艦用電子產品失效機理分析與加速模型構建

摘 要：艦用電子產品具有高可靠與長壽命的特征，其可靠性水平的快速評估是保障質量的重要手段，文章給出了一種適用于艦用電子產品的加速模型構建方法。首先，收集與分析航行海域氣象信息，量化主要海洋環境與應力量值；其次，開展艦用電子產品特征分析和故障機理分析，給出電子產品典型失效模式及其敏感應力；最后，給出了基于故障物理的加速模型構建方法，確定了低溫-65 ℃，高溫90 ℃，溫變速率15 ℃/min的加速應力，加速因子5.6，為快速評價艦用電子設備壽命指標提供了參考。

關鍵詞：艦用電子產品；海洋環境；失效機理；加速模型

中圖分類號：TP273+.4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0029-07

Failure Mechanism Analysis and Acceleration Model Construction of Shipboard Electronic Products

WANG Hongtao， TAO Zhihua， BAO Litao， WANG Zhan

（Reliability and Environmental Engineering Division of GRG Metrology & Test Group Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract： Shipboard electronic products have the characteristics of high reliability and long lifespan， and the fast evaluation of its reliability level is an important means to guarantee the quality. This paper provides an accelerated model construction method suitable for shipboard electronic products. Firstly， the meteorological information of the navigation sea area is collected and analyzed， and the main marine environment and stress value are quantified. Then， it carries out characteristic analysis and fault mechanism analysis of shipboard electronic products， gives the typical failure modes and their sensitive stresses of electronic products. Finally， the construction method of the acceleration model based on fault physics is given， and the acceleration stresses of low temperature of -65 ℃， high temperature of 90 ℃ and temperature change rate of -15 ℃/min are determined， and the acceleration factor is 5.6， which provides a reference for rapidly evaluating the life index of shipboard electronic equipment.

Keywords： shipboard electronic product; marine environment; failure mechanism; accelerator model

0 引 言

艦用電子設備具有高可靠和長壽命的特征，工程經驗表明，基于GJB 899 A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》和《海軍電子裝備可靠性鑒定試驗實施方法（2002）》開展可靠性指標考核存在試驗時間長及研制成本、研發周期難以承受的風險。加速試驗是通過提高試驗應力水平或者增大交變應力施加頻度，在短時間內找出設備潛在的設計薄弱環節，識別設備的可靠性信息，實現設備可靠性水平的增長及快速評估。

本文針對艦船艙內外電子設備可靠性指標驗證需求，開展典型海域自然條件分析[1]，深入研究元器件級、零（部）件級和設備級的典型失效模式[2]，識別主要敏感應力，結合GJB 899A—2009艦船試驗剖面，從故障物理分析方向研究加速模型構建方法。

1 海洋環境分析

1.1 高溫環境

高溫環境主要集中在熱帶，以索馬里海域為例，綜合公開數據、技術文獻與標準信息進行高溫環境分析，如表1所示。

公開數據平臺公布的氣溫數據明顯低于試驗標準規定的試驗溫度值，主要原因是GJB 4—1983及GJB 4000—2000等標準中包含了太陽輻射熱效應引起的局部誘發熱。貯存溫度應按GJB 150.3A—2009及MIL-STD-810 H中高溫試驗熱循環程序規定的最高溫度條件確認溫度應力：35～71 ℃；工作溫度應按照GJB 4000—2000第072章中無氣候防護、世界可航水域情況取值：65 ℃。

1.2 低溫環境

低溫環境主要集中在極區，以北冰洋海域為例，綜合公開數據、技術文獻與標準信息進行低溫環境分析，如表2所示。

艦船甲板及外部電子設備的低溫適應性應根據其任務想定確定，應具備-54 ℃環境下工作與貯存的能力。

1.3 高濕環境

海洋高濕環境主要集中在熱帶海洋氣候地域，以索馬里海域為例開展高濕分析。根據我國國家海洋環境預報中心每月發布的《海洋氣候監測月報》數據顯示，在每年6月和12月期間海表溫度在25～32 ℃之間，8月份表層水溫達27～32 ℃，海表是水蒸氣的直接來源，相對濕度（RH）可達80%～90%。

1.4 振動環境

水中振動譜含有由于航速、海況、機動等變化誘發的隨機分量，以及螺旋槳旋轉、往復機械及艦體共振引起的周期分量；同時要考慮艦船結構、裝備安裝結構和裝備的傳遞特性也會影響裝備的振動。綜合考慮艦用電子設備全壽命周期可能經歷的振動環境，包括已安裝電子設備工作下經歷的振動和備品備件作為貨物運輸經歷的振動。參考標準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A的A.2.2.8和A.2.3.11確認振動量級、持續時間及試驗程序[8]。

2 故障機理和失效模式及敏感應力分析

電子設備的失效模式由其使用環境決定，是影響其實際可靠性水平的最主要因素。結合海洋環境分析及各服役工況下不良品的故障機理，給出引起電子設備典型失效模式及其敏感應力。

2.1 故障機理分析

依據外在表現形式，故障機理往往區分為過應力型機理（偶然失效）和耗損型機理（持續退化失效）。對于過應力型機理，當應力超過產品所能承受的強度時產品就會發生失效，如果應力低于產品的強度時，該應力不會對產品造成影響；在耗損型機理中，應力加載的效應通過對產品造成的損傷累積來體現，此損傷累積也可能會導致產品性能退化，或內部材料的抗應力強度發生退化，當退化達到規定閾值，產品即發生故障。

2.2 艦用電子設備特征分析

艦用電子設備主要由微電子器件、微波器件、光電子器件、高密度封裝電路、真空電子器件、阻容感器件、繼電器與接插器件以及PCB載體電子器件等組成，在開展失效機理分析前，需對這些器件開展特征分析，如表3所示。

2.3 失效模式分析

基于對艦用電子設備的電子器件特征分析，明確了艦用元器件、電子板卡和電子設備的主要失效機理，如表4所示。

2.4 敏感應力分析

艦用電子設備在全壽命周期的失效是由多種應力共同作用，常見失效機理與敏感應力的對應關系如表5所示。

3 基于故障物理的加速試驗

3.1 故障物理概述

故障物理是從微觀角度，研究元器件、電路板和結構的故障機理，通過分析工作條件、環境應力及時間對故障的影響，確定故障機理、引發機理的應力條件以及對應的故障物理模型。其中，引發主機理的應力條件可作為加速試驗設計的加速應力，故障物理模型可用于加速因子計算[9-11]。本文基于故障物理進行加速模型構建，利用產品仿真試驗分析數據確定產品在正常應力和加速應力下的故障分布，然后根據故障分布特征參數計算加速因子，確定產品的加速試驗模型。

3.2 加速模型構建

3.2.1 明確典型任務剖面

某艦船倉內設備壽命要求30 000小時，根據壽命考核方法，其工程經驗系數k取1.5，壽命試驗時間應為45 000小時。按照傳統試驗方法，根據其典型任務剖面，制定可靠性試驗剖面，如圖1所示，每個剖面的試驗周期為14小時，需要進行3 214個周期試驗。

3.2.2 敏感應力分析

由于在前期試驗數據中沒有發現耗損型故障數據，因此根據受試產品最新技術狀態的可靠性仿真試驗結果確定敏感應力。通過基于故障機理的仿真分析，受試產品中存在5個薄弱環節，如表6所示。

從表6可以看出，5個薄弱環節均由溫度應力引起失效，所以受試產品的敏感應力為溫度。

3.2.3 加速溫度應力條件初步確定

根據強化試驗得到的極限工作應力：低溫-75 ℃、高溫110 ℃、振動22 g（電磁臺，GJB 899中機載設備譜），考慮到產品技術狀態的離散性，取低溫+10 ℃和高溫-20 ℃作為溫度范圍，初步確定溫度循環條件：低溫-65 ℃，保溫30 min；高溫90 ℃，保溫90 min；溫變率15 ℃/min；一個循環時間為140 min。

3.2.4 加速試驗時間計算

首先，以傳統可靠性試驗剖面（圖1）為輸入條件，通過可靠性仿真試驗得出正常條件下的前10個潛在薄弱點，其故障信息矩陣如表7所示。

其次，加速試驗條件下的平均故障首發時間，通過正常條件下前10個潛在薄弱點進行分析，其故障信息矩陣如表8所示。

再次，獲得潛在故障點正常時間和加速條件下的首發故障時間及加速因子，如表9所示。

最后，根據潛在故障點的加速因子進行算術平均，獲得產品加速因子：

等效試驗時間計算：

Tr = （CN / δr）×（140 / 60） = （3 214 / 5.6）×（140 / 60） = 1 340 h

加速試驗時間在700～1 400 h之間。不需調整加速條件，壓縮圖1中連續振動應力，并與（3）中最終確認的溫度應力綜合（最大振動應力的起始點與測試點一致），在低溫保持20 min時通電，高溫保持結束時斷電，得到的加速試驗剖面如圖2所示。

綜上，受試樣品可靠性加速試驗的試驗剖面如圖2所示，試驗時間為1 340 h。

4 結 論

本文面向高可靠、長壽命艦用電子設備可靠性指標驗證需求，通過失效模式影響分析，給出設備敏感應力及量值，結合GJB 899A—2009艦船試驗剖面，給出了基于故障物理加速模型構建方法及相關案例。本方法在保證失效機理不變（熱疲勞）的條件下，給出了加速因子與加速試驗剖面，試驗時間由45 000 h轉化為1 340 h，為快速評價艦用電子設備可靠性指標提供了參考。

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作者簡介：王紅濤（1990—），男，漢族，山東濟寧人，中級工程師，碩士，研究方向：海洋裝備通用質量特性設計分析與綜合保障分析。