可靠性強化試驗在高可靠長壽命產品上的應用研究

沈爐明

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510660）

可靠性強化試驗在高可靠長壽命產品上的應用研究

沈爐明

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510660）

簡要介紹了高可靠長壽命產品的特點、失效機理和退化失效模式，闡述可靠性強化試驗工作思路和試驗剖面選擇的注意事項。通過試驗證明，可靠性強化試驗可以在短期內激發高可靠長壽命產品的潛在缺陷，還可以大幅縮短產品可靠性增長所需時間、節省試驗費用。

高可靠長壽命產品；失效機理；退化失效；可靠性強化試驗

引言

軍用武器裝備、航空航天領域和復雜工業系統的產品，集成度高、結構復雜、功能多、性能指標高、內部環境嚴酷，再加上全天候、多地域化工作的因素，對大多數整機裝備系統的環境適應性、可靠性和壽命提出很高的要求。高可靠性長壽命產品[1]性能指標多、精度高、可靠性指標要求高、長時間使用壽命，恰好符合了這些領域的應用特點。但是高可靠長壽命產品研制期間實現可靠性增長困難、研制費用昂貴，對傳統的可靠性增長技術提出了新的挑戰。傳統的可靠性研制試驗方法對真實環境模擬不足、暴露問題不充分、需要花費大量的時間和費用，試驗后殘留潛在缺陷多、外場返修頻繁、維修保障費用高等問題，極大地制約了各種裝備效能的發揮。因此，如何高效評估產品可靠性和達到可靠性增長目的是可靠性工程領域亟待解決的重要問題。

1 高可靠長壽命產品的失效機理和模式探討

本文從高可靠長壽命產品失效機理和失效模型研究出發，探討可靠性強化試驗技術的應用。過應力機理和損傷累積機理是高可靠長壽命產品最常見的兩種失效機理。失效應力指的是當且僅當應力達到產品規定的強度時，產品失效。過應力失效指的是使用超過產品的規定的強度而導致產品失效，低于此強度則正常工作。損傷累積失效指的是，應力造成的損傷雖不直接導致產品失效，但是通常不可恢復且會不斷累積，產品內部某種抗應力強度逐漸降低，當損傷超過一定的韌性時，性能或強度退化到某種程度時產品失效。

根據經驗和研究數據表明，大多數高可靠長壽產品的失效機理多為累積失效機理，在這種機理作用下，主要表現為兩種失效模式：突發性失效和退化型失效。突發性失效也叫找災難性故障、硬故障，如介質擊穿、電路短路、材料斷裂等。退化型失效也稱為軟故障，如磨損、老化、蠕變、開裂、腐蝕、氧化等。退化失效是高可靠長壽命產品失效的主要原因[2]。

具有退化型失效模式的高可靠長壽命產品，它的退化數據包含很多可靠性信息。假如某個性能指標會隨著貯存或工作時間的延長而緩慢地發生變化，我們常用這個指標大小來表征產品功能的優劣，稱這個最終反映產品功能下降的性能指標為退化量。如果在壽命試驗中只能得到極少的失效數據，甚至沒有失效，那么連續測量這些表征產品功能的退化量，獲得的退化數據是可靠性建模分析和評估重要參考依據。

2 可靠性強化試驗工作思路

可靠性強化試驗是一種采用加速應力的可靠性增長試驗，目的是使產品更加“健壯”[3]。 以激發缺陷效率為目標，以故障和失效為主要研究對象，通過暴露、診斷和根除故障、改進驗證來達到可靠性增長的目的。相對傳統的可靠性模擬實驗，可靠性強化試驗時間短、效率高、試驗費用較低，可以有效解決傳統方法存在的問題。可靠性強化試驗在國外已得到廣泛應用[4]，在美國，他們稱設計階段的這種試驗為高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Testing, HALT），生產過程的稱為高加速應力篩選（Highly Accelerated Stress Screening, HASS）。在從20世紀90年代中期，我國軍工領域以較為復雜、重要度高、無繼承性的新研發或改型電子產品為主要對象，開始逐步應用研制階段的可靠性強化試驗，也就是HALT技術，并取得預期的效果。

可靠性強化試驗按照階梯應力程序，將強化環境引入試驗中，施加諸如低溫、高溫、隨機振動及溫度循環等環境步進應力，有時輔以工作電應力，從而獲得產品的破壞界限和設計裕度。通過激發故障和暴露設計中的薄弱環節，然后進行失效定位分析，進而改進和驗證，最終使產品可靠性、耐環境能力得到不斷提高。圖1展示的是可靠性強化試驗工作思路。

圖1中，故障模式及影響分析（Failure modes and effectanalysis, FMEA）[5]是可靠性專業領域的術語，根據高可靠長壽命產品的具體結構、功能對其進行FMEA，可以確定可靠性強化試驗的最佳激勵應力。環境敏感應力分析要求設計人員和可靠性工程試驗人員將產品生命周期內可能經歷的氣候、化學、生化和物理的環境條件進行分析，抓取對產品可靠性影響最大的幾個環境敏感應力。然后利用FMEA信息，以少而精、容易監測為宜，選擇表征產品現場使用是否順利完成規定功能和性能參數，關注常見故障，如功能失效、參數漂移等。試驗順序一般遵循這個原則：先施加破壞性弱的應力再施加破壞性較強的應力；先低溫、后高溫；先溫度、后振動；先單應力后綜合應力。

圖1 可靠性強化試驗流程

在進行可靠性強化試驗剖面設計時，為了選好試驗條件量級，應當注意這幾個問題：故障機理與應力之間的關系、產品實際情況、不同類型應力的激發效率、試驗的實際條件、費效比。常用的強化試驗剖面有：高溫或低溫溫度步進試驗剖面、溫度循環試驗剖面、全軸隨機振動應力剖面、溫度振動綜合應力剖面等。根據某公司統計[6]，低溫、高溫和振動等前三個階段的可靠性強化試驗，將會暴露80 %的失效模式，綜合環境應力試驗暴露其余的20 %失效模式。溫度與振動步進應力試驗用于確定產品工作極限和破壞極限，激發產品潛在缺陷，為溫度循環試驗剖面與綜合環境應力試驗剖面的制定提供依據。

3 某型光源系統可靠性強化試驗應用

3.1 試驗設備與試驗過程

某型分析儀光源已完成加工并通過外觀驗收及功能性能檢測合格，技術狀態已固化，功能框圖如圖2所示，我們以此為例展示可靠性強化試驗應用的成功經驗。采用綜合應力環境強化試驗設備，有效容積1 200 L，頻率范圍：5~10 000 Hz，最大加速度60 g，溫度范圍：-100~+200 ℃，最大溫變率±60 ℃/min(液氮制冷)；濕度范圍為20 %~90 %RH。

首先編制試驗大綱，成立試驗工作組，明確職責，制定有關制度要求，落實試驗實施、功能性能測試、故障處理和修復故障、制定糾正措施的責任人。然后在試驗前對各功能模塊進行預測試，確保試驗使用的模塊均正常。試驗過程中嚴格制表區分所有受試單元，做好記錄結果和故障定位。整個試驗過程中，對產品進行全過程監測，一旦發現故障，進行故障定位和定性（如區分好關聯故障與非關聯故障、責任故障與非責任故障），采取有效處理措施，保證試驗順利進行。本次可靠性強化試驗過程按照圖3所示，進行5個項目的步進試驗。

3.2 試驗應力剖面

低溫步進應力試驗，共進行了0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃、-40 ℃、-45 ℃、-50 ℃、-55 ℃、-60 ℃溫度段試驗，平均每個溫度段保持時間約35 min，通過試驗確定了以-60 ℃作為受試產品的低溫工作極限。

高溫步進應力試驗，共進行了30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃、80 ℃、85 ℃、90 ℃、95 ℃、100 ℃溫度段試驗，平均每個溫度段保持時間約35 min，通過試驗確定了以100 ℃作為受試產品的高溫工作極限。

圖2 某型光源系統產品功能框圖

圖3 某型光源系統產品可靠性強化試驗過程

根據前面兩個試驗結果，同時為了激發受試產品暴露更多的故障，快速溫度循環試驗的溫度范圍為-55～+95 ℃，溫變率為40 ℃/min。

振動步進應力試驗，共進行了5 g、10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 g、45 g、50 g、55 g、60 g的振動試驗，每個振動量級的試驗時間為10 min。通過試驗確定了以60 g作為受試產品的振動工作極限。

根據前期的試驗結果將綜合試驗應力定為高溫95 ℃、低溫-55 ℃，溫變率為40 ℃/min，振動量值各為12 g、24 g、36 g、48g和50 g，共5個循環，每個循環中低溫階段的停留時間約為45 min，高溫階段的停留時間約為45 min。

典型的強化試驗剖面如圖4、圖5所示。

圖4 快速溫度循環試驗剖面

圖5 綜合環境試驗剖面

表1 某型高可靠長壽命產品可靠性強化試驗部分結果

3.3 試驗暴露的故障定位和分析

表1給出了部分試驗結果。

通過強化試驗獲得了以下成果，驗證了強化試驗的有效性。

1）產品的工作極限：低溫優于-60 ℃、高溫優于100 ℃、振動優于60 g（三軸六向自由度氣錘式隨機振動）；

2）發現了產品設計存在的缺陷：某些器件選型不當導致故障、電路熱設計余量不足導致高溫工作失效、焊接工藝問題導致焊點脫落和管腳斷裂。

該型產品選用的5種強化應力，使用振動步進應力試驗激發的潛在缺陷效率最高，其次是快速溫度循環試驗，最后是高溫應力步進試驗。表明焊接工藝質量水平相對較差最容易導致該型產品故障，元器件選型不當和電路設計不足也會是該款產品很嚴重的薄弱環節。此外，試驗結果表明產品符合退化型失效的特點，各種應力損傷累積效果明顯，因此研究不同的強化應力的施加程序，以及如何確定應力量級是可靠性強化試驗的關鍵問題之一。

4 結束語

隨著用戶對高可靠長壽命產品的質量要求不斷提高，技術手段不斷進步，如何使用效率高、成本低的可靠性技術評價其壽命越來越受到人們的重視。本文從高可靠長壽命產品的特點、失效機理和退化失效模式出發，闡述了可靠性強化試驗方法的工作思路和實踐應用。理論研究和實踐證明，探討可靠性強化試驗技術，為解決高可靠長壽命產品的可靠性問題提供了一種切實可行而且具有工程化應用前景的方法。

[1]何國偉, 朱煒, 角淑媛,等. 新的高可靠長壽命產品對可靠性標準的要求[J]. 質量與可靠性, 2008(1):44-46.

[2]潘東輝，基于退化數據的產品可靠性建模與剩余壽命預測方法研究[D] .武漢:華中科技大學, 2014.

[3]胡湘洪,高軍, 等 主編.可靠性工程.北京:電子工業出版社, 2015.

[4]李良巧 主編.可靠性工程師手冊. 北京:中國人民大學出版社, 2012.

[5]陶俊勇, 陳循, 任志乾. 可靠性強化試驗及其在某通信產品中的應用研究[J]. 系統工程與電子技術, 2003, 25(4):509-512.

[6] Silverman M. Summary of HALT and HASS Results at an Accelerated Reliability Test Center[C].1998 Proceeding Annual Relability and Maintainability Symposium,1998:30-36.

Applied Research on Reliability Enhancement Testing in High-reliability and Long-life Products

SHEN Lu-ming
(Guangzhou Haige Communication Group Incorporation Company, Guangzhou 510660)

This paper mainly studies the characteristics, failure mechanism and failure mode of highreliability and long-life products, and introduces the working thinking and profile design of the reliability enhancement testing (RET). Through the test, it is proved that the RET can stimulate the potential defects in the high-reliability and long-life products, shorten the time needed to increase the reliability of the products, and save the test cost.

high-reliability and long-life products; failure mechanism; degradation failure; reliability enhancement test

TB114.3

A

1004-7204（2017）03-0038-05

沈爐明（1975- ），男， 合肥工業大學，主要從事環境試驗和可靠性試驗研究以及北斗技術標準、北斗測試平臺研究。