如表10所示。

圖14 傳統(tǒng)方法的溫度變化曲線Fig.14 Temperature curve of traditional methods

表10 傳統(tǒng)方法的熱穩(wěn)定時間

檢測時間用Tt表示,根據(jù)表10,總步進時間是12次步進熱穩(wěn)定時間與檢測時間的總和,為(12Tt+1 124.97)min。

按照均分法進行仿真,仿真中每步停留時間設(shè)置為150 min。

得到溫度變化曲線以及總試驗時間,溫度變化曲線如圖15所示,每步熱穩(wěn)定時間如表11所示。

圖15 均分法的溫度變化曲線Fig.15 Temperature changing curve by equipartition method

表11 均分法的熱穩(wěn)定時間

檢測時間用Tt表示,由表11可知,總步進時間是10次步進熱穩(wěn)定時間與檢測時間的總和,共(10Tt+1 080.00)min。

按照CD-SDM方法仿真,每步停留時間設(shè)置為150 min,得到溫度變化曲線以及總試驗時間,溫度變化曲線如圖16所示,每步熱穩(wěn)定時間如表12所示。

圖16 CD-SDM步長劃分的溫度變化曲線Fig.16 Temperature changing curve divided in steps of the CD-SDM

表12 CD-SDM步長劃分的熱穩(wěn)定時間

檢測時間用Tt表示,由表12可知,改進后的總步進時間是9次步進熱穩(wěn)定時間與檢測時間的總和,共(9Tt+936.00)min。

利用仿真數(shù)據(jù)對3種方法進行對比,結(jié)果如表13所示。

表13 3種方法對比

假設(shè)該產(chǎn)品檢測時間較短,忽略其影響,對比發(fā)現(xiàn),CD-SDM方法相較于傳統(tǒng)方法,總試驗時間減少了16.80%,共188 min。相較于均分法,CD-SDM方法的總試驗時間減少了13.33%,共144 min。CD-SDM方法有效地提高了試驗效率,3種方法的熱穩(wěn)定曲線對比如圖17所示。

圖17 3種方法的熱穩(wěn)定曲線Fig.17 Thermal stability curves of three methods

CD-SDM方法與傳統(tǒng)方法相比,在20～60 ℃時,速度相對較慢,超過60 ℃后傳統(tǒng)方法步長減半,速度逐漸變慢。由于傳統(tǒng)方法過早地減小步長,導(dǎo)致其試驗時間過長。均分法各量級大小形同,速度相對穩(wěn)定,其優(yōu)勢主要為實施方便。試驗時間與傳統(tǒng)方法相差不大,但傳統(tǒng)方法對于破壞極限的激發(fā)精度比均分法更高。CD-SDM方法雖然采用了變步長的方法,相較于傳統(tǒng)方法,減少了1/4的檢測次數(shù),對于需要停止試驗進行功能檢測的產(chǎn)品,不僅極大縮短了試驗時間,且降低了試驗成本,減小了由于多次啟停造成產(chǎn)品失效的風(fēng)險。

4.3 高溫步進試驗驗證

采用CD-SDM方法對該型產(chǎn)品進行高溫步進試驗,在31 ℃、40 ℃、49 ℃、58 ℃、67 ℃時輸出信號均無異常,如圖18所示。

圖18 產(chǎn)品正常時的輸出信號Fig.18 Output signal when the product is normal

當(dāng)溫度步進到76 ℃時,產(chǎn)品信號出現(xiàn)異常,如圖19所示。前級電壓與主級電壓均無變化,此時產(chǎn)品失效,將溫度返回67 ℃后產(chǎn)品恢復(fù)正常,則認為67～76 ℃之間存在產(chǎn)品的工作極限。

為精確工作極限范圍,以每步5 ℃從67 ℃步進,在72 ℃時產(chǎn)品信號仍正常,再以3 ℃從72 ℃步進,在75 ℃時產(chǎn)品信號異常。前級電壓與主級電壓無變化,則工作極限在72～75 ℃之間。試驗溫度與測試結(jié)果如表14所示。

表14 試驗溫度與測試結(jié)果

由本文提出的方法得到的工作極限與試驗得到的工作極限基本吻合,具有一定的指導(dǎo)意義與可信性。

5 結(jié) 論

本文針對可靠性強化試驗剖面進行優(yōu)化,提出了CD-SDM對剖面步長進行劃分,明確了剖面元素的制定原則,并通過熱仿真得到3種步長劃分方法的試驗時間,通過對比,得到如下的主要結(jié)論。

(1) CD-SDM方法通過降低極限間工作裕度對步長劃分的影響,實現(xiàn)步長的優(yōu)化,在彈類電子產(chǎn)品進行溫度試驗時,主要失效原因為元器件溫度超標(biāo)的前提下,該方法可進一步被應(yīng)用到各類電子產(chǎn)品的溫度步進強化試驗步長劃分。

(2) 利用CD-SDM方法在試驗剖面中加入了工作極限與破壞極限估值,以預(yù)估產(chǎn)品發(fā)生故障的應(yīng)力量級,明確了剖面中各要素的確定準(zhǔn)則以及剖面設(shè)計框架,該剖面設(shè)計流程可直接應(yīng)用到其他電子產(chǎn)品的強化試驗剖面設(shè)計。

(3) 對計算方法進行了驗證,利用低溫步進摸底試驗與低溫步進仿真試驗結(jié)果進行對比,誤差均在4%以內(nèi),符合預(yù)期。將CD-SDM方法與另外兩種剖面步長劃分方法進行對比:CD-SDM方法的試驗時間至少縮短了13.33%;與傳統(tǒng)方法相比,CD-SDM方法減少了1/4的檢測次數(shù),縮短了檢測時長,降低了啟停次數(shù)有限制的產(chǎn)品的試驗成本與多次啟停引起的失效風(fēng)險,利用CD-SDM方法進行剖面制定可以有效縮短試驗時間,減少試驗成本。