加速壽命試驗綜述

戚龍 潘婷

(陜西電器研究所,陜西西安 710065)

加速壽命試驗綜述

戚龍 潘婷

(陜西電器研究所,陜西西安 710065)

加速壽命試驗作為可靠性試驗的一個組成部分,是控制、提高產品可靠性的常用方法。現代產品開發需求促進了加速壽命試驗技術的產生與發展。本文介紹了加速壽命試驗的前提、分類及常用的加速模型,并在最后總結了加速壽命試驗的難點在于加速壽命模型的建立。

壽命 加速 模型

壽命試驗是一種重要的可靠性試驗，是對產品的可靠性進行測試、分析和評價的一種常用方法。隨著元器件水平的迅速提高，高可靠、長壽命的產品越來越多，在正常應力水平下進行壽命試驗來評定產品的可靠性已不能滿足實際需要，代價很高，不現實。目前廣泛采用了加速壽命試驗。加速壽命試驗是為縮短試驗時間，在不改變故障模式和故障機理的條件下，用加大應力的方法進行的試驗。

美羅姆航展中心1967年首次給出了加速壽命試驗的統一定義：加速壽命試驗是在進行合理工程及統計假設的基礎上，利用與物理失效規律相關的統計模型對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的可靠性信息進行轉換，得到試件在額定應力水平下可靠性特征的可復現的數值估計的一種試驗方法。加速壽命試驗采用加速應力進行試件的壽命試驗，從而縮短了試驗時間，提高了試驗效率，降低了試驗成本，其研究使高可靠長壽命產品的可靠性評定成為可能。

70年代初，加速壽命試驗技術進入我國，立即引起了統計學界與可靠性工程界的廣泛興趣，一直處于邊研究邊應用的狀態。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。

1 加速壽命試驗的基本前提

(1)失效機理的一致性。失效機理的一致性是指在不同的應力水平下產品的失效機理保持不變。通常，失效機理的一致性是通過試驗設計保證的，即要求加速壽命試驗中的最高應力等級不能高于產品的破壞極限。

(2)失效過程的規律性。失效過程的規律性是指產品壽命與應力之間存在一個確切的函數關系式，即加速模型。

(3)失效分布的同一性。失效分布的同一性指在不同的應力水平下產品的壽命服從同一分布，這是壽命數據處理的基本前提。

2 加速壽命試驗類型

(1)恒定應力加速壽命試驗。恒定應力加速壽命試驗如圖1所示，簡稱恒加試驗。圖中，t表示試驗時間，S表示試驗應力，×表示樣品失效。試驗過程中，選定一組高于正常應力水平S的加速應力水平S1＜S2＜…＜Sn，將一定數量的樣品分為n組，每組樣品在彼此獨立的應力水平下進行壽命試驗，直到各組均有一定數量的樣品發生失效為止。

(2)步進應力加速壽命試驗。步進應力加速壽命試驗如圖2所示，簡稱步加試驗。步加試驗是選定一組高于正常應力水平的加速應力水平S1＜S2＜…＜Sn，試驗開始時，先將一定數量的樣品置于S1應力下進行試驗，經過t1時間，把應力提高到S2。應力下未失效的樣品在S2應力下繼續進行試驗，如此重復下去，直到在Sn應力下有一定數量的樣品發生失效為止。

(3)序進應力加速壽命試驗。序進應力加速壽命試驗如圖3所示，簡稱序加試驗。序加試驗施加的應力水平隨時間連續變化，最簡單的就是圖3所示的線性上升，此外還有許多復雜的應力施加方式，如循環應力、彈簧應力、三角函數應力等。序加試驗的特點是應力變化快，失效也快，因此序加試驗需要專用設備跟蹤和記錄產品失效。

3 常用加速試驗模型

3.1 阿倫尼斯(Arrhenius)模型

當用溫度作為加速應力時，因為高溫能使產品(電子元器件、絕緣材料等)內部加快化學反映，促使產品提前失效。其評估模型采用阿倫尼斯模型。

式中： N表示溫度為 T時的壽命特征; A是一個常數，表示受試產品由實驗決定的常數; E為激活能，與材料有關，單位eV; K為玻耳茲曼常數，為; T為絕對溫度，從而 E/ K的單位是溫度，故又稱 E/ K稱為激活溫度。

為了簡化統計分析，對阿倫尼斯模型作對數變換，兩邊同時取對數，則對應的加速模型就變為線性模型，從而易于對加速模型中的待估常數進行統計推斷，該線性變換的阿倫尼斯模型為：

其中， a=lnA， b=E/ K，它們是待定的參數。

3.2 逆冪律模型

當環境應力為非熱應力(比如受電、載荷、腐蝕介質影響)時，譬如，加大電壓亦能促使產品提前失效。其特征壽命與應力之間符合下式：

式中： N是某壽命特征，如中位壽命、平均壽命、特征壽命等; A是一個正常數; c是一個與激活能有關的正常數;是應力，常取電壓。上述關系稱為逆冪律模型，它表示產品的某壽命特征是應力的負次冪函數。假如對上述關系兩邊取對數，就將逆冪律模型線性化，即得：

其中， a=lnA， b=-c。它們是待定的參數。

圖1 恒加應力

圖2 步加應力

圖3 序加應力

3.3 Coffin-Manson模型

Coffin-Manson模型反映產品在熱循環應力作用下導致的疲勞失效，也被成功用于模擬焊點受到溫度沖擊后的裂紋擴展過程，因此可應用于描述產品熱疲勞失效與溫度循環應力的關系。

Coffin-Manson模型的一般形式為：

其中， N為循環周次; ΔT為溫變范圍; f為循環頻率; Tmax為最高溫度; Ea為激活能;; δ;1β、2β為待定系數。

Coffin-Manson模型考慮了溫度范圍、循環頻率(與溫變率有關)、最高溫度等多種因素，可以充分描述溫度循環加速壽命試驗的壽命與環境剖面的關系。但是，該模型待定參數較多，對溫度范圍、循環頻率和最高溫度都進行加速。

當溫變范圍和最高溫度都不變，只提高溫變率時，則Coffin-Manson模型可以簡化為，取對數后可以轉化為線性模型：

3.4 應力壽命加速模型

根據強度理論，疲勞曲線在其有限壽命范圍內的曲線方程為：

對數變換后得：

式(1)中： m， C為材料常數; S為應力幅值; N為應力幅值 S時的破壞循環數。

3.5 廣義艾林模型

如果以溫度和電壓同時作為加速應力時，Classtene、Laidler、Eyring在1941年提出一個加速模型：

其中 N是某壽命特征; A、 B、 C和 D是待定的常數; K是波爾茲曼常數，為。將上式線性化簡化后可得：

4 結語

隨著市場競爭的愈加激烈，新產品研制日益呈現周期緊、費用控制嚴格的局面，這對可靠性工程研究提出高效性和經濟性要求，由于加速壽命試驗能夠大大的縮短研究周期，降低成本，因此加速壽命試驗技術具有更廣闊的應用前景。但對于加速模型(尤其是多因素復合加速模型)的確立，我國還處于起步階段，需要大量的工作在這個方向，這成為了制約加速壽命試驗技術推廣的主要障礙。

[1]李曉陽,姜同敏.加速壽命試驗中多應力加速模型綜述[J].工程與電子技術,2007,5(5)：828-831.

[2]賈星蘭,劉文埏.焊接構件低溫疲勞P-S-N曲線的研究[J].北京航空航天大學學報,2001,12(6)：684-686.

[3]劉婧,呂長志,李志國.電子元器件加速壽命試驗方法的比較[J].封裝測試技術,2006,9(9)：680-683.

[4]馮穎.航天電子產品加速壽命試驗技術研究[J].航天器環境工程,2008,12(6)：571-574.

[5]陳海建,徐廷學,李波.導彈加速壽命試驗方法研究[J].裝備環境工程,2010,10(5)：115-118.

[6]李海波,張正平,胡彥平.加速壽命試驗方法及其在航天產品中的應用[J].強度與環境,2007,2(1)：2-10.

戚龍(1982—),男,漢族,山東泰安人,碩士研究生,主要研究領域：薄膜傳感器開發及其可靠性研究;

潘婷(1985—),女,漢族,陜西西安人,碩士研究生,主要研究領域：薄膜傳感器工藝技術開發。