高可靠產品加速壽命試驗技術及其相關研究

葛 莉, 馬志宏

（1. 空軍航空技術裝備可靠性辦公室，北京 100024； 2 空軍裝備研究院雷達所，北京 100085）

引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多高可靠、長壽命的航空電子產品。由于航空電子產品大多造價昂貴且批量少，不可能抽取大量試件來做試驗，因此，對于大多數(shù)高可靠航空產品來說，如果按照傳統(tǒng)的壽命試驗技術進行評估，即使進行數(shù)年試驗，也可能沒有或只有一、二個失效，而難于在可行的時間內完成。

目前備受關注的加速壽命試驗，是一種經濟有效的試驗方法和技術，可縮短壽命試驗的周期，在短時間內獲得產品的壽命信息[1]，進一步加快產品更新?lián)Q代的速度，從而解決傳統(tǒng)試驗既費錢又費時的問題，縮短裝備的研制周期，節(jié)省試驗費用，使產品獲得高可靠性，因此無論是從型號的研制需求，還是從可靠性試驗技術的發(fā)展趨勢方面，開展加速壽命試驗技術的研究工作都勢在必行。

1 加速壽命試驗ALT

從20世紀50年代，國外就開始對加速壽命試驗（ALT）進行研究，80年代初加速壽命試驗相關理念才逐漸進入我國，因此國內普遍對加速壽命試驗技術研究起步較晚，有關理論和方法不夠深入，缺乏系統(tǒng)分析和研究。

傳統(tǒng)環(huán)境模擬試驗是盡可能地模擬任務剖面的真實環(huán)境，采用設計裕度來確保產品的環(huán)境適應性和可靠性。加速壽命試驗與環(huán)境模擬試驗的思路正好相反，它采用人為施加環(huán)境應力的方法，加速激發(fā)產品潛在的設計、結構、工藝等缺陷，通過不斷改進產品來達到提高可靠性為目的，因此加速壽命試驗原理是通過高應力可靠性指標外推正常應力的可靠性指標。

目前國內專家僅在國外已有加速模型和加速試驗方法基礎上進行了一些基礎性研究和試驗工作，真正用于工程實踐的較少。常用的加速壽命試驗模型主要是物理加速模型，它是通過與失效機理相關的物理原理推導而成，該類物理模型的數(shù)學表達形式已知，模型參數(shù)待定，而加速模型中最典型、應用最廣的是反應速度論模型。其中比較常用的加速模型目前主要有：

1.1 單應力Eyring模型，即產品的壽命特征是絕對溫度的函數(shù)，見式(1)：

式中，ξ—壽命特征；

K—波爾茲曼常數(shù)；

T—絕對溫度；

A、B—正常數(shù)。

1.2 逆冪律IPL方程，即壽命特征隨著電應力（電壓、電流和功率等）的上升而按負次冪函數(shù)下降，其適用于機械產品和電工產品，見式(2)：

式中，V—應力；

n—待定系數(shù)；

A—正常數(shù)。

1.3 Arrhenius方程，即壽命特征隨著溫度的上升而按照指數(shù)函數(shù)規(guī)律下降，其主要適用于電子產品，見式(3)：

式中，E—激活能；

K—波爾茲曼常數(shù)；

T—絕對溫度；

A—正常數(shù)。

由于失效物理加速模型是失效物理分析的結果，其方程依賴于特定的失效物理/化學過程，因此存在一個適用范圍的問題，要具體問題具體分析[2]。

2 不同類型加速壽命試驗設計

依據(jù)施加不同的應力水平，可將加速壽命試驗（ALT）歸類為恒定應力試驗（CSALT）、步進應力試驗（SSALT）和序進應力試驗（PSALT）。

恒定應力試驗是在定時或定數(shù)情況下施加不同等級應力依次進行壽命試驗，分別統(tǒng)計各組失效情況，采用數(shù)理統(tǒng)計法進行評估。步進應力試驗是將施加應力按從低到高不同應力等級依次進行，但各組試驗樣品必須達到定時或定數(shù)要求，直至試驗結束，進行產品壽命評估。序進應力試驗是步進應力試驗的一個特例，其施加應力水平基本原理相同，只是應力大小與試驗時間是一個線性函數(shù)。

2.1 恒定應力試驗設計

基于k組試驗樣品，若選定S1，S2，…，Sk為加速應力水平（加載應力水平均高于樣品正常應力），則在各個加速應力水平下進行壽命試驗，直到一定的試驗時間（或出現(xiàn)一定的失效數(shù)）時為止。

對于恒定應力試驗，最關鍵的兩個因素是確定試驗的樣品分組數(shù)k和選取最低應力水平S1。若樣品組數(shù)k太大，施加水平量級太多，試驗時間和試驗費用就會明顯增加；若樣品組數(shù)太小，施加水平量級也少，導致模型參數(shù)的估計精度就越小，精確度較差。若最低應力水平S1與正常工作應力S0相差太小，花費的試驗時間就越長，相差較大，導致模型參數(shù)外推精度較差。

恒定應力試驗是三種方法中試驗理論最成熟、統(tǒng)計分析精度最高、工程應用最多的加速壽命試驗。但由于其為了減少壽命外推估計的風險，最低應力水平較接近正常應力，因此最低加速應力失效時間較長，從而增加了試驗成本。

最高應力水平Sk應盡量取大一些，但注意不要改變失效機理，特別不能超過產品最大應力值。合理確定S1和Sk需要豐富的工程經驗和專業(yè)知識，也可通過試驗確定S1和Sk值。確定S1和Sk后，中間應力水平S2，…，Sk-1應適當分散，取值原則如下：

1）一般情況下，S1< S2… < Sk按等間隔取值；

2）在選絕對溫度T作加速應力情況下，加速應力水平T1，T2，…，Tk取值見式(4)：

3）在選電壓、壓力等作加速應力時，加速應力水平V1，V2，…，Vk取值見式(5)：

式中：m=1、2、…、nj。

若將試驗樣品進行到全部失效確實很難甚至不可能，采用定時或定數(shù)截尾壽命試驗可有效確定試驗進行的時間和所需資源，使更多的試驗樣品失效[5]。但確定合適的試驗時間或失效個數(shù)是截尾壽命試驗成功與否的關鍵，從而獲得最多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，提高壽命評估精度，有效做到節(jié)省時間，節(jié)約經費。

2.2 步進應力試驗設計

步進應力試驗將應力隨時間分階段逐步增加到產品上，先從最低的應力水平開始，應力水平S0< S1< S2…

步進應力試驗要求樣品總量很少，但在安排試驗時，樣品數(shù)不能太少，最好不少于12個，否則數(shù)據(jù)分析結果精度不高。

步進應力試驗在選取水平應力時，各應力取值大小間隔應遵循一定規(guī)律，如最低應力水平S1取值應接近正常應力S0且不宜太小，避免增加試驗成本。當一定數(shù)量樣品在水平應力Si下出現(xiàn)規(guī)定失效數(shù)或達到規(guī)定試驗時間后，應將水平應力提高至更高一級應力水平Si+1，如此試驗，直至最高應力水平Sk下也滿足規(guī)定檢測試驗要求，即一定失效數(shù)或規(guī)定試驗時間。

步進應力試驗與恒定應力試驗相比，其加速效率較高，同時其所需試驗樣品數(shù)比恒定應力試驗較少，從而降低了試驗消耗成本。但由于步進應力試驗方法較復雜，同時統(tǒng)計分析方法研究不系統(tǒng)、不深入，大大制約了其在工程上的實踐和應用。

2.3 序進應力試驗設計

序進應力試驗其加載水平應力隨施加連續(xù)上升，可以認為其是水平應力保持時間為零時的特殊步進應力試驗，因此二者的理論與方法具有許多相似之處。

序進應力試驗中最簡單是呈線性增長的水平應力，圖1是序進線性應力試驗示意圖，即試驗應力隨時間呈直線上升的加載歷程，包括兩種不同速率應力水平。序進應力試驗其優(yōu)點是加速效率較高，可快速激發(fā)樣品潛在故障，達到規(guī)定失效數(shù)，有效縮短試驗時間，大大減少試驗費用。但其缺點是試驗技術和方法復雜，試驗設備要求較高，需專業(yè)應力控制設備進行壽命試驗，同時配有專門監(jiān)控產品失效的試驗裝置，需專員人員進行操作，其試驗設計、實施及分析過程繁瑣復雜，存在一定難度。

除恒定應力試驗、步進應力試驗及序進應力試驗外，加速壽命試驗還包括循環(huán)應力試驗和隨機應力試驗，后兩種應力試驗主要區(qū)別在于選取的應力水平量值隨時間是有序的還是無序的，由于其理論復雜，加速模型不宜數(shù)值化，至今還沒有得到專家的研究和應用。

圖1 序進應力試驗剖面（ 表示失效）

3 加速壽命試驗（ALT）的優(yōu)化設計

加速壽命試驗中常用的是恒定應力壽命試驗，其試驗成功與否關鍵在于是否能夠獲得準確和足夠的數(shù)據(jù)，因此為了節(jié)省時間、節(jié)約經費，使得試驗全程具有規(guī)劃性，在進行壽命試驗之前必須開展細致周密的計劃和安排，設計一個最優(yōu)的試驗實施方案，可有效提高模型參數(shù)的估計精度，精確估計產品的可靠性數(shù)學特質量，大大提高試驗效率。

在Weibull分布和對數(shù)正態(tài)分布下，對只有高應力水平S2和低應力水平S1兩個加速應力水平的簡單恒定應力試驗進行最優(yōu)設計時，首先由同類產品試驗的經驗或產品預試驗來確定高應力水平S2和低應力水平S1，假定分配給S2和S1的樣品數(shù)量為n2，n1。最優(yōu)設計就是要選擇最優(yōu)的S1和n1，使正常應力水平S0下某個特定參數(shù)估計量的方差最小。相廣賓等[7]研究了指數(shù)分布情況下具有4個加速應力水平的恒定應力試驗的最優(yōu)設計，而Miller和Nelson等[8]研究了指數(shù)分布下簡單步進應力試驗的最優(yōu)設計，程依明等[9]在指數(shù)分布下，研究了k個S1< S2… < Sk加速應力水平步進應力試驗的最優(yōu)設計。

恒定應力試驗最優(yōu)設計的成果還較少。1992年Bai等[10]研究了Weibull分布下，當作用于受試產品的應力隨時間線性增加時恒定應力試驗的最優(yōu)設計問題。

對于簡單步進應力試驗試驗，采用冪律－威步爾模型對特征參數(shù)進行區(qū)間估計，可靠性指標精度高。特別在低應力時僅需獲得一個失效數(shù)據(jù)便可將應力升高，這為縮短步進應力試驗的時間創(chuàng)造了有利條件，此方法可加快產品失效速度，節(jié)省試驗時間。

綜上所述，目前涉及最優(yōu)設計問題的就是恒定和步進應力試驗，但由于電子產品、機電產品和機械產品其失效機理和模式差異很大，失效分布中威布爾分布、正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布的研究知之甚少，理論基礎缺乏，尚處于起步階段，還需進行大量的理論研究和試驗驗證等工作。

4 結束語

加速環(huán)境試驗是實現(xiàn)產品可靠性增長和確定、評估產品可靠性水平的重要手段。而加速壽命試驗適應高可靠長壽命產品壽命評估的需求，目前加速壽命試驗技術應用范圍涉及軍事、航空、航天、機械、電子等諸多領域。

ALT加速壽命試驗技術的相關研究目前在國內外可靠性工程研究中非常活躍。空軍應結合型號可靠性工作的進行，深入開展相關軍用電子產品尤其是高可靠性產品的加速壽命試驗方法的研究。隨著研究工作的深入，該試驗技術必將在可靠性工程中獲得更為廣泛的應用。

[1]Wayne Nelson. Accelerated testing-statistical models[M]. test plans and data analysis. New York: John Wiley & Sons, 1999.

[2]戴樹森等. 可靠性試驗及其統(tǒng)計分析[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[3]Nelson W B. Accelerated Life Testing-Step-Stress Models and Data Analysis[J]. IEEE Trans on Reliability, Vol R-29, 1990.

[4]Yin, X. Some Aspects of Accelerated Life Testing by Progressive Stress[J]. IEEE Trans Reliability, 1998, 36(1):150～155.

[5]胡昌濤. 可靠性工程－設計、試驗、分析、管理[M]. 北京：宇航出版社, 1989：671～916.

[6]馬雪峰, 葛廣平. 循環(huán)序進應力加速壽命試驗的模型與數(shù)據(jù)分析[J]. 應用概率統(tǒng)計, 1997, 13(1)：67～69.

[7]Yan Guangbin. Optimam Constant-Stress Accelerated Life Tests Plans[J]. IEEE Trans Reliability, 2000, 43(4):36～40.

[8]Miller, R. Nelson, W. B. Optimam Simple Step-Stress Plans for Accelerated Life Testing[J]. IEEE Trans Reliability, 2002, 32(1):125～130.

[9]程依明. 步進應力加速壽命試驗的最優(yōu)設計[J]. 應用概率統(tǒng)計, 2000,10(1)：55～59.

[10]Bai, D. S. Optimam Simple Step-Stress Accelerated Life Tests with Censoring[J]. IEEE Trans Reliability, 2001, 32(1):98～103.