長壽命電子設備加速壽命試驗技術研究

唐少波，王田宇，宋宇康，王家鑫，謝軍，章華亮

（國營長虹機械廠，桂林 541003）

引言

長壽命逐漸成為電子設備的研制要求和發(fā)展趨勢，壽命也成為鑒定考核的重要指標，傳統(tǒng)的基于環(huán)境真實性模擬的可靠性評估方法已無法滿足其高可靠性的要求，如何快速高效地合理評價長壽命電子設備的可靠性指標是否達到規(guī)定要求，并縮短研制周期、滿足交付需求，已成為了長壽命電子設備研制過程中急需解決的重要難題。加速壽命試驗技術通過提高產(chǎn)品承受的應力水平，在短時間內(nèi)激發(fā)和正常應力相同的失效模式，是檢驗產(chǎn)品可靠性指標的關鍵技術，加速壽命試驗技術的研究和方案設計滿足了長壽命電子設備壽命評估的工程需求。

伏洪勇等[1]利用阿倫尼斯模型設計了激光器及其薄弱環(huán)節(jié)的加速試驗方案，確定了試驗參數(shù)；吳松[2]等利用加速壽命試驗設計了雷達系統(tǒng)電子產(chǎn)品在溫、濕度應力下的可靠壽命驗證方案，并給出了判定要求；黃赟等[3]利用高溫加速壽命試驗，基于固定式光纖水聽器的失效模式，確定了定時截尾試驗時間；岳峰等[4]運用加速試驗預估激活能獲取加速因子，計算試驗時間，評估了繼電保護裝置在溫、濕度應力下的壽命?？滓萚5]利用加速壽命試驗和可靠性鑒定試驗，確定了地面雷達故障時間，設計了地面雷達加速試驗剖面。羅俊等[6]通過分析半導體器件貯存環(huán)境和失效機理，基于溫濕度雙應力耦合模型預估失效模式激活能，確定了貯存18 年的可靠度。劉鵬等[7]基于變壓器的工作原理和失效機理，利用溫濕度雙應力加速模型和指數(shù)分布，設計了驗證壽命的定時截尾試驗方案，驗證了變壓器壽命大于3 年的要求。

本文以加速壽命試驗為指導，重點解決長壽命電子設備壽命驗證困難的問題，基于溫、濕度雙應力耦合的派克（Peck）模型，確定電子設備加速因子，并結(jié)合可靠性鑒定和驗收試驗以及指數(shù)分布，建立了電子設備正常工作與加速試驗之間壽命消耗的等效關系，設計了電子設備壽命驗證方案并給出了壽命滿足研制要求的判定準則。

1 加速壽命試驗建模

1.1 Peck 模型

加速壽命試驗模型是正確反映電子設備壽命消耗與環(huán)境應力之間的物理化學關系的關鍵，是進行電子設備壽命外推的基礎。濕度應力對電子設備的性能退化有較大影響，且一般伴隨溫度應力使電子設備發(fā)生氧化、腐蝕等失效。故選用以溫、濕度作為主要耦合雙環(huán)境應力的Peck 模型描述電子設備壽命與應力水平之間的關系，如式（1）所示[8,9]。

式中：

ζ—特征壽命；

RH—相對濕度；

B—濕度加速率常數(shù)，一般取值范圍為2~3；

A—與整機材料特性相關的常數(shù)；

Ea—激活能，單位是eV；

k—玻爾茲曼常數(shù)，取值約為8.62×10-5eV/K；

T—熱力學溫度，單位為K。

1.2 加速因子的確定

基于溫濕度復合應力的Peck 模型，加速因子AF定義為電子設備正常工作環(huán)境應力RH0、T0時的特征壽命 0ζ與加速環(huán)境應力RH、T 時特征壽命ζ的比值為：

通過加速因子可以建立正常工作環(huán)境下的壽命和加速環(huán)境應力下的壽命的等效關系。

2 加速壽命試驗時間確定方法

2.1 加速壽命試驗等效時間的確定

基于GJB 899A-2009《可靠性鑒定與驗收試驗》[10]以及電子設備壽命服從指數(shù)分布的假設，根據(jù)定時統(tǒng)計方案，電子設備加速壽命試驗時間t 的估算公式為[3]：

式中：

t—電子設備在正常工作環(huán)境下可達到的壽命；

t'—在規(guī)定的置信水平α條件下加速壽命試驗需要的等效試驗時間；

γ—試驗期間允許出現(xiàn)的故障數(shù)；

本文電子設備加速壽命試驗的置信度水平選取為0.8，以此確定電子設備加速壽命試驗等效時間。

2.2 加速壽命試驗時間的確定

電子設備加速壽命試驗本質(zhì)上是一種定時截尾可靠性試驗，在故障數(shù)γ為0 時，需提供的等效試驗時間為t'，結(jié)合加速因子建立電子設備在實驗室開展加速壽命試驗的壽命消耗與正常工作壽命消耗的等效關系，使產(chǎn)品累積損傷達到相同的效果，則電子設備的加速壽命試驗時間ttest折算公式為[2]：

3 案例分析

某長壽命電子設備，正常工作環(huán)境為（30 ℃，65 %RH），已知研制要求為在80 %的置信度下壽命達到9 000 h 且不允許發(fā)生故障。試驗樣本量為1 臺，基于該電子設備的壽命指標及故障次數(shù)要求，采用加速壽命試驗方法判斷該電子設備壽命是否達到所期望的研制要求。

3.1 加速因子計算

根據(jù)電子設備所處工作環(huán)境，結(jié)合其工作原理和失效機理，可知壽命主要受溫度和濕度耦合的雙環(huán)境應力影響，所以本文采用Peck 模型，為兼顧壽命評價的快速性和應力選取的合理性，且在加速壽命試驗過程中不引入電子設備新的失效模式。利用工程實際中常用的85 ℃/85 %RH 方法來驗證該電子設備壽命。已知該電子設備預期失效模式的激活能Ea 為0.6，濕度加速率常數(shù)B 為2。代入式（2）可得該電子設備加速因子在（85 ℃，85 %RH）相對于（30 ℃，65 %RH）的加速因子為AF=81.27。

3.2 加速壽命試驗等效時間的確定

當統(tǒng)計結(jié)果置信度取為0.8、故障數(shù)γ取為0 時，基于指數(shù)分布的假設和可靠性鑒定與驗收試驗定時方案統(tǒng)計理論，根據(jù)式（3），可獲得該電子設備等效試驗時間為h。即當加速壽命試驗運行14 485 h 且未出現(xiàn)任何故障時，可判定該電子設備壽命達到了研制要求。但在實際工作中在實驗室開展14 485 h 的試驗時長過程中所耗費的人力和物力是根本無法滿足產(chǎn)品實際生產(chǎn)和交付需求的，這也是工程實際中長壽命電子設備壽命驗證面臨的主要實際問題。

3.3 加速壽命試驗時間的確定

加速壽命試驗時間的確定需要根據(jù)電子設備加速因子建立加速試驗應力下與正常使用工作環(huán)境應力下壽命消耗的等效關系，根據(jù)加速因子，利用式（4），獲得加速壽命試驗時間為h。

根據(jù)以上加速因子計算結(jié)果，1 臺電子設備在恒定加速溫度應力為（85 ℃，85 %RH）的條件下，置信度為0.8，試驗時間在249 h 內(nèi)，出現(xiàn)故障的次數(shù)為0 時，即可判定電子設備的壽命消耗等效9 000 h 的效果，可以做出壽命達到了研制要求的判斷。

4 結(jié)束語

本文基于Peck 模型，計算出電子設備在（85 ℃，85 %RH）下相對于正常工作環(huán)境為（30 ℃，65 %RH）的加速因子，結(jié)合可靠性鑒定與驗收試驗和壽命服從指數(shù)分布的假設，建立正常工作應力和加速試驗應力之間壽命消耗的等效關系，計算出電子設備加速壽命試驗時間，在約178 h 的試驗時間內(nèi)使整機的壽命消耗等效9 000 h 的效果，利用加速壽命試驗提高試驗應力大大縮短了試驗時間，提升了試驗效率，利用加速壽命試驗可在較短時間內(nèi)快速驗證產(chǎn)品壽命，滿足長壽命電子設備壽命快速評價的需求。