引信系統(tǒng)電子產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)方法研究

李晨陽(yáng)

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京，100076）

引信系統(tǒng)電子產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)方法研究

李晨陽(yáng)

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京，100076）

針對(duì)引信系統(tǒng)電子類(lèi)單機(jī)壽命長(zhǎng)、可靠性高、試驗(yàn)子樣少的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)與數(shù)據(jù)評(píng)估的比較，提出了基于激活能預(yù)估的加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用關(guān)鍵、薄弱環(huán)節(jié)激活能替代引信電子類(lèi)單機(jī)產(chǎn)品激活能進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)和評(píng)估的方法可行，有助于解決此類(lèi)產(chǎn)品壽命與可靠性評(píng)估因研制周期緊湊、參試子樣少造成的困難。

0 引 言

貯存可靠性是導(dǎo)彈的一項(xiàng)重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。貯存可靠性能否達(dá)標(biāo)，從某種意義上直接影響導(dǎo)彈的使用進(jìn)程與使用壽命[1]。作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，引信系統(tǒng)中，電子類(lèi)單機(jī)的可靠性決定系統(tǒng)的壽命與可靠性指標(biāo)。隨著對(duì)引信系統(tǒng)各類(lèi)單機(jī)壽命與可靠性指標(biāo)要求的不斷提高，對(duì)此類(lèi)單機(jī)產(chǎn)品貯存期的評(píng)估與驗(yàn)證必須同期開(kāi)展。雖然當(dāng)前工程實(shí)踐中已逐步通過(guò)非工作失效率統(tǒng)計(jì)評(píng)估和元器件加速壽命試驗(yàn)開(kāi)展電子產(chǎn)品貯存壽命評(píng)估，但對(duì)于電子產(chǎn)品而言，復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理和失效模式各不相同，元器件加速壽命試驗(yàn)尚不能完全替代整機(jī)壽命試驗(yàn)。電子類(lèi)單機(jī)加速壽命試驗(yàn)方法研究可以為工程研制單位節(jié)約大量資源，具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。以此作為加速應(yīng)力摸索電子產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ停蛔詈螅诓煌瑧?yīng)力水平下對(duì)一定數(shù)量的產(chǎn)品子樣進(jìn)行壽命試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估得到產(chǎn)品的壽命與可靠性指標(biāo)。基本流程如圖1所示[2]。

1 傳統(tǒng)壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)估流程的應(yīng)用局限性

圖1 傳統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)估流程

1.1 傳統(tǒng)壽命試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與評(píng)估流程

開(kāi)展加速壽命試驗(yàn)與評(píng)估，首先需要確定對(duì)不同可靠性分布類(lèi)型產(chǎn)品貯存壽命影響最大的環(huán)境應(yīng)力，

1.2 傳統(tǒng)試驗(yàn)與評(píng)估方法在單機(jī)產(chǎn)品中應(yīng)用的局限性分析

傳統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)方法與評(píng)估流程應(yīng)用在單機(jī)產(chǎn)品（尤其是軍工產(chǎn)品——包括引信系統(tǒng)產(chǎn)品）中有很大的局限性，其原因是此類(lèi)產(chǎn)品的固有特點(diǎn)造成。電子類(lèi)單機(jī)產(chǎn)品的特點(diǎn)如下：

a）試驗(yàn)子樣少：一般情況下，電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度較高，投產(chǎn)成本相應(yīng)提升，從而導(dǎo)致無(wú)法提供足夠數(shù)量的產(chǎn)品子樣進(jìn)行壽命試驗(yàn)；

b）失效模式、機(jī)理復(fù)雜：電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜分析出的失效模式多樣化，與之相對(duì)應(yīng)的失效機(jī)理也多樣化；

c）失效數(shù)據(jù)獲取難度大：產(chǎn)品質(zhì)量提升促使設(shè)計(jì)壽命延長(zhǎng)，加速壽命試驗(yàn)無(wú)法按預(yù)計(jì)周期得到失效子樣。

2 電子整機(jī)加速試驗(yàn)方法比較

2.1 加速退化法

對(duì)于參試子樣較少的軍工電子類(lèi)單機(jī)產(chǎn)品，使用加速退化法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q失效數(shù)據(jù)難以獲取的問(wèn)題，但試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)估中需要注意以下兩點(diǎn)：

a）退化趨勢(shì)的獲取：此方法的應(yīng)用必須首先掌握產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，同時(shí)加速應(yīng)力的疊加過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單且指標(biāo)變化顯著；

b）加速應(yīng)力對(duì)性能退化的影響分析：不同環(huán)境應(yīng)力對(duì)單機(jī)產(chǎn)品性能參數(shù)退化的影響過(guò)程較為復(fù)雜，選取直接影響關(guān)鍵性能參數(shù)退化的加速應(yīng)力是實(shí)施試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 失效率比值法

電子類(lèi)單機(jī)產(chǎn)品的可靠性大多服從指數(shù)分布，裝機(jī)元器件在不同溫度T下的失效率λ各不相同（通常，隨著溫度的提升元器件失效率也逐步升高[3]）。由此可以得到可靠性指標(biāo)隨環(huán)境溫度升高而逐步降低，故將溫度選為關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)[4～6]。此類(lèi)產(chǎn)品壽命試驗(yàn)的加速系數(shù)計(jì)算如下：

式中 Ai為加速系數(shù)；L0為正常溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命特征量；Li為加速溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命特征量；λ0為正常溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品失效率；λi為加速溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品失效率。

此方法的劣勢(shì)在于加速應(yīng)力的單一化，且對(duì)產(chǎn)品的參數(shù)影響反應(yīng)在可靠性指標(biāo)的變化更為突出，不足以綜合評(píng)估各類(lèi)使用工控下產(chǎn)品的貯存壽命指標(biāo)。

2.3 轉(zhuǎn)化法

此方法基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的“木桶原理”（也稱(chēng)“短板”原理），即每種產(chǎn)品中最先出現(xiàn)貯存失效的薄弱環(huán)節(jié)稱(chēng)為壽命“短板”，針對(duì)該零部（組）件或元器件的加速壽命試驗(yàn)方法即可表征單機(jī)產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)。

可以利用以下方法尋找單機(jī)產(chǎn)品貯存薄弱環(huán)節(jié)：

a）借鑒同類(lèi)型或相似產(chǎn)品信息；

b）產(chǎn)品使用信息統(tǒng)計(jì)分析；

c）排列圖法；

d）故障模式影響及其危害性分析；

e）故障樹(shù)分析法。

由于引信系統(tǒng)電子單機(jī)工況復(fù)雜，元器件在單機(jī)中需承受力、熱、電等多種應(yīng)力交變的復(fù)雜環(huán)境，誘發(fā)或影響其薄弱環(huán)節(jié)的因素較多，應(yīng)用轉(zhuǎn)化法進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)同樣具有較高的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3 基于激活能預(yù)估的加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)估方法

加速壽命試驗(yàn)的目的是找出產(chǎn)品壽命特征量與加速應(yīng)力的關(guān)系。通過(guò)分析產(chǎn)品的貯存薄弱環(huán)節(jié)，利用元器件激活能參數(shù)統(tǒng)計(jì)預(yù)估產(chǎn)品在不同應(yīng)力下加速系數(shù)，建立產(chǎn)品加速模型。

3.1 激活能的獲取

以半導(dǎo)體元器件為例，元件晶體中晶格點(diǎn)陣上一個(gè)原子“躍遷”時(shí)所需要的能量即為激活能（相對(duì)于整機(jī)產(chǎn)品，激活能是以應(yīng)力疊加方式施加至產(chǎn)品導(dǎo)致失效的能量）。激活能越小，越容易失效，反之則越大[4]。《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中給出了各種硅半導(dǎo)體器件的激活能，有助于解決軍工電子產(chǎn)品（如引信系統(tǒng)電子單機(jī)）因壽命試驗(yàn)子樣少、歷史試驗(yàn)信息少導(dǎo)致加速模型中未知參數(shù)評(píng)估困難的問(wèn)題[5]。

工程應(yīng)用中，激活能一般通過(guò)產(chǎn)品故障模式影響分析或故障模式影響及其危害性分析完成產(chǎn)品特性分類(lèi)分析得到其關(guān)／重件特性，針對(duì)關(guān)／重件使用元器件非工作失效統(tǒng)計(jì)分析獲取激活能用來(lái)代替產(chǎn)品的激活能指標(biāo)開(kāi)展加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

3.2 建立加速模型

《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中選擇溫度作為元器件非工作失效統(tǒng)計(jì)分析的環(huán)境應(yīng)力。因而，對(duì)于電子類(lèi)單機(jī)產(chǎn)品，可選擇高溫作為加速應(yīng)力。Arrhenius加速模型作為一種典型的溫度應(yīng)力加速模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中 L為壽命特征量；Ea為產(chǎn)品激活能；K為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；B為待定系數(shù)。

由式（2）可以得到正常使用溫度T0相對(duì)于加速溫度Ti的加速系數(shù)：

式中 Ai為加速系數(shù)；T0為使用環(huán)境溫度；Ti為加速溫度。

如前所述，在估計(jì)加速系數(shù)時(shí)若采用失效率比值法要求輸入所有元器件的失效率，計(jì)算復(fù)雜也偏于保守，而通過(guò)式（3）的簡(jiǎn)化，產(chǎn)品的激活能可以使用貯存薄弱環(huán)節(jié)（或元件）的激活能代替，從而確定產(chǎn)品加速系數(shù)用于加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)化算法的有效性可通過(guò)加速壽命試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)反推進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 試驗(yàn)時(shí)間的反推

電子產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)服從指數(shù)分布，即：式中 RL為產(chǎn)品可靠性下限； T*為折合后的累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間；t為壽命指標(biāo)要求值；r為關(guān)聯(lián)失效數(shù)；γ為置信度。得到了累計(jì)時(shí)間 T*后，可以利用之前得到的加速系數(shù)反推出在加速應(yīng)力下需要的試驗(yàn)時(shí)間：

式中 ti為加速壽命試驗(yàn)時(shí)間；ni為加速壽命試驗(yàn)子樣數(shù)；Ai為加速系數(shù)；tj為常態(tài)試驗(yàn)與使用時(shí)間；nj為常態(tài)試驗(yàn)與使用子樣數(shù)；kj為環(huán)境因子。

根據(jù)反推出加速應(yīng)力下的試驗(yàn)時(shí)間，可以進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3.4 典型單機(jī)加速壽命試驗(yàn)

以某引信系統(tǒng)的重要單機(jī)為例，產(chǎn)品采用密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)置有微處理器、目標(biāo)探測(cè)和飛行環(huán)境敏感裝置，可靠性和壽命指標(biāo)要求高且研制周期短，必須通過(guò)加速壽命試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

3.4.1 產(chǎn)品失效模式及影響分析FME（C）A

在產(chǎn)品 FME（C）A和特性分類(lèi)分析基礎(chǔ)上，首先確定產(chǎn)品的關(guān)鍵與薄弱環(huán)節(jié)。因產(chǎn)品為密封結(jié)構(gòu)電子單機(jī)，故選擇高溫作為加速應(yīng)力并選取了Arrhenius加速模型，預(yù)估產(chǎn)品激活能，據(jù)此推斷不同應(yīng)力下的加速系數(shù)。

3.4.2 極限應(yīng)力試驗(yàn)

極限應(yīng)力摸底過(guò)程如下：

a）將子樣置于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)極限溫度T，停留時(shí)間

2 h或更長(zhǎng)，待產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定后，降至常溫并恢復(fù)4 h，進(jìn)行產(chǎn)品性能、功能測(cè)試，并記錄完整；

b）第1次測(cè)試完畢，將子樣置于T+10 ℃，停留時(shí)間2 h或更長(zhǎng)，待產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定后降至常溫并恢復(fù)4 h，進(jìn)行產(chǎn)品性能、功能測(cè)試，并記錄完整；

c）以后每步增加10 ℃，重復(fù)操作步驟，直至試驗(yàn)箱最高溫度或者產(chǎn)品出現(xiàn)失效（失效為不可恢復(fù)性失效），產(chǎn)品出現(xiàn)失效的溫度即為產(chǎn)品破壞上限；

d）產(chǎn)品失效后進(jìn)行失效模式和機(jī)理分析，并與常溫下的失效模式和機(jī)理進(jìn)行對(duì)比，確保子樣的失效機(jī)理沒(méi)有改變。

圖2 溫度極限應(yīng)力試驗(yàn)

3.4.3 加速應(yīng)力量級(jí)確定

步進(jìn)試驗(yàn)中，應(yīng)力溫度水平的確定應(yīng)根據(jù)評(píng)估精度的需要與實(shí)際可能來(lái)綜合權(quán)衡。在沒(méi)有獲得加速因子的情況下，加速壽命試驗(yàn)取 4個(gè)應(yīng)力水平。測(cè)出最高應(yīng)力溫度T4及最低應(yīng)力溫度T1后，中間兩個(gè)應(yīng)力溫度按下式確定：

3.4.4 加速貯存驗(yàn)證試驗(yàn)

以加速因子為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)單機(jī)的綜合環(huán)境應(yīng)力壽命驗(yàn)證試驗(yàn)剖面。單機(jī)在全壽命周期內(nèi)的貯存環(huán)境應(yīng)力包括溫度（高溫和低溫）、濕度、振動(dòng)和電應(yīng)力等，因此，驗(yàn)證試驗(yàn)剖面應(yīng)考慮到各種環(huán)境對(duì)其壽命的影響[6]。在所有的應(yīng)力中，溫度是控制系統(tǒng)的主要貯存應(yīng)力，產(chǎn)品貯存過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受的是常溫應(yīng)力的作用，短時(shí)間經(jīng)受的應(yīng)力有高溫應(yīng)力、低溫應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力等，將產(chǎn)品的低溫應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力等進(jìn)行等時(shí)間等量級(jí)模擬，得到加速后的試驗(yàn)剖面，將剖面進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)，從而驗(yàn)證產(chǎn)品的貯存年限。

選擇不超過(guò)單機(jī)任意組件破壞極限的溫度作為加速應(yīng)力量級(jí)，統(tǒng)計(jì)單機(jī)全壽命周期的溫度和其他應(yīng)力的分布情況（包括應(yīng)力等級(jí)和每一個(gè)應(yīng)力等級(jí)下的貯存時(shí)間），將產(chǎn)品的常溫和高溫時(shí)間依據(jù)溫度加速因子轉(zhuǎn)換為加速溫度下的試驗(yàn)時(shí)間。低溫取產(chǎn)品實(shí)際貯存過(guò)程中經(jīng)受的最低溫度，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品平均的低溫貯存時(shí)間，在高溫加速前施加低溫，形成溫度循環(huán)的試驗(yàn)剖面。

統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品平均的高濕（即濕度接近75%RH）時(shí)間，在高溫加速的后期施加75%RH濕度應(yīng)力。考慮到導(dǎo)彈貯存過(guò)程中的定期檢測(cè)、野外待機(jī)和運(yùn)輸過(guò)程等，在試驗(yàn)剖面中施加產(chǎn)品平均承受的振動(dòng)、小量級(jí)沖擊和電應(yīng)力時(shí)間，獲得綜合環(huán)境的加速貯存驗(yàn)證試驗(yàn)剖面。將1臺(tái)單機(jī)在此剖面下進(jìn)行加速貯存驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證單機(jī)要求的貯存年限；在每一個(gè)循環(huán)的時(shí)間點(diǎn)設(shè)定檢測(cè)點(diǎn)，等效于定期貯存后性能檢測(cè)。

若產(chǎn)品在試驗(yàn)過(guò)程中性能測(cè)試滿(mǎn)足技術(shù)條件要求，則說(shuō)明產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的貯存年限，并給出產(chǎn)品的壽命。

若出現(xiàn)產(chǎn)品性能測(cè)試不滿(mǎn)足技術(shù)條件要求，則表明產(chǎn)品壽命達(dá)不到規(guī)定的貯存年限，則應(yīng)對(duì)性能超差產(chǎn)品進(jìn)行失效分析，并據(jù)此確定相關(guān)延長(zhǎng)產(chǎn)品貯存期的措施。

4 結(jié) 論

采用關(guān)鍵、薄弱環(huán)節(jié)激活能替代引信電子類(lèi)單機(jī)產(chǎn)品激活能進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)和評(píng)估的方法合理可行，有助于解決此類(lèi)產(chǎn)品壽命與可靠性評(píng)估因研制周期緊湊、參試子樣少造成的困難。

目前，引信系統(tǒng)以及其他電氣系統(tǒng)電子產(chǎn)品已逐步應(yīng)用該方法進(jìn)行單機(jī)壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)估，使其具有良好的應(yīng)用前景。

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Research of Accelerated Life Testing Method of Fuze System Electronic Products

Li Chen-yang
(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076)

In view of the characteristics of long life, high reliability and low test sample of the electronic class of the fuze systems, the method of the accelerated life test design and evaluation based on activation energy estimation is proposed. The results show that the method is feasible for the design and evaluation of the accelerated life test design and evaluation of the electronic products of the fuze by using the key and weak links.

Fuze system; Accelerated life testing; Reliability

引信系統(tǒng)；加速壽命試驗(yàn)；可靠性

TN97

A

1004-7182(2017)01-0089-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170121

2015-10-13；

2016-09-12

李晨陽(yáng)(1971-)，男, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)橐烹姎庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)