電子設備可靠性加速試驗方法的研究與應用

陳中青，朱宜生，王超，王一飛，劉玉石

（1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，揚州 225001 2.中國船舶工業電工電子設備環境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

目前驗證電子設備可靠性指標的方式主要有基于GJB 899A的常規可靠性試驗、可靠性評估和加速可靠性試驗等。其中，基于GJB 899A的常規可靠性試驗適用于可靠性指標相對不高的電子設備。一般根據電子設備相關技術文件的規定，通過選取合適的試驗統計方案，在實驗室環境條件下施加極限應力進行考核驗證，其特點是試驗周期相對較長、試驗費用較高?？煽啃栽u估一般通過收集設備某個階段的實際使用數據或各個分設備試驗數據進行統計分析，定量評估其可靠性指標。由于系統級電子設備組成龐大、結構復雜，國內實驗室不具備系統級可靠性試驗的能力，一般采用可靠性評估的方式進行驗證。因此，可靠性評估適用于系統級的電子設備。可靠性加速試驗是基于電子設備的故障物理分析結果，以確定電子設備的加速試驗條件和加速因子，通過對電子設備施加高于正常水平的應力，實現在較短的時間內快速評估電子設備可靠性水平的試驗方法[1]。可靠性加速試驗解決了常規可靠性試驗時間長、效率低及費用高等問題[2]，適用于高可靠性（通常指標在5 000 h以上）、長壽命的電子設備。

隨著科技的快速發展和進步，武器裝備的研制周期越來越短、更新換代的速度越來越快。尤其是在武器系統中起重要作用的電子設備，其逐漸向小型化、數字化和集成化的方向發展，同時隨著工藝和技術水平的進步，許多電子設備的可靠性指標已經達到了數千甚至上萬小時以上。電子設備可靠性水平的大幅提升，使得常規的可靠性試驗方法難以滿足高可靠性電子設備指標驗證的需求[3]。為快速評價電子設備的可靠性水平，采用可靠性加速試驗的方式成為研制方的不二選擇。

1 可靠性加速試驗

電子設備的可靠性水平主要受溫度、濕度、振動、沖擊、電應力等各種環境因素的影響。20世紀90年代，美國軍方對某基地電子產品故障進行調查分析，結果表明在環境因素引起的損壞失效或故障產品中，由溫濕度引起的占60 %，振動因素引起的占27 %[4]。由此可見，溫濕度應力和振動應力是引起電子產品失效的主要環境因素。

可靠性加速試驗一般分為以下幾個實施階段：故障物理分析、確定試驗條件、試驗實施和可靠性評估。

1.1 故障物理分析

可靠性加速試驗是圍繞電子設備的故障模式與故障機理進行的，進行加速試驗的前提是：設備在短時間的加速應力條件下暴露出來的故障模式和故障機理，應與長時間使用環境下的故障模式和故障機理相一致。否則，通過加速試驗獲得結果不能真實反映電子設備的可靠性水平。

故障物理分析的目的是為了分析電子設備在其壽命周期環境條件下可能發生的故障位置、故障機理和故障模式。電子設備的壽命周期環境條件是指：電子設備在預期的任務剖面和環境剖面下，其可能承受的環境載荷（如溫度、溫度循環、振動、相對濕度等）和工作載荷（如電壓、電流等）。

故障物理分析的主要方法有以下三個：

1）采用有限元建模與仿真相結合的方法進行分析計算，簡稱仿真試驗或仿真分析；

2）利用相似產品故障數據進行推斷，簡稱相似產品法；

3）設計小型試驗進行分析。

其中，可靠性仿真試驗是故障物理分析最有效的手段之一。仿真試驗以電子產品的結構、材料屬性、器件類型、互聯等信息作為輸入，建立起電子產品的仿真模型，通過對該仿真模型施加各種模擬的環境條件和載荷，從而得出電子產品中各種故障可能發生的時間和模式。

1.2 加速試驗應力的確定

加速試驗應力的選取一般需遵循以下原則：

1）加速試驗應力的類型應基于電子設備主要的故障模式和故障機理，即影響電子設備失效的主要因素；

2）加速試驗應力應足夠大，才能達到縮短試驗時間，快速評價電子設備可靠性水平的目的。但是，加速試驗應力不是無限加大，需要在設備極限工作應力范圍內，否則發生的故障模式和故障機理與設備長時間使用的故障模式和故障機理不一致，達不到加速試驗的目的；

3）加速試驗中應對電子設備的功能性能進行檢測。

1.3 加速試驗的實施

針對電子設備，一般是采用整機加速的方式。首先按照GJB 899A-2009的規定選取統計試驗方案，確定試驗時間。然后選取影響電子設備失效主要環境因素，如溫度、濕度、振動和電應力。根據電子設備的各個環境因素的極限應力，制定加速試驗剖面，確定加速因子。最后根據試驗時間和加速因子計算出可靠性加速試驗時間和循環數。

1.4 評估設備的可靠性水平

針對電子設備，一般是采用整機加速的方式。首先按照GJB 899A-2009的規定選取統計試驗方案，確定試驗時間。然后選取影響電子設備失效主要環境因素，如溫度、濕度、振動和電應力。根據電子設備的各個環境因素的極限應力，制定加速試驗剖面，確定加速因子。最后根據常規可靠性試驗時間和加速因子計算出可靠性加速試驗的有效時間和循環數。

2 可靠性加速模型

加速模型是加速試驗方案制定和試驗數據統計分析的依據[5]。單一應力下的加速模型成熟度較高，如阿倫尼斯模型為表征溫度加速的模型，逆冪率模型表征動態應力（如沖擊、振動）或氣候應力（如溫度變化、濕度、太陽輻射等）加速的模型[6]。由于在綜合環境下，多種應力相互疊加耦合，電子設備的失效機理和失效模式較為復雜，確立其加速應力與正常應力下的關系存在一定的難度[7]。

目前，多種環境應力下的加速模型主要有兩大類，一類是各種加速應力單獨作用，忽略其相互之間的耦合作用，其代表為Peck模型；另一類是各種加速應力之間具有一定的相互耦合作用，其代表是廣義艾琳模型[8]。

3 某型艦船電子設備可靠性加速試驗案例

本文以某型艦船電子設備為研究對象，采用可靠性加速的方式對其指標進行試驗驗證。由于該型電子設備受多種環境應力影響，且各種應力間相互耦合，故確定本次的加速模型為廣義艾琳模型。

3.1 確定試驗方案及試驗時間

研制要求規定該型艦船電子設備的MTBF最低可接受值≥5 000 h，選擇GJB 899A-2009中的高風險統計試驗方案21，具體參數如表1所示。

按照21號統計方案，總試驗時間為5 000×1.1=5 500 h。由此可見，試驗周期長、試驗費用高，對項目研制進度影響非常大。綜合考慮費效比、工程研制進度等因素，擬采用GB/T 34986-2017《產品加速試驗方法》附錄B中推薦的B.3整機加速可靠性試驗方案驗證其可靠性指標[9]。

表1 試驗方案參數

3.2 確定試驗應力

該型電子設備可靠性安裝在艦船有溫控艙室內，影響其可靠性的環境因素主要有溫度、濕度、振動和電應力[10]。因此，可靠性加速試驗的應力應包含上述四種應力。

經分析，溫度循環為引起該型電子設備耗損型故障的主因、振動應力是引起疲勞失效的主因，且兩者均存在充裕的加速空間[11]。因此，本次可靠性加速試驗擬通過加嚴溫度循環應力和振動應力，以達到縮短試驗時間、降低試驗費用和快速評估該型電子設備可靠性水平的目的。濕度應力按照GJB 899A-2009中艦船艙內有溫控設備的濕度剖面進行施加，電應力按照研制要求規定的電壓變化范圍進行施加。

3.3 確定加速因子

1）溫度循環加速因子

本文溫度循環加速因子的計算方法參考GB/T 34986-2017《產品加速試驗方法》附錄B.4.2中熱循環的計算公式，具體如下：

式中：

NUse—常規可靠性試驗根據統計試驗方案確定的循環數；

NTest—采用加速試驗后的循環數；

ΔTUse—常規可靠性試驗上下限工作溫度的溫度差，單位℃；

ΔTTTest—加速試驗上下限工作溫度的溫度差，單位℃；

ζUse—常規可靠性試驗的溫變率，單位℃/min；

ζTest—加速試驗的溫變率，單位℃/min；

m— 一般取2.5。

該型電子設備在常規可靠性試驗中的最大溫差為60 ℃（-10 ℃～50 ℃）；加速前，原溫變速率為0.2 ℃ /min。

綜合考慮選用元器件的極限工作溫度范圍，對該型電子設備的工作溫度上下限分別進行外擴，外擴后溫度循環的加速應力如下：

上下限最大溫差為80 ℃（上限工作溫度Tmax=60 ℃，下限工作溫度Tmin=-20 ℃）；同時溫度變化速率由0.2 ℃ /min 提高到 1 ℃ /min。

經計算，ATC＝5.537。

2）振動加速因子

為縮短試驗中振動施加的時間，根據GJB 150.16A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第16部分：振動試驗》附錄B.2.2中的規定，在保持振動頻率和譜型不變的基礎上，可通過增加振動量級的方式來實現[11-14]。

戰斗損傷頻譜：

運輸隨機頻譜：

式中：

tUse—常規可靠性振動應力的施加時間，單位h；

tTest—可靠性加速試驗振動應力的施加時間，單位h；

gUse—常規可靠性中戰斗損傷頻譜振動量值（峰值加速度），g；

雪景不只是文人的喜好，還是畫家鐘情的題材。知山水而知中國，畫中國山水才是實實在在的“一個人的浪漫”，每一幅都是畫家獨有的“美的沉思”。

gTest—可靠性加速試驗戰斗損傷頻譜振動量值（峰值加速度），g；

WUse—常規可靠性中運輸隨機頻譜振動量值，m/s2（r.m.s）；

WTest—可靠性加速試驗運輸隨機頻譜振動量值，m/s2（r.m.s）；

W1取 4；W2取 6。

按照GJB 150.16A-2009的規定，優先采用實測應力，無實測應力時應選擇參考應力或標準中的推薦應力[12,13]。鑒于該型電子設備無實測應力，振動應力選取GJB 899A-2009中規定的應力曲線，gUse=7.5 m/s2，WUse=10 m/s2（r.m.s）。

結合該型電子設備的結構設計裕度和耐振強度，本次加速試驗gTest取 9.8 m/s2，WTest取 14.93 m/s2（r.m.s）。

3）整機加速因子

振動應力和熱循環會激發相同的失效模式[9]，因此整機加速因子為：

式中：

Ns—加速的應力種類數量，取2。

經計算，A整機＝5.537×4.97/2=13.76。

3.4 加速試驗時間及試驗剖面

綜上所述，可靠性加速試驗時間T=5 500/13.76=399.71 h，按照圖1中的剖面需要進行不少于16.7個循環?？煽啃约铀僭囼炂拭嫒鐖D1所示。

3.5 可靠性水平的評估

該型電子設備共進行了17個循環408 h的加速試驗，等效可靠性試驗時間為5 614.08 h。經計算，在66.7 %置信度下其MTBF的單邊置信下限為5 110.16 h，滿足MTBF最低可接受值不低于5 000 h的要求。

圖1 可靠性加速試驗剖面

4 結論

通過上述試驗案例可以看，對于高可靠性指標的設備采用可靠性加速試驗的方式，不僅可以大大縮短試驗周期、降低試驗成本，而且可以在較短的時間內快速評價出設備的可靠性水平。

本文結合案例給出了溫度循環和振動加速因子的計算方法，希望可以為高可靠性指標電子設備的驗證提供新的解決方式。