一種基于溫度模型的加速可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)應(yīng)用

李 源，杜 禎，劉 博，李巖松

（1.北京泰瑞特檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京 100015；2.海信視像科技股份有限公司，山東 青島 266555）

0 引 言

可靠性是一種用來描述產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間及條件下處于無失效狀態(tài)的術(shù)語[1]。平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure，MTBF）試驗(yàn)是可靠性試驗(yàn)中較為重要的一項(xiàng)內(nèi)容。

如今，電子信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，電工電子類產(chǎn)品往往表現(xiàn)出一種型號(hào)繁多、研發(fā)周期短、更新?lián)Q代速度快的特征。這樣的特征直接影響了產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)過程中各項(xiàng)試驗(yàn)的周期，尤其是MTBF這類長周期試驗(yàn)，受影響程度更加嚴(yán)重，且企業(yè)、使用方對(duì)產(chǎn)品可靠性性能的重視程度日趨增長，正逐步成為產(chǎn)品質(zhì)量要求的重點(diǎn)考核項(xiàng)。由此可見，如何合理地縮短試驗(yàn)周期非常重要。

1 MTBF試驗(yàn)概述

MTBF試驗(yàn)是一種具有統(tǒng)計(jì)學(xué)概念的、考核產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力的試驗(yàn)。MTBF試驗(yàn)主要針對(duì)可靠性指標(biāo)用時(shí)間度量的電子產(chǎn)品、部分機(jī)電產(chǎn)品及復(fù)雜的功能系統(tǒng)，這些產(chǎn)品或系統(tǒng)的壽命往往呈現(xiàn)出指數(shù)分布的特征。MTBF試驗(yàn)中較為關(guān)鍵的一點(diǎn)是根據(jù)需求及各方實(shí)際情況選擇合適的截尾方式，一般分為定數(shù)截尾、定時(shí)截尾及序貫截尾三種截尾方式。

2 研究目的

本文主要針對(duì)某型視頻集控設(shè)備進(jìn)行加速的MTBF試驗(yàn)，以合理可行的方式，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量、分析產(chǎn)品薄弱項(xiàng)的目的。

3 MTBF試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文涉及的視頻集控設(shè)備根據(jù)其實(shí)際使用情況及特點(diǎn)，依據(jù)GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》進(jìn)行MTBF試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3.1 驗(yàn)收指標(biāo)

本試驗(yàn)要求產(chǎn)品常溫下，最低可接收時(shí)間為3 000 h。

3.2 截尾方式

目前此類試驗(yàn)的截尾方式一般分為定數(shù)截尾、定時(shí)截尾和序貫截尾三種截尾方式，三種方式各具特點(diǎn)。其中，定時(shí)截尾判斷故障數(shù)、試驗(yàn)時(shí)間及費(fèi)用在試驗(yàn)前便可確定，具有便于管理的特點(diǎn)，因此該種截尾方式是使用最為頻繁的一種截尾方式。為方便管理，本試驗(yàn)也采用定時(shí)截尾的截尾方式。

3.3 試驗(yàn)方案

本次可靠性鑒定試驗(yàn)方案采用GJB 899A—2009 《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》的定時(shí)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方案中第21號(hào)方案。詳細(xì)信息如表1所示[2]。

表1 定時(shí)結(jié)尾試驗(yàn)方案簡(jiǎn)表

本次試驗(yàn)共5臺(tái)樣機(jī)，根據(jù)驗(yàn)收指標(biāo)及表1，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間Ts為

式中：θ1為最低可接受時(shí)長，單位為h；n為樣品數(shù)量。

由此，在非加速情況下，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間為660 h。

3.4 加速因子

加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ头从沉水a(chǎn)品壽命與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，可以分為物理加速模型、經(jīng)驗(yàn)加速模型及統(tǒng)計(jì)加速模型三類[2]。本文使用的模型為物理加速模型，該類試驗(yàn)中加速應(yīng)力一般可選擇溫度、濕度及電應(yīng)力三種，對(duì)應(yīng)應(yīng)力的加速模型均是通過與失效機(jī)理相關(guān)的物理原理推導(dǎo)而來，其分別對(duì)應(yīng)阿倫尼斯模型、艾琳模型及逆冪律模型。本次試驗(yàn)選用溫度應(yīng)力作為加速應(yīng)力。加速M(fèi)TBF試驗(yàn)中用溫度作為加速應(yīng)力是最為常見的，因?yàn)楦邷啬苁巩a(chǎn)品（如電子元器件、絕緣材料等）內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)加快，會(huì)促使提前失效。

加速應(yīng)力的加載方式主要分為恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力及序進(jìn)應(yīng)力三種，各不同應(yīng)力加載方式的特點(diǎn)如表2所示[4]。

表2 不同應(yīng)力加載方式對(duì)比表

由于恒定應(yīng)力加載方式更加簡(jiǎn)單可行、便于估計(jì)，故本次試驗(yàn)采用以恒定溫度應(yīng)力進(jìn)行加速的方式進(jìn)行試驗(yàn)。由該型視頻集控設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)可知，其最高使用環(huán)境溫度為30 ℃，現(xiàn)規(guī)定本試驗(yàn)加速環(huán)境溫度為50 ℃。由阿倫尼斯模型可計(jì)算加速因子Aη為：

式中：E為活化能，單位為eV；K為玻爾茲曼常數(shù)，單位為eV/K；Tn為最高使用環(huán)境溫度，單位為K；Ta為加速環(huán)境溫度，單位為K。

其中，活化能取0.7 eV，玻爾茲曼常數(shù)為8.623×10-5eV/K。由此可得此次加速M(fèi)TBF試驗(yàn)的加速因子Aη=4.826。則有加速后的試驗(yàn)時(shí)間取整為137 h。

3.5 應(yīng) 力

3.5.1 電應(yīng)力

本次試驗(yàn)剖面電應(yīng)力設(shè)計(jì)參照SJ/T 11325—2006《數(shù)字電視接收及顯示設(shè)備可靠性試驗(yàn)方法》并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，確定電壓范圍為額定電壓的-10%～+10%。每8個(gè)小時(shí)變換一次電壓，其中7.5 h通電，0.5 h斷電。電壓分別為額定電壓的90%、額定電壓、額定電壓的110%。該樣品為內(nèi)銷型，額定電壓為220 V，電壓變化順序依次是198 V、220 V、242 V，以上24 h為一個(gè)周期。在工作周期之間的試驗(yàn)可以中斷，但整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中只允許中斷一次，中斷時(shí)間不得超過24 h[5]。

3.5.2 氣候應(yīng)力

溫度應(yīng)力以加速環(huán)境溫度為準(zhǔn)，取50 ℃定值。為消除濕度應(yīng)力對(duì)加速效果的影響，過程中以恒定70% RH的相對(duì)濕度進(jìn)行試驗(yàn)。因條件受限，氣壓值不做控制，滿足86～106 kPa的常壓值即可。

3.6 任務(wù)剖面

依據(jù)上述對(duì)電應(yīng)力、溫度應(yīng)力及濕度應(yīng)力的選擇，可靠性試驗(yàn)任務(wù)剖面如圖1所示。

圖1 可靠性試驗(yàn)剖面圖

3.7 失效判據(jù)

樣品出現(xiàn)以下任一狀態(tài)均判定為故障：

（1）在規(guī)定的條件下，某一個(gè)或幾個(gè)功能喪失；

（2）試驗(yàn)中時(shí)好時(shí)壞、原因不明的故障；

（3）在規(guī)定條件下，某一個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)參數(shù)超出允許范圍；

（4）在規(guī)定的條件下，出現(xiàn)設(shè)備功能的機(jī)械部件、結(jié)構(gòu)件或元件破裂、斷裂或損壞的狀態(tài)；

（5）產(chǎn)品進(jìn)行了規(guī)定以外的調(diào)整或更換零部件；

（6）測(cè)試時(shí)某一檢驗(yàn)項(xiàng)目不合格。

4 失效效應(yīng)危害程度

將本實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的責(zé)任故障按照危害等級(jí)分為四類。在試驗(yàn)進(jìn)行過程中如發(fā)生責(zé)任故障，應(yīng)及時(shí)依據(jù)表格內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)記錄。失效效應(yīng)危害程度的等級(jí)劃分如表3所示。

表3 失效效應(yīng)危害等級(jí)表

5 單邊置信度

當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束并判定為接收時(shí)，責(zé)任故障r=0，由GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》接收時(shí)MTBF的計(jì)算方法，樣品的MTBF單邊置信下限估計(jì)值為：

式中：θL為最低可接受時(shí)長，單位為h；T為試驗(yàn)總臺(tái)時(shí)，單位為h；β′為使用方實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)。

由表1及指標(biāo)要求可得：

此時(shí)單邊置信度為66.7%，滿足GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》接收時(shí)MTBF的要求。

6 結(jié) 語

本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及加速模型理論，針對(duì)某型視頻集控設(shè)備實(shí)際情況設(shè)計(jì)了一套可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)方案，并對(duì)其單邊置信度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明其符合GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》試驗(yàn)結(jié)果為接收時(shí)MTBF的要求。

由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，此試驗(yàn)?zāi)Ｐ头桨竷H適用于個(gè)別產(chǎn)品，無標(biāo)準(zhǔn)文件，非所有產(chǎn)品均可直接應(yīng)用。但方案為與該型視頻集控設(shè)備類似的其他產(chǎn)品進(jìn)行加速可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)提供了一定的參考。依托溫度加速模型，為實(shí)現(xiàn)合理縮短MTBF試驗(yàn)時(shí)間提供了可能性。