電子產品加速壽命試驗研究

李軍，繆海杰

（ 中國工程物理研究院電子工程研究所，四川省綿陽市，621900）

0 引言

加速壽命試驗是指采用加大應力的方法促使樣品在短期內失效,以預測在正常工作條件或儲存條件下的可靠性,但不改變受試樣品的失效分布。加速壽命試驗利用FMEA、FMECA等方法找出可能影響產品可靠性的因素，然提高其強度水準，使產品在該條件下運作，將會加速失效的發生。進行加速壽命試驗必須確保失效模式不受試驗條件影響。

1 加速壽命試驗

1.1 加速壽命試驗分類

按照試驗應力的加載方式，加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、步進應力試驗和序進應力試驗3種基本類型。

（1）恒定應力試驗

其特點是對產品施加的“負荷”的水平保持不變，其水平高于產品在正常條件下所接受的“負荷”的水平。試驗是將產品分成若干個組后同時進行，每一組可相應的有不同的“負荷”水平，直到各組產品都有一定數量的產品失效時為止。

（2）步進應力試驗

該試驗對產品所施加的“負荷”是在不同的時間段施加不同水平的“負荷”，其水平是階梯上升的。在每一時間段上的“負荷”水平，都高于正常條件下的“負荷”水平。因此，在每一時間段上都會有某些產品失效，未失效的產品則繼續承受下一個時間段上更高一級水平下的試驗，如此繼續下去，直到在最高應力水平下也檢測到足夠失效數(或者達到一定的試驗時間)時為止。

（3）序進應力加速壽命試驗

序進應力試驗方法與步進應力試驗基本相似，區別在于序進應力試驗加載的應力水平隨時間連續上升。

1.2 加速壽命試驗步驟

加速壽命試驗的主要步驟是：（1）選定加速壽命試驗模式（2）篩選并分析試驗應力（壓力）（3）決定加速因子（4）定義失效模式及加速壽命實驗（5）轉換為實際壽命（6）結果分析。

在進行加速壽命試驗前，需要充分了解產品的特性，包括產品的性能退化機制及失效模式的定義等。另外，還需確定應力等級，如何來判斷其應力等級是否過大而導致失效模式異常。進行加速壽命試驗，最重要的是如何選取合適的加速因子。

1.3 加速壽命試驗加速模型

（1） Arrhenius模型

Arrhenius模型廣泛使用于加速的應力條件為溫度，該模型表述如下：

其中，L為某壽命特征；A為一個正的常數；E為活化能,單位為電子伏特；K為Boltzmann常數，值為8.617×10-5eV/K；T為絕對溫度。該模型表明，壽命特征隨溫度的上升呈指數下降。

（2）Eyring模型

Eyring模型是根據量子力學推導而來，考慮溫度為其加速的變量，該模型表述如下：

其中，L為某壽命特征；K為Boltzmann常數，T為絕對溫度。而A和B為常數，它們根據產品的特性和試驗方法確定。

2 逆冪律模型

若加速壽命試驗的應力條件是電應力時，產品的某些壽命特征與應力的關系如下：

其中，A為正常數，c是與活化能有關的正常數；v是應力，可以時電壓，電流等。該模型表述了產品的壽命特征是v的負指數關系。

上述3種加速模型屬于單應力模型，除此之外還有復合應力模型，描述如下：

（1）Combination模型

Combination模型由Arrhenius模型和逆冪律模型組合而成，常用于包含有溫度和一個非熱應力的情況下壽命特征與應力的關系如下：

其中，B和C為常數，T為絕對溫度， v 是非熱應力。

（2）廣義Eyring模型

廣義的Eyring模式是一種包含兩種應力的模型，通常兩種應力為溫度和電壓，壽命特征與應力的關系如下：

其中，A、B、C、D為常數，T為絕對溫度，V是電壓。

電子產品加速壽命試驗技術

電子產品是千差萬別的，有的組成簡單，功能單一，而有的則由眾多的組件構成，且組件之間關系復雜。因此，在進行加速壽命試驗前應根據電子產品的實際情況選取進行試驗的電子產品或組件。對組成相對簡單的電子產品可直接用于試驗。而對復雜的電子產品，通常不可能對所有組件都進行加速壽命試驗，只能通過可靠性分析找出可靠性指標偏低的組件進行分析和試驗。

由于恒定應力試驗的理論與方法相比較更為成熟，因此電子產品的加速壽命試驗采用恒定應力試驗方案。對電子產品而言，在工作狀況下溫度應力對其影響比較大，容易產生產品性能指標漂移，甚至導致產品失效。因此選擇溫度作為加速應力。

由于加速壽命試驗必須確保失效模式不受試驗條件影響，加速壽命試驗應力水平不應改變產品的失效機理。因此要選擇合適的溫度應力水平。如果溫度應力過大，會導致電子產品在使用過程中發生異常失效。正確的做法是根據電子產品的正常工作溫度的上限，根據電子產品實際情況，將溫度應力水平劃分為N檔，相鄰各檔間的溫差相同。針對不同的溫度應力水平，選擇數量相同的電子產品進行溫度試驗，并且各檔的試驗樣本在允許范圍內應盡可能大。

從分析的準確性出發，加速壽命試驗最好能夠做到使所有的測試樣品都失效。但是，這將導致長期的試驗時間，不利于實際操作。實踐中，可采用定數截尾或定時截尾壽命試驗。

完成加速壽命試驗后，根據試驗結果進行數據分析，得到產品的可靠性分布參數。采用統計推斷方法來確定失效數據的分布類型。常用的分布類型有指數分布、威布爾分布和對數正態分布等。試驗的產品的壽命分布服從哪種分布類型，就按照該分布類型分別計算出各應力水平下的壽命參數。

假設某電子產品的壽命分布類型為威布爾分布，它的分布函數為：

其中，m為形狀參數； 為尺度參數。對于威布爾分布常用 作為壽命特征，因此根據Arrhenius模型和逆冪律模型的形式，該電子產品的它的加速模型為：

采用極大似然估計法獲得它在不同應力水平下的似然函數，根據上式求出a和b的極大似然估值，然后即可得到該產品在正常應力水平下的平均壽命 。

3 總結

加速壽命試驗是檢驗電子產品可靠性指標的重要技術。隨著研究的進一步深入，電子產品的加速壽命試驗技術將不斷獲得進步。

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