航空机载电子设备可靠性强化试验方法研究

许劲飞

中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036

航空机载电子设备可靠性强化试验方法研究

许劲飞

中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036

本文介绍了可靠性强化试验的原理和特点，提出在航空机载电子设备研制早期应用可靠性强化试验的方法可以快速暴露设备本身的缺陷和薄弱环节从而提高设备的可靠性，并通过实例进行了阐述。

航空机载电子设备；可靠性强化试验；振动应力；温度应力

Avionic equipment；Reliabeinlihty ancte esting；

Vibration stress；Temperature stress

引言

航空机载电子设备所处的自然环境和机械环境条件恶劣，同时对可靠性要求也越来越高，如何改善和提高设备在恶劣环境下的可靠性已成为一个必须面临的问题。目前国内航空机载电子设备的可靠性工程还主要依靠可靠性鉴定、可靠性增长试验等事后评价的方法，存在周期长、费用高、而且不能完全暴露设计和生产中的所有缺陷可能给后续设备投入使用造成重大损失等问题。本文针对这些问题提出了将可靠性强化试验（reliability enhance testing，RET）方法引入到航空机载电子设备设计研制过程可以快速暴露设备本身的缺陷和薄弱环节从而提高设备的可靠性。

1.可靠性强化试验技术

1.1 概述

1988年美国Hobbs G K博士提出了高加速寿命试验（highly accelerated life test，HALT）和高加速应力筛选（highly accelerated stress screen，HASS）。前者用于产品的设计阶段早期，快速暴露产品的设计缺陷并改进设计，提高产品固有可靠性；后者用于产品的生产阶段，可以快速暴露产品在生产过程中的制造缺陷，给用户提供高可靠性的产品。上世纪90年代，波音公司在777飞机研制中成功应用了该技术，并首次提出了RET的概念来统称这类技术。

可靠性强化试验在航空机载电子产品研制、生产过程中关系见图1。

1.2 原理及特点

可靠性强化试验技术的理论依据是故障物理学，它是把故障和失效、设计薄弱环节作为主要研究对象，通过对产品施加单一或综合的极限应力条件，进而发现、研究、消除故障和设计薄弱环节达到提高产品固有可靠性的目的。可靠性强化试验与传统的环境试验、应力筛选试验、可靠性鉴定试验和可靠性增长试验的区别在于：

传统的相关试验要尽可能模拟产品真实任务剖面的环境条件，再加上设计裕量来保证产品的可靠性；可靠性强化试验不模拟真实的环境条件，人为施加大大超过产品设计规范中规定的极限应力条件。

传统的相关试验采用一次性完成试验，试验结果就是试验通过或不通过；可靠性强化试验采用一步一步地施加应力条件，逐步发现故障和薄弱环节，允许在试验中对产品进行修复后继续试验，并及时改进设计，故又称步进应力方法。

传统的相关试验在产品的生产阶段或研制阶段的后期；可靠性强化试验是在研制阶段的早期进行，这样才能及早发现故障、及时完善设计。

传统的相关试验周期长、费用高；可靠性强化试验时间短、费用低。

1.3 试验应力

产品用户提出的使用环境应力要求就是产品规范极限；设计师预留一定的设计裕量进行设计，这形成了设计极限；产品在工作极限范围内不应出现失效，高加速应力筛选（HASS）的应力强度不应超过该工作极限的范围；产品在破坏极限范围内不应出现不可逆的失效（不可逆的失效是指当产品出现破坏失效时若应力条件降低后产品的故障不消失，若故障消失则称为可逆的失效），高加速寿命试验（HALT）的应力强度不应超过该破坏极限的范围。各种应力极限和试验应力的关系见图2。

2.试验方法

根据航空机载电子设备的组成、工作环境、工艺等特点来分析其主要的敏感应力，从而确定设备在强化试验中所需要施加的试验应力。主要的敏感应力及其影响如下：

极限温度（包括高温和低温）：造成设备电子元器件性能改变、温度梯度不同和不同材料的膨胀使电路的稳定性发生变化（如液晶显示器）、减振架的刚性改变、有机涂层退色或出现裂纹和脱落等。

温度急剧变化：造成设备运动部件的卡紧和松弛、材料的收缩/膨胀率不同或诱发应变率不一致、快速冷凝水或结霜引起电子或机械故障等。

振动：造成设备导线的磨损、紧固件/元器件的松动、断续的电气接触、电气短路等。

航空机载电子设备可靠性强化试验通常由高温步进、低温步进、快速温度变化、振动步进、振动-高低温综合等5部分组成。其中高温步进、低温步进、振动步进试验都属于步进应力试验，其试验的一般流程如图3所示。步进试验中应力应不小于产品的工作极限，但是不应超过破坏极限，便于激发潜在缺陷。施加应力的步长和停留时间应根据产品的极限应力大小和产品特点来确定。振动试验最好采用3轴向六自由度准随机激励，它由装在振动台面下面的多个气锤反复冲击台面，经过台面的耦合效应产生宽带超高斯全轴振动激励环境，该振动环境对产品缺陷，特别是疲劳缺陷，具有很好的激发效能，其外外观和示意如图4所示。

快速温变试验是在温度步进试验的基础上，在产品的工作极限温度下的温度快速变化，通常温度的变化率不小于20℃/min。通过温度的急剧变化激发航空电子设备材料、工艺、元器件等方面的潜在缺陷。振动-高低温综合试验是结合了机械环境和自然环境破坏应力的综合影响，更全面和更深入的激发产品缺陷。

3.通过试验提高可靠性的途径

产品出现故障发生失效的原因是由于产品的工作极限应力分布与产品实际承受的环境应力分布出现干涉，如图5所示。该干涉区域的面积大小与出现故障的概率相关，干涉面积大，出现故障的概率就高，反之，则低。

产品所受到的环境应力条件是确定的，要减少干涉区域的面积，途径有两条：一是提高产品工作极限应力的均值，也就是将工作极限应力分布整体向右移，如图6所示；二是减小工作极限应力的方差，也就是将工作极限应力分布变瘦，如图7所示。所以可以通过改进设计，选择环境适应性更好的材料和元器件等措施来提高工作极限应力的均值；也可以采用优化改进制造工艺方法，提高产品制造过程中质量一致性水平，减小工作极限应力方差。

4.应用

在某型飞机通信导航分系统设备的初样研制中应用可靠性强化试验的方法来发现产品的缺陷，该产品的规范极限应力如下：

a)温度 －55℃～85℃；

b)随机振动(均方根加速度RMS) 8g。

据此，制定了可靠性强化试验的应力条件如下：

a)高温步进：高温极限温度为+140℃，步进为10℃，停留时间为10min；

b)低温步进：低温极限温度为－80℃，步进为10℃，停留时间为10min；

c)快速温度变化：－75℃～+135℃之间变化，温度变化率为20℃/min；

d)振动步进：采用3轴向六自由度准随机激励，最高振动量值为70g，步进为5g，停留时间为20min；

e)振动-高低温综合应力：在前面试验中得到的高低温工作极限和振动工作极限条件下，施加综合应力。

在上述一系列试验过程中，产品共暴露了13个共5类问题：

a)极限低温条件下，液晶显示器显示图像不稳定，见图8；

b)极限高温条件下，元器件管脚焊点热疲劳开裂，共有3处；

c)极限振动条件下，金属结构件开裂，见图9；

d)快速温度变化时，非金属有机玻璃面板出现裂纹；

e)振动-高低温综合应力，双列直插封装芯片管脚断裂。

针对出现的上述故障，通过改进液晶的工艺方法，改善低温的稳定性；通过结构优化设计对重点发热器件增加散热冷板降低焊点温度、对双列直插封装的芯片采用机械加固的方式提高抗震性、结构件受力大的部位增加倒圆角改善应力集中现象；有机玻璃选择等级高的航空有机玻璃来提高温度适应范围。由于研制早期的及时改进，使得产品的研制周期大大缩短，也顺利通过相关鉴定，大批量交付用户，使用中产品可靠性明显提高。

5.总结

可靠性强化试验作为一种新兴的试验方法，对于航空机载电子设备可以缩短研制周期，加快产品的成熟期，降低研制费用，提高产品的可靠性，具有很好的工程应用价值。

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Research of Reliability Enhance Testing in Avionic Equipment

Xu Jinfei
The 10th Research Institute, China Electronic Technology Corporation，Chengdu 610036, China

This paperi ntroduceths e principale nd characteristic of reliability enhancet esting （RET）.The applicatioonfs RET can inspiret hat latency defect of avionic equipmeinnt the research process. This methodc an improvte he reliability of equipme nt. This paper also expatiatest his basic theory by example.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.116

国防科工局国防军工技术基础“十二五”科研项目（科工技[2010] 1425号）

许劲飞（1973-），男，湖南宁远人，硕士，工程师，主要从事航空电子产品的结构设计。

图5 应力干涉模型

图6 提高工作极限应力均值

图7 减小工作极限应力方差

图8 显示不稳定 图9 结构件开裂