彈載電子設備HALT在延壽中的應用研究

韓建立 張鑫 張崇會 趙建印

摘 要： 為選擇更為合適的加速壽命試驗應力，本文結合某型導彈任務環境特點和高加速壽命試驗（HALT）要求，提出一種針對彈載電子設備的高加速壽命試驗方法。以某型導彈彈載電子設備典型部件為例，在對其組成結構分析的基礎上，確定了部件主要失效模式，分析了影響部件性能的敏感應力。針對延壽工作需要，設計該部件的HALT方案，通過試驗獲得該部件在不同敏感應力下的工作極限值，為延壽工作的開展提供指導。

關鍵詞：彈載電子設備;HALT;加速壽命試驗;延壽

中圖分類號：TJ760?? 文獻標識碼： A??? 文章編號：1673-5048（2021）03-0071-06

0 引? 言

目前，針對彈載電子設備的加速壽命試驗主要以溫度應力試驗為主，應力水平主要通過工程經驗或分析試驗件的高溫特性來確定[1-2]。以往的延壽工作實踐表明，針對彈載電子設備的加速壽命試驗，溫度應力上限一般設定在75～120 ℃，試驗時間長達幾個月[3-5]。研究發現，在保持產品失效模式與失效機理不變的前提下，合理提高溫度應力水平會使試驗效率成倍提高，從而極大縮短試驗時間，降低試驗成本[6-9]。

隨著器件和材料制造工藝水平的提高，導彈可靠性越來越高，以往的加速壽命試驗過于保守，找到更有效率的應力水平成為目前延壽領域研究的重點。本文通過產品研制階段采用的高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Test，HALT）獲取產品溫度應力下工作極限，指導加速壽命試驗的開展。

在HALT技術和理論應用方面，國內外學者做了大量的研究。史曉雯及褚衛華等[10-11]對HALT基本原理和試驗流程作了詳細的概述，對HALT的試驗目的和試驗順序、試驗設備選擇和試驗剖面設計等內容進行了設計研究;馬巖[12]基于有限元分析理論基礎進行了HALT仿真試驗，得出了航天器精密組件在高低溫、溫度循環應力下的工作極限;Brian等[13]通過將HALT應用于高可靠性的航天級商用衛星故障改進中，驗證了HALT在高可靠性產品設計生產的經濟價值;陳鐵牛等[14]針對空空導彈試驗費用高、樣本量小等，設計了更加適用于研制過程的試驗剖面，通過控制產品破壞極限發生的時機，盡早地暴露產品的薄弱環節，縮短了研制周期。

目前，國內HALT技術與理論研究有較快的發展，但將HALT與傳統加速試驗相結合應用于延壽工作的研究鮮見發表。本文基于HALT的試驗標準和要求，根據某型導彈延壽任務需要，選取其導引頭二次電源作為彈上電子設備典型部件，設計HALT試驗方案，通過HALT確定的部件工作極限，指導延壽工作中加速壽命試驗應力選擇。

1 彈載電子設備失效模式和失效機理

1.1 二次電源FTA分析

HALT的基本理論依據是故障物理學，主要研究產品的故障和失效[15]。故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）由美國科學家Watsonh和Hansl于1961年率先提出并應用于“民兵”導彈系統，可形象地分析故障事件，并確定故障原因的各種組合及發生概率[16]，從而獲得二次電源容易失效的薄弱環節及相應的敏感應力，以及主要失效模式及失效機理。

某型導彈導引頭二次電源是彈載電子設備的典型部件，安裝在導彈雷達導引頭支架，主要功能是在導彈戰斗級階段發出“接通電源”指令后為末制導雷達提供12 V左右的電壓，由DC/AC變換單元、整流濾波單元、輸出濾波單元、穩壓控制單元、供電單元等組成，工作原理示意圖如圖1所示。

二次電源主體為PCB板，搭載電壓比較器、電壓分配器、電壓電流轉換器、某型號二極管以及若干電阻、電容等電子元器件，元器件采取點焊工藝焊接在PCB板上。根據導彈實際使用背景，考慮儲存條件、任務環境等要素，以二次電源失效為頂事件，建立FTA分析如圖2所示。

通過FTA分析可得，二次電源主要失效模式包括電壓比較器失效，電壓分配器失效，電壓電流轉換器失效，二極管性能退化，導線短、開路，點焊脫落等，結合某型導彈歷年修理數據統計，二極管性能退化和電路短、開路為概率最大的失效模式，據此可確定彈載電子設備典型部件在洞庫貯存、戰備值班典型任務剖面中的薄弱環節為二極管性能退化和電路短、開路。

1.2 彈載電子設備典型部件失效模式和失效機理

某型導彈整個壽命周期經歷貯存、運輸、維護、值班等任務剖面，主要受濕熱、沖擊、鹽霧等環境因素的影響[17]，這些因素長期作用導致導彈各部件在機械、化學、電氣等方面產生累積效應，從而引發故障，可能引發的失效模式與失效機理如表1所示。

1.3 敏感應力分析

開展HALT前要結合導彈使用環境和延壽任務需求，找到影響彈載電子設備可靠性的主要因素確定為試驗應力?？紤]到導彈長期貯存在有供暖的庫房，戰備值班時發射筒內也采用了相應保護措施，因此霉菌、電壓、輻射、鹽霧、濕度對其造成的影響很小，影響其性能的環境因素主要為溫度和振動[18]。導彈所受振動和沖擊主要來自轉載運輸環節，在服役周期中時間短暫、占比極小，統計結果表明振動對導彈基本沒有造成損傷，因此可以不予考慮。

綜上所述，對彈載電子設備典型部件開展加速壽命試驗主要考慮溫度的影響，所以，溫度是HALT和加速壽命試驗共同的敏感應力，可以通過HALT得到的工作極限溫度作為加速壽命試驗溫度選擇的依據。

2 試驗方案

2.1 試驗流程和樣本選取

HALT不同于加速壽命試驗，主要注重故障激發效率，對失效統計結果的要求不高。由于該型導彈具有較高的環境適應性和可靠性，考慮到試驗中可能會因突發失效導致試驗失敗等因素，試驗件數量安排為2個（1個參加試驗，1個備用）。

根據目前國內外對HALT應用的研究，常用試驗方案一般包括低溫步進應力試驗、高溫步進應力試驗、快速溫變試驗、振動應力試驗和綜合環境試驗[19]，通常依靠專用的可靠性強化試驗箱實施。根據GB/T 29309-2012《電工電子產品加速應力試驗規程高加速壽命試驗導則》對試驗裝置的要求，進行溫度應力試驗的設備要求最大溫度變化速率不小于60 ℃/min，試驗溫度范圍不小于-80～170 ℃，溫差為±3 ℃[20]，常規試驗設備無法滿足。文獻[21]中給出的試驗證明，利用常規溫度試驗箱進行溫度步進應力試驗，可以更精確地對溫度步進進行控制，因而可準確得到產品的溫度工作極限。以上結論為實驗室缺少專用HALT設備時利用常規試驗設備執行部分HALT項目提供了理論依據。為達到試驗目的，確定執行高、低溫步進應力試驗，根據HALT應力施加順序基本原則，先進行破壞性小的低溫步進應力試驗，再進行破壞性大的高溫步進應力試驗。

2.2 試驗參數設定

HALT可高效率暴露試驗件潛在缺陷，一般經過HALT的產品就不能再做他用。考慮到本次試驗的目的是獲取二次電源的工作極限而不是破壞極限，且二次電源為現役裝備部件，因此力求避免試驗件破壞失效。按照電子元器件溫度等級劃定標準[22]，為避免試驗件產生破壞失效，設定本次試驗截止溫度值為高溫不超過150 ℃，低溫不低于-55 ℃。

根據美國科學家Hobbs的建議，HALT步長取10 min，一般情況下，以試驗件規定的使用溫度±20 ℃作為步進應力試驗的起始溫度，如規定工作溫度在0～35 ℃，則以0 ℃和35 ℃為低溫步進和高溫步進的起始溫度。因為0～35 ℃之間的應力對產品損傷量極少[23]，步階一般為5 ℃或10 ℃，以試驗件規定的工作溫度為標準，達到規定的工作環境極限溫度值之前以10 ℃為步長，之后以5 ℃為步長。

某型導彈貯存溫度為-5～35 ℃，規定的使用溫度為-10～70 ℃，因此，HALT溫度步進應力試驗高溫起始溫度為35 ℃，低溫起始溫度為0 ℃，達到70 ℃之前步階為10 ℃，之后為5 ℃，在低溫步進應力試驗中，達到-10 ℃之前步階為10 ℃，之后為5 ℃。

3 HALT試驗過程及結果處理

試驗設備選取成都普吉斯天宇試驗設備公司生產的的TZ-80-70-WH高低溫綜合試驗箱，如圖3所示。

確定試驗件外觀完好，性能符合技術要求，將試驗件按圖4所示固定于試驗箱內，并根據受試產品的熱分布及溫升情況安裝溫度傳感器，試驗件導引頭二次電源可理想化為平面板狀物體，不考慮厚度對溫度傳導的影響，認為在溫度試驗箱中隨溫度變化，內外溫度一致。

3.1 試驗過程

3.1.1 低溫步進應力試驗

低溫步進應力試驗的起始溫度為0 ℃，步進應力達到-10 ℃，之后步長為5 ℃，溫度變化率為可獲得最大溫變速率5 ℃/min。受試產品達到溫度穩定后，保溫10 min，通電2次以測試試驗件在低溫條件下的轉換能力，在輸出端連接萬用表，檢測輸出電壓并記錄，以輸出電壓是否在12 V±0.60 V內為失效判據，低溫步進應力試驗以-55 ℃為終止條件。

按照方案設計和試驗要求進行0 ℃， -10 ℃， -15 ℃， -20 ℃， -25 ℃， -30 ℃， -35 ℃， -40 ℃， -45 ℃， -50 ℃， -55 ℃溫度試驗，溫度測量曲線如圖5所示。

在溫度穩定時，對試驗件性能進行檢測，2次通電結果取均值以消除誤差作為測試結果，電壓測試結果如圖6所示，判定在整個低溫步進應力試驗階段試驗件未出現故障。通過試驗，確定受試產品當前狀態下的低溫工作極限優于-55 ℃。

3.1.2 高溫步進應力試驗

高溫步進應力試驗的起始溫度為35 ℃，在溫度達到70? ℃之前步長為10? ℃，之后步長為5 ℃，溫度變化率為可獲得最大溫變速率5 ℃/min。受試產品達到溫度穩定后，保溫10 min，通電2次以考核其在高溫條件下的轉換能力，在輸出端連接萬用表，檢測輸出電壓并記錄，以輸出電壓是否在12 V±0.60 V內為失效判據，高溫步進應力試驗以150 ℃為終止條件。

按照方案設計和試驗要求進行35 ℃， 45 ℃， 55 ℃， 65 ℃， 75 ℃， 80 ℃， 85 ℃， 90 ℃， 95 ℃， 100 ℃， 105 ℃， 110 ℃， 115 ℃， 120 ℃， 125 ℃， 130 ℃， 135 ℃， 140 ℃， 145 ℃， 150 ℃溫度試驗，試驗期間溫度測量曲線如圖7所示。

在溫度穩定時，對試驗件性能進行檢測，電壓測試結果如圖8所示，受試產品在整個高溫步進應力試驗階段未出現故障。通過試驗，確定受試產品當前狀態下的高溫工作極限優于150 ℃。

3.2 結果分析

溫度到達本次試驗設定的高、低溫極值時，試驗件無肉眼可見的斷裂、膨脹及融化現象，溫度穩定后兩次啟動電源供電，測量輸出電壓，低溫-40 ℃時均為12.3 V，高溫150 ℃兩次通電測量分別為11.5 V和11.6 V，均滿足性能要求，試驗件未失效?？梢?，在低、高溫步進試驗過程中，均沒有激發故障。

在低、高溫步進應力試驗過程中，均未激發二次電源故障，未發現其他未知的設計缺陷，可說明二次電源符合軍工級標準，部件在溫度應力范圍（-55～150 ℃），失效模式與失效機理不會發生改變。

4 結? 論

通過試驗，確定了某型導彈彈載電子設備典型部件——導引頭二次電源的低溫工作極限優于-55 ℃，高溫工作極限優于150 ℃，在-55～150 ℃溫度范圍內試驗件失效模式與失效機理未發生改變。上述HALT結果對加速壽命試驗選取更為高效的高、低溫應力具有很好的指導作用，為改變導彈延壽工作中過于保守的加速應力水平提供依據，未來可通過HALT的振動數據，指導加速壽命試驗振動值的確定。

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Han Jianli1，? Zhang Xin1， 2*， Zhang Chonghui2， Zhao Jianyin1

（1.Naval Aviation University，? Yantai 264001， China; 2.Unit 91614 of PLA， Dalian 116044， China）

Abstract：? For selecting more suitable stress of accelerated life test， based on the environmental characte-ristics and the requirements of highly accelerated life test （HALT） of a certain missile mission， a HALT method for the missile-borne electronic equipment is proposed. Taking a typical component of a missile-borne electronic equipment as an example， based on the analysis of the component structure， the main failure mode of the component is determined， and the sensitive stresses affecting the performance of the component is analyzed. Accor-ding to the need of life extension， the HALT scheme of the component is designed and the working limit value of the component under different sensitive stresses is obtained by test， which provides guidance for the life extension work.

Key words： ??missile-borne electronic equipment;HALT;accelerated life test;life extension

收稿日期：2020-03-04

基金項目： 國家自然科學基金項目（51605487）

作者簡介：韓建立（1967-），男，山東菏澤人，博士，教授，研究方向是海軍航空導彈裝備綜合保障。

通訊作者：張鑫（1993-），? 男，? 碩士研究生，研究方向是海軍航空導彈裝備綜合保障。