機載電子設備高加速可靠性試驗技術研究

劉曉旭

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241）

引言

隨著科學技術的進步，電子設備復雜程度越來越高，可靠性要求也越來越高，傳統的可靠性環境模擬試驗技術已經趕不上電子設備發展的步伐[13]。尤其是機載電子設備，可靠性指標要求平均故障間隔時間（MTBF）長達幾萬小時，如果采用傳統的可靠性環境模擬試驗，試驗周期長、成本高。高加速可靠性試驗是在克服可靠性環境模擬試驗周期長、效率低、耗費大等缺點的基礎上發展起來的一種新的可靠性試驗技術。

高加速可靠性試驗與傳統的可靠性環境模擬試驗最大的不同之處，是不模擬真實環境，而是對試件施加比真實使用條件更加殘酷的環境條件和更高的工作應力，以快速激發并排除產品潛在的缺陷、提高產品可靠性、縮短產品研制周期。

最早研究高加速可靠性試驗技術的國家是美國[1]，將采用強化應力來激發電子設備缺陷的方法稱為高加速 壽 命 試 驗（HALT：Highly Accelerated Life Test）、將能夠快速有效地暴露設計薄弱環節和剔除制造工藝缺陷的試驗技術稱為高加速應力篩選（HASS：Highly Accelerated Stress Screening）[2]，HALT是針對產品設計的，HASS是針對產品生產過程的。

現提出一種針對電子設備的高加速可靠性試驗技術，該技術將HALT和HASS有效結合，其核心是對產品逐步施加大幅度超過設計規范的應力，逐漸剔除電子設備在研發階段的缺陷。

高加速可靠性試驗方法可以廣泛的應用于航空航天、電子科技、汽車工程等領域中。引入高加速可靠性環境試驗技術，可縮短產品的技術迭代時間、加快提高產品可靠性水平的速度、從而節省電子設備的研制周期和成本。

1 高加速壽命試驗（HALT）概述

高加速壽命試驗（HALT）為電子設備的一種破壞性試驗，在電子設備設計過程中，通過逐步提高環境應力，直至電子設備出現故障或功能失效，從而確定電子設備的工作環境邊界條件、得出其對環境的耐受能力，同時，為后續的高加速應力篩選（HASS）試驗剖面參數的設計提供依據。

2 高加速應力篩選（HASS）的基本原理

HASS作為一種強化應力試驗方法，其理論依據是故障物理學。機械應力與相關疲勞損傷的關系[5]：

式中：

D—米勒判據疲勞損傷累積；

N—應力循環數；

S—機械應力；

β—材料特性參數。

從公式（1）中可以看出，疲勞損傷累積D與機械應力S呈現指數關系，隨著S的增大D快速增大。在環境激勵下，產品中有缺陷部位應力容易集中，產品中有缺陷的部位容易產生比完好部位大得多的應力而迅速積累起疲勞損傷，在更短的時間內達到疲勞損傷極限而變成故障析出。HASS把故障或失效作為主要研究對象，通過激發產品缺陷，發現產品技術上的問題并進行解決，以達到提高產品可靠性的目的。HASS試驗技術基于這一原理，通過試驗的方式向被試件施加比正常使用條件更加嚴苛的環境應力，以快速激發產品缺陷、提高產品可靠性、縮短產品研制周期。

HASS試驗技術效果主要由以下兩方面決定：第一，環境應力的嚴苛程度，決定了能否激發出因潛在缺陷引發的故障；第二，被試品的檢測能力，決定了其能否檢測到激發出來的故障。

3 高加速可靠性試驗及參數的選擇

高加速可靠性試驗技術的核心是將HALT與HASS結合，其主要步驟是：第一，依據HALT試驗結果選擇HASS試驗中的關鍵參數；第二，確定HASS剖面；第三，驗證HASS剖面。

HASS試驗剖面中的高溫、低溫、振動指標參數主要依據HALT的試驗結果進行選擇。HASS試驗剖面的參數包括：高溫工作極限溫度值、低溫工作極限溫度值、高低溫保持時間、溫度變化速率、振動量級、振動應力施加的時機及時長。高溫工作極限值（溫度值）、低溫工作極限值（溫度值）及振動應力值可根據圖1～3并采用以下方法選取：HASS試驗剖面中高低溫工作應力指標取值為圖1和圖2確定的工作溫度極限值的80 %作為高低溫上下限，振動步進應力最大值取值為圖3確定的振動工作極限的50 %。通過圖1～3所示的曲線對試驗樣品進行摸底試驗，得到圖4所示的試驗曲線。

圖1 低溫步進試驗曲線示意圖

圖2 高溫步進試驗曲線示意圖

圖3 振動步進試驗曲線示意圖

圖4 溫循+振動步進試驗曲線示意圖

其中，溫度應力起始溫度一般選擇常溫25 ℃，步進的階段性溫度取值一般為（5～10）℃，在產品規范規定的范圍內可取值10 ℃，到了超過產品技術規范規定的溫度指標后，可選擇每階段溫度升/降5 ℃，每階段溫度穩定至少30 min，溫度穩定之后在該階段穩定溫度下施加電應力進行一次功能性能測試，如產品功能性能測試正常，則依次類推直至電子設備發生故障。以低溫工作極限和破壞極限的確定步驟為例進行詳細說明：如圖5所示，試驗從起始溫度開始，按一定的步進值降溫。當溫度降至T2時，試驗產品出現失效；再將溫度恢復至T1，試驗產品恢復正常；繼續將溫度降至T3，試驗產品又出現失效，此時將溫度再次恢復至T1，試驗產品又恢復正常，則確認T1為試驗產品的低溫工作極限。繼續降溫，若當溫度降至T4時，試驗產品出現失效，接著將溫度恢復至T1，試驗產品未能恢復正常，且繼續升溫至起始溫度后，試驗產品依然不能恢復正常，則確定T4為試驗產品的低溫破壞極限。高溫和振動的工作極限和破壞極限試驗方法類似。

圖5 低溫工作極限和破壞極限試驗示意圖

4 高加速應力篩選（HASS）剖面的建立

HASS剖面的建立遵循兩大原則：有效性和經濟性。選擇適用的應力能夠快捷、有效地激發出電子設備的缺陷，同時又不會損壞新產品或產生新的缺陷且不能消耗產品超過10 %的壽命。

4.1 HASS高、低溫溫度值的確定

根據第3節內容確定的高溫工作極限值為UOL，低溫工作極限值為LOL，可通過以下公式計算出HASS的高溫溫度值TH和低溫溫度值TL：

通過上述公式（2）和（3）計算得出HASS試驗的溫度范圍為[TL，TH]。

4.2 HASS剖面的初步建立

根據上述要求，高溫溫度值和低溫溫度值依據公式（2）和公式（3）可確定TH和 TL，振動量級取值振動工作極限的50 %，記為ZG。

1）循環次數執行2～5次，具體的次數可參考本文4.3節要求根據驗證結果來確定；

2）試驗過程中，需全程施加電應力；

3）高溫和低溫的溫度值保持時間，取值在（30～60）min范圍內，具體可根據各產品實測時間進行調整；

4）溫度變化速率為40 ℃/min。

根據以上條件，確定HASS的初步試驗剖面，如圖6所示。

圖6 HASS試驗曲線示意圖

4.3 驗證HASS剖面

驗證HASS剖面的目的是對HASS試驗效果進行評價，以便有效地剔除缺陷并且降低產品壽命的減少程度。評價HASS試驗效果的步驟如下。

1）確認HASS的有效性：按照圖6進行初步的篩選，并對篩選后的效果進行相應的分析。如發生失效，試驗應立即暫停，并分析故障的根本原因，以判斷故障問題。如果發生故障的根本原因是施加的應力過于嚴苛或產品正常壽命損耗，則需降低應力并對新的被試品重新進行試驗；對于沒篩選出故障的被試品，則增大應力或增加每次篩選的周期數。

2）被試品的壽命影響評估：壽命影響評估是評估經過篩選后，經篩選后不存在潛在缺陷的被試品剩下的壽命。至少進行10次篩選而不發生故障，例如，被試品經過1次篩選后，還能夠至少經過9次同樣條件的篩選后不會出現故障。如果對確信度的要求高，則需要增加篩選程序試驗次數，發生任何失效現象，試驗應立即暫停，并對出故障的被試品進行故障的根本原因分析。

5 HASS剖面的應用

以某型電子設備為例，其HASS剖面如圖7所示、傳統試驗剖面如圖8所示。

圖7 HASS試驗剖面示例

按照圖7所示的HASS試驗剖面，試驗周期約為20 h。按照圖8所示的傳統試驗剖面，試驗周期約為40 h。

圖8 傳統試驗剖面示例

可見，按照HASS剖面開展試驗、相比傳統試驗剖面、試驗周期至少節省50 %。

可以采用經驗證過的HASS剖面，作為一種快速而有效的方法，但試驗還要結合用戶反饋的問題、故障等信息進行適當調整。當發生設計更改時，也應修正相應的測試條件、以保證其符合產品的新要求。在開展HASS試驗前，必須對所選的試驗設備進行確認。確認方法是在電子設備被試品上安裝傳感器（如溫度傳感器、振動傳感器等）對溫度和振動應力進行監測，以便進行適當的調整，使其與篩選程序中設定的環境條件保持一致，從而避免過大的響應誤差給試驗帶來風險。

6 測量裝置要求

按照上述HALT和HASS結合的方法開展試驗時，必須實時監測施加在被試品上的環境響應參數，包括：溫度響應、振動響應相關參數及測量裝置的技術指標。

1）溫度測量裝置，應測量并記錄被試品各關鍵部位的表面溫度，且能夠提供多通道的溫度監測裝置。

2）振動測量裝置，應測量并記錄試驗樣品各關鍵部位的振動響應，且能夠提供多通道的振動測量裝置，也可通過試驗裝置本身的振動測量系統進行監測，對于加速度傳感器而言，應在響應溫度范圍內保持良好的工作特性，加速度監測范圍可根據產品規范來規定。

7 結論

作為當下新興的試驗技術，該技術的研究對型號項目而言具有重大意義。其優點總結如下。

1）高加速可靠性試驗技術利用了在產品缺陷處應力集中，導致機械應力指數級增大的原理，通過施加比產品正常使用條件嚴苛得多的環境條件，快速地激發出缺陷，使其缺陷處迅速產生疲勞損傷的目的；

2）HASS剖面的形成是奠定在高加速度壽命試驗（HALT）基礎上，通過HALT得出的產品的工作極限和破壞極限，以確定出HASS剖面的參數，且最后通過驗證來最終確定應力量值、估算壽命損耗比例，因此確定HASS剖面的過程也是一個探索性的試驗過程；

3）高加速可靠性試驗技術的實現，可從根本上提高產品的可靠性，其效率高、成本低，可大幅度縮短產品研發周期，加快型號項目研制；

4）通過對型號項目中電子設備的可靠性試驗數據的積累，可進一步研究并制定電子設備行業內高加速可靠性試驗技術方面的規范及指南。