加速试验工程运用综述

杨玉兴，程德斌

（1.海军驻广州七五○厂军事代表室，广东 广州 510656；2.工业和信息化部电子第五研究，广东 广州 510610）

0 引言

从目前加速试验技术的研究情况来看，加速试验包括定性试验（如HALT/HASS）、定量的加速寿命试验和定量的加速退化试验；施加的应力类型主要有温度、温度－湿度、温度－电应力；应力施加的主要方式包括恒定应力、步进应力、序进应力[1]；数据处理运用的模型主要包括阿伦尼斯模型、逆幂模型、布朗漂移运动模型[2]。本文讨论加速试验应力类型、应力施加方式、数据处理模型的工程运用中应注意的问题。

1 试验类型的选择

加速试验的共性是通过高应力以达到加速的目的。定性的加速试验主要是采用高应力来主动刺激故障的发生，尽快暴露产品的缺陷，寻求改进的方法，不采用加速模型进行定量计算。定量的加速寿命试验主要是通过试验来确定产品的寿命，加速寿命试验要选择合适的加速模型，通过多组加速试验来求解模型参数，从而通过试验数据预测产品的寿命。但是，加速寿命试验需要大量的样品，并且要求有一定失效量的发生，否则，无法求解模型参数以预测产品寿命，在预期的试验周期内试验效果难以得到保证。定量的加速性能退化试验主要是通过试验预测产品的性能从而确定产品的寿命，加速退化试验也需要选择合适的加速模型，通过多组加速试验来求解模型参数，通过试验数据来预测产品的性能参数。加速退化试验所需的样品相对较少，也无需失效的发生，在预期的试验周期内试验效果一般能够得到保证。因此，加速退化试验相对于加速寿命试验具有一定的时间和成本优势。

2 试验应力类型的讨论

从工程实际需求的角度来说，加速寿命试验中施加的应力应是产品在实际贮存和使用环境中所承受的应力；从失效机理的角度来说，加速寿命试验中施加的应力应是引起产品发生失效的主要应力。然而，产品在实际环境中承受的应力可能随着产品的贮存和使用地点的不同而变得非常复杂和不同，产品失效机理分析数据往往非常缺乏或者引起失效的应力类型多种多样。即便能够确定产品在实际环境中承受的应力种类和失效机理，如果考虑的应力类型过多，可能导致数据处理模型变得复杂而难以求解，即使能求解也需要更多组的试验和更多的样品。因此，在实际工程中，应对产品施加其实际环境中承受的、导致产品失效的主要应力类型（温度、湿度、电应力和振动），以保证加速试验的可操作性和数据处理的方便性。

从工程操作看，单温度应力类型的加速试验操作简单、方便，数据处理模型成熟，试验设备能力能够满足预期的要求，运用的范围广、可操作性强。温度-湿度应力类型的加速试验数据处理模型运用较少，试验设备能力在温度和湿度之间存在制约关系，过高的温度应力将导致湿度应力无法施加，可控制的湿度应力又会极大地降低温度应力水平。目前，国内使用的普通温湿度箱都只能达到双85的控制能力（即85℃、85%RH），因此，普通温湿度箱的加速试验的加速效果并不一定理想。使用高压蒸煮试验设备，其温湿度也只能达到140℃、100%RH，箱内压力也将增加到2～3个大气压，而且目前高压蒸煮试验设备的数量和容积都非常有限，通常没有足够数量的设备可供完成加速试验。电应力主要用于工作状态加速试验，不能运用于非工作状态的加速寿命试验。

通过以上分析，可以得出如下结论：在工程实际中，具有较强可操作性的是温度应力、温度-电应力。温度应力用于贮存状态和工作状态加速寿命试验均可，但温度-电应力模型只能用于工作状态加速寿命试验。

然而，从产品失效机理来说，湿度应力对某些产品的失效影响是不容忽视的，非固定设备的振动应力对其失效的影响也不容忽视。因此，在未来的加速寿命试验技术研究领域应加强对温度-湿度模型及其试验设备能力的研究，以及加强振动应力模型的研究，以使加速寿命试验技术不但具有工程操作性，而且能够更加接近产品实际承受的环境应力状态。

3 试验应力施加方式的讨论

试验应力施加方式包括恒定应力、步进应力、序进应力。恒定应力和步进应力加速试验操作简单，试验设备容易满足要求。不同的是，恒定应力加速试验所需的试验样品较多，多组试验可以并行进行，试验进度上好把握；步进应力加速试验所需的试验样品较少，一组样品进行试验，但试验只能串行进行，因此，试验进度上存在一定的风险。序进应力加速试验对设备要求较高并且精度不高，其优点是时间短。从工程的可操作性来看，恒定应力加速寿命的操作性最强，试验进度好控制，在试验样品充足的情况下，建议采用恒定应力加速试验。对产品至少应进行3组恒定应力加速试验，才能有效地将某个应力类型的2个参数模型（阿伦尼斯模型为A、Ea，逆幂模型为k、n）求解出来。在有条件的情况下（有足够的样品、并且应力能够适当安排），应该进行4～5组试验，更能保证模型参数求解的准确性[3]。

4 数据处理模型的讨论

4.1 阿伦尼斯模型

阿伦尼斯模型是一个成熟的温度应力模型，得到学术界广泛的研究，并且被广泛地运用于工程中。我们在此探讨的是阿伦尼斯模型的加速效果问题，为欲采用阿伦尼斯模型、但不曾有使用经验的技术人员提供借鉴。阿伦尼斯模型的表达式是R可进一步表示为L加速因子为AF=exp在确定了产品的加速温度应力和实际温度应力的前提下，加速因子仅取决于Ea。图1描述了从30～170℃每升高10℃后相对于前一温度点的加速因子的大小，图2描述了相对于实际温度30℃时，各加速温度下的加速因子。从图1可以看出，Ea对加速因子的影响非常大，对Ea在0.5～1.0之间，每升高10℃，加速因子大致为2倍，即寿命差不多降低一半。但是，当Ea增大或减小时，温度与加速因子呈指数关系急剧地变化。从图2可以看出，Ea=0.5时，80℃相对于30℃，加速因子为15倍；Ea=1.0时，80℃相对于30℃，加速因子达到227倍。由此可见，在采用80℃加速应力时，激活能仅相差1倍，但加速因子相差15倍，而且随着加速温度的升高，加速因子增大的速度仍将加快。因此，在确定了产品的加速温度的前提下，产品的激活能Ea从根本上确定了产品的加速因子，产品的激活能Ea与加速因子成指数关系。对加速试验来说，激活能Ea的准确程度，成为加速试验的关键，因此，激活能Ea的度量方法的准确程度非常关键。

图1 温度每升高10℃，寿命降低倍数

在进行加速试验前，在预期产品的实际环境温度和加速应力温度的前提下，我们可以根据AF的计算模型初步预估一下不同激活能状态下的加速因子能够达到多少，以初步验证加速效果能否满足预期的要求。在无法满足预期要求的情况下，一方面，考虑能否进一步提高加速温度，以达到预期要求；另一方面，在加速温度无法进一步提高的情况下，适当地更改试验计划，延长试验周期。如产品贮存环境温度Tuse=25℃，预期采用的加速温度分别TALT=120℃、140℃、160℃，利用公式AF=exp计算预期的加速因子，当Ea=0.5时，AF分别为111、226、433；当Ea=1.0时，AF分别为12 249、51 182、187 394；当Ea=0.1时，AF分别为6.6、8.7、11.3。由此可见，在预期加速温度为120～160℃的情况下，Ea=0.1、0.5、1.0时，AF分别为101数量级、103数量级、105数量级，加速因子相差甚远。因此，对产品激活能Ea有初步的了解和考虑，是制定一个合理的加速试验方案和周期的保证。

4.2 逆幂模型

逆幂模型是非热应力模型的代表，目前，被广泛验证的逆幂模型主要以电应力为加速应力的场合。逆幂模型的表达式是，加速因子为从失效机理的角度来讲，电压加大加速产品的电迁移和电化学腐蚀，从而加快产品的失效。

图2 相对于实际温度30℃时各加速温度下的加速因子

从产品实际情况出发，对元器件能够施加的电压应力可能不超过标称电压的2倍，对设备能够施加的电压应力还低于这个数值，设计要求通常为1.1～1.15倍，设计极限可能不到1.2倍。但并不意味着电应力对加速效果的影响小，加速试验中没必要对电应力进行加速。一方面，逆幂模型中参数n通常达到3以上，也就是说设备的电应力的加速因子可能达到1.7倍，元器件的电应力加速因子可能达到8倍，也就意味着在可以增加加速应力的情况下，施加电应力作为加速应力有可能将加速试验的时间再缩短1.7倍或8倍。对工作状态的加速试验就通常使用温度-电应力加速模型。

然而，让我们进一步思考的是，在以振动应力为加速应力的场合是否符合逆幂模型。根据GJB1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》附录A的内容，在保持谱形不变的情况下，振动等效时间随振动应力的关系为如果这个关系进一步推广，可表示为。然而，从失效机理和失效效果的角度来看，振动应力条件下逆幂模型能否成立，n是否等于3，有待展开多组振动对比试验和失效分析。

4.3 布朗漂移运动模型

布朗漂移运动模型用于加速性能退化试验，常用的应力类型是温度应力，也可以采用多应力。在此，我们讨论布朗漂移运动模型主要是从工程使用的角度来探讨布朗漂移运动模型用于预测性能参数的近似性。目前，布朗漂移运动模型的表达式为：Y（t）=Y（t0）+μ（t-t0）+σB（t），经过推导，最终得到Y（t）的预测模型：

当 Y（t）呈增长趋势时，Y（t）=Y（t0）+μ（t-t0）+σN

当 Y（t）呈降低趋势时，Y（t）=Y（t0）-[μ（t-t0）+

考虑到N（0，1）值是一个非确定性的随机值（在0.000 3～0.999 7范围内 N（0，1）的范围在-3.43～+3.43之间，但是σ相对于μ通常要小2个以上数量级，当产品预期寿命较长时，通常相对于t-t0也要小2个数量级，因此，（0，1）相对于 μ（t-t0）对 Y（t）的贡献要小得多，也就是说N（0，1）的值的大小对Y（t）的影响非常小。因此，在求解Y（t）或首达时间t的过程中，可将N（0，1）恒定取值一个数（如N（0.8））进行近似计算，对结果的影响很小。Y（t）是关于 X（t）=的一个二次函数： Y（t）=±[μ·X2（t）+σN（0，1）X（t）]+Y（t）。 如忽略的影响，Y（t）=Y（t0）+μ（t-t0）是关于时间的线性函数。

令某个参数相对于退化趋势的合格判据线为y=+k或y=-k，则首达时间的近似求解为tL=X2（t）+t0，其中 X（t）＞0。

当 Y（t）呈增长趋势时，

当 Y（t）呈降低趋势时，

由此可见，对长寿命产品利用布朗漂移运动模型进行预测时，可对模型进行适当的简化计算。

5 结束语

总之，尽管加速寿命试验理论研究趋于成熟，但是，加速寿命试验的工程实践过程是复杂的，试验中不可遇见的因素和试验效果都存在一定的不确定性。希望本文的探讨能够为加速试验工程实践提供参考与借鉴。

[1]邓爱民，陈循，张春华，等.加速退化试验技术综述[J].兵工学报，2007，28（8）： 1002-1007.

[2]李晓阳，姜同敏.基于加速退化模型的卫星组件寿命与可靠性评估方法 [J].航空学报，2007，28（增）：1640-1643.

[3]唐元天，郭建英.加速寿命试验数据管理与解析系统研究 [D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007.