長(zhǎng)壽命電子設(shè)備加速壽命試驗(yàn)技術(shù)研究

唐少波，王田宇，宋宇康，王家鑫，謝軍，章華亮

（國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，桂林 541003）

引言

長(zhǎng)壽命逐漸成為電子設(shè)備的研制要求和發(fā)展趨勢(shì)，壽命也成為鑒定考核的重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的基于環(huán)境真實(shí)性模擬的可靠性評(píng)估方法已無(wú)法滿足其高可靠性的要求，如何快速高效地合理評(píng)價(jià)長(zhǎng)壽命電子設(shè)備的可靠性指標(biāo)是否達(dá)到規(guī)定要求，并縮短研制周期、滿足交付需求，已成為了長(zhǎng)壽命電子設(shè)備研制過(guò)程中急需解決的重要難題。加速壽命試驗(yàn)技術(shù)通過(guò)提高產(chǎn)品承受的應(yīng)力水平，在短時(shí)間內(nèi)激發(fā)和正常應(yīng)力相同的失效模式，是檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，加速壽命試驗(yàn)技術(shù)的研究和方案設(shè)計(jì)滿足了長(zhǎng)壽命電子設(shè)備壽命評(píng)估的工程需求。

伏洪勇等[1]利用阿倫尼斯模型設(shè)計(jì)了激光器及其薄弱環(huán)節(jié)的加速試驗(yàn)方案，確定了試驗(yàn)參數(shù)；吳松[2]等利用加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)了雷達(dá)系統(tǒng)電子產(chǎn)品在溫、濕度應(yīng)力下的可靠壽命驗(yàn)證方案，并給出了判定要求；黃赟等[3]利用高溫加速壽命試驗(yàn)，基于固定式光纖水聽(tīng)器的失效模式，確定了定時(shí)截尾試驗(yàn)時(shí)間；岳峰等[4]運(yùn)用加速試驗(yàn)預(yù)估激活能獲取加速因子，計(jì)算試驗(yàn)時(shí)間，評(píng)估了繼電保護(hù)裝置在溫、濕度應(yīng)力下的壽命。孔耀等[5]利用加速壽命試驗(yàn)和可靠性鑒定試驗(yàn)，確定了地面雷達(dá)故障時(shí)間，設(shè)計(jì)了地面雷達(dá)加速試驗(yàn)剖面。羅俊等[6]通過(guò)分析半導(dǎo)體器件貯存環(huán)境和失效機(jī)理，基于溫濕度雙應(yīng)力耦合模型預(yù)估失效模式激活能，確定了貯存18 年的可靠度。劉鵬等[7]基于變壓器的工作原理和失效機(jī)理，利用溫濕度雙應(yīng)力加速模型和指數(shù)分布，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證壽命的定時(shí)截尾試驗(yàn)方案，驗(yàn)證了變壓器壽命大于3 年的要求。

本文以加速壽命試驗(yàn)為指導(dǎo)，重點(diǎn)解決長(zhǎng)壽命電子設(shè)備壽命驗(yàn)證困難的問(wèn)題，基于溫、濕度雙應(yīng)力耦合的派克（Peck）模型，確定電子設(shè)備加速因子，并結(jié)合可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)以及指數(shù)分布，建立了電子設(shè)備正常工作與加速試驗(yàn)之間壽命消耗的等效關(guān)系，設(shè)計(jì)了電子設(shè)備壽命驗(yàn)證方案并給出了壽命滿足研制要求的判定準(zhǔn)則。

1 加速壽命試驗(yàn)建模

1.1 Peck 模型

加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪钦_反映電子設(shè)備壽命消耗與環(huán)境應(yīng)力之間的物理化學(xué)關(guān)系的關(guān)鍵，是進(jìn)行電子設(shè)備壽命外推的基礎(chǔ)。濕度應(yīng)力對(duì)電子設(shè)備的性能退化有較大影響，且一般伴隨溫度應(yīng)力使電子設(shè)備發(fā)生氧化、腐蝕等失效。故選用以溫、濕度作為主要耦合雙環(huán)境應(yīng)力的Peck 模型描述電子設(shè)備壽命與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，如式（1）所示[8,9]。

式中：

ζ—特征壽命；

RH—相對(duì)濕度；

B—濕度加速率常數(shù)，一般取值范圍為2~3；

A—與整機(jī)材料特性相關(guān)的常數(shù)；

Ea—激活能，單位是eV；

k—玻爾茲曼常數(shù)，取值約為8.62×10-5eV/K；

T—熱力學(xué)溫度，單位為K。

1.2 加速因子的確定

基于溫濕度復(fù)合應(yīng)力的Peck 模型，加速因子AF定義為電子設(shè)備正常工作環(huán)境應(yīng)力RH0、T0時(shí)的特征壽命 0ζ與加速環(huán)境應(yīng)力RH、T 時(shí)特征壽命ζ的比值為：

通過(guò)加速因子可以建立正常工作環(huán)境下的壽命和加速環(huán)境應(yīng)力下的壽命的等效關(guān)系。

2 加速壽命試驗(yàn)時(shí)間確定方法

2.1 加速壽命試驗(yàn)等效時(shí)間的確定

基于GJB 899A-2009《可靠性鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)》[10]以及電子設(shè)備壽命服從指數(shù)分布的假設(shè)，根據(jù)定時(shí)統(tǒng)計(jì)方案，電子設(shè)備加速壽命試驗(yàn)時(shí)間t 的估算公式為[3]：

式中：

t—電子設(shè)備在正常工作環(huán)境下可達(dá)到的壽命；

t'—在規(guī)定的置信水平α條件下加速壽命試驗(yàn)需要的等效試驗(yàn)時(shí)間；

γ—試驗(yàn)期間允許出現(xiàn)的故障數(shù)；

本文電子設(shè)備加速壽命試驗(yàn)的置信度水平選取為0.8，以此確定電子設(shè)備加速壽命試驗(yàn)等效時(shí)間。

2.2 加速壽命試驗(yàn)時(shí)間的確定

電子設(shè)備加速壽命試驗(yàn)本質(zhì)上是一種定時(shí)截尾可靠性試驗(yàn)，在故障數(shù)γ為0 時(shí)，需提供的等效試驗(yàn)時(shí)間為t'，結(jié)合加速因子建立電子設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展加速壽命試驗(yàn)的壽命消耗與正常工作壽命消耗的等效關(guān)系，使產(chǎn)品累積損傷達(dá)到相同的效果，則電子設(shè)備的加速壽命試驗(yàn)時(shí)間ttest折算公式為[2]：

3 案例分析

某長(zhǎng)壽命電子設(shè)備，正常工作環(huán)境為（30 ℃，65 %RH），已知研制要求為在80 %的置信度下壽命達(dá)到9 000 h 且不允許發(fā)生故障。試驗(yàn)樣本量為1 臺(tái)，基于該電子設(shè)備的壽命指標(biāo)及故障次數(shù)要求，采用加速壽命試驗(yàn)方法判斷該電子設(shè)備壽命是否達(dá)到所期望的研制要求。

3.1 加速因子計(jì)算

根據(jù)電子設(shè)備所處工作環(huán)境，結(jié)合其工作原理和失效機(jī)理，可知壽命主要受溫度和濕度耦合的雙環(huán)境應(yīng)力影響，所以本文采用Peck 模型，為兼顧壽命評(píng)價(jià)的快速性和應(yīng)力選取的合理性，且在加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中不引入電子設(shè)備新的失效模式。利用工程實(shí)際中常用的85 ℃/85 %RH 方法來(lái)驗(yàn)證該電子設(shè)備壽命。已知該電子設(shè)備預(yù)期失效模式的激活能Ea 為0.6，濕度加速率常數(shù)B 為2。代入式（2）可得該電子設(shè)備加速因子在（85 ℃，85 %RH）相對(duì)于（30 ℃，65 %RH）的加速因子為AF=81.27。

3.2 加速壽命試驗(yàn)等效時(shí)間的確定

當(dāng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果置信度取為0.8、故障數(shù)γ取為0 時(shí)，基于指數(shù)分布的假設(shè)和可靠性鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)定時(shí)方案統(tǒng)計(jì)理論，根據(jù)式（3），可獲得該電子設(shè)備等效試驗(yàn)時(shí)間為h。即當(dāng)加速壽命試驗(yàn)運(yùn)行14 485 h 且未出現(xiàn)任何故障時(shí)，可判定該電子設(shè)備壽命達(dá)到了研制要求。但在實(shí)際工作中在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展14 485 h 的試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)過(guò)程中所耗費(fèi)的人力和物力是根本無(wú)法滿足產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)和交付需求的，這也是工程實(shí)際中長(zhǎng)壽命電子設(shè)備壽命驗(yàn)證面臨的主要實(shí)際問(wèn)題。

3.3 加速壽命試驗(yàn)時(shí)間的確定

加速壽命試驗(yàn)時(shí)間的確定需要根據(jù)電子設(shè)備加速因子建立加速試驗(yàn)應(yīng)力下與正常使用工作環(huán)境應(yīng)力下壽命消耗的等效關(guān)系，根據(jù)加速因子，利用式（4），獲得加速壽命試驗(yàn)時(shí)間為h。

根據(jù)以上加速因子計(jì)算結(jié)果，1 臺(tái)電子設(shè)備在恒定加速溫度應(yīng)力為（85 ℃，85 %RH）的條件下，置信度為0.8，試驗(yàn)時(shí)間在249 h 內(nèi)，出現(xiàn)故障的次數(shù)為0 時(shí)，即可判定電子設(shè)備的壽命消耗等效9 000 h 的效果，可以做出壽命達(dá)到了研制要求的判斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Peck 模型，計(jì)算出電子設(shè)備在（85 ℃，85 %RH）下相對(duì)于正常工作環(huán)境為（30 ℃，65 %RH）的加速因子，結(jié)合可靠性鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)和壽命服從指數(shù)分布的假設(shè)，建立正常工作應(yīng)力和加速試驗(yàn)應(yīng)力之間壽命消耗的等效關(guān)系，計(jì)算出電子設(shè)備加速壽命試驗(yàn)時(shí)間，在約178 h 的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)使整機(jī)的壽命消耗等效9 000 h 的效果，利用加速壽命試驗(yàn)提高試驗(yàn)應(yīng)力大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提升了試驗(yàn)效率，利用加速壽命試驗(yàn)可在較短時(shí)間內(nèi)快速驗(yàn)證產(chǎn)品壽命，滿足長(zhǎng)壽命電子設(shè)備壽命快速評(píng)價(jià)的需求。