基于电应力加速试验数据的可靠性评估

马月红，张　芳

(军械工程学院电子与光学工程系，河北石家庄　050003)

0　引言

电子装备结构日益复杂，工作环境日益严酷，对电子装备的可靠性提出更高要求，基于加速试验的可靠性分析方法成为高可靠、长寿命产品进行可靠性分析的重要途径。在各种外界环境下，电子装备可靠性除与温度应力有关外，还与电应力有密切关系[1]。例如交流电引起电容承受电压能力退化，最终导致其短路；瞬时大电流和纹波电压引起液体钽电解电容失效；电源纹波引起模拟电路信号波形发生畸变失真，信噪比变差，甚至完全淹没信号；电源纹波也可能使数字电路误码率上升，逻辑电平紊乱，信息系统的可靠性降低，极端情况下将导致失控或误操作。目前已开展的加速试验大多针对电子器件，且加速应力类型单一，导致复杂环境下电子装备可靠性试验数据匮乏，基于加速试验数据进行可靠性分析出现困难。因此选取合适的试验对象并开展器件级以上电子产品加速试验和可靠性评估具有重要的现实意义。

1　电应力加速试验实现

图1为不同纹波电压应力的硬件框图。

对典型雷达装备进行分析，发现其多由各种放大器电路、射随电路、滤波电路、各种振荡电路等基础功能电路组成。因此加速试验以雷达系统某信号产生及放大电路为研究对象，开展电应力加速试验。由于电子器件接入功能电路后，其失效规律不仅表现出静态时的失效规律，而且有特有的失效规律。同时考虑到功能电路的工作环境，它是一个特殊的电子器件组合单元，不能像单独的电子器件那样可以通过加大电压或电流来使其老化，因为单独的电子器件不需要处于工作状态。对功能电路可靠性进行评估，必须以其工作为前提，因此根据研究对象的特殊性和工作环境，选取电应力类型——电源的纹波为加速应力进行试验。电源纹波不易控制，因此要设计一款能够改变纹波大小的电路来加快试验对象老化，文中采用交直流叠加的方法来解决电应力的实现问题，选用尖顶脉冲为叠加在直流电压上的交流信号。

综合考虑各种试验的优缺点，对电应力加速试验在实现和数据处理上进行衡量，采用恒加试验最为合理，虽然试验时间会比其他几种方法长，但在实际操作和数据处理上占很大优势，对电应力加速试验进行优化设计如表1所示。

表1　加速应力水平　V

图1　不同纹波电压应力的硬件框图

2　基于电应力加速模型的可靠性评估

试验数据如图2所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

根据图2中的退化数据进行可靠性分析，经预处理，基于退化轨迹yi=αi+βit以拟合信号输出峰-峰值的退化数据，得到每个应力水平下的伪失效寿命，经分布假设检验Weibull分布适用，得到寿命分布参数如表2所示。

最后要对5组应力下产品失效机理一致性做进一步检验，只有失效机理不变才能将这5组试验数据统一进行推断。Weibull分布中失效机理不变是由形状参数不变代表的[2]，即应该有。对5种应力下估计得到的值做巴特利特检验：

根据巴特利特检验构造统计量：

式中lrini为方差系数。

表2　每个应力水平下的伪失效寿命

目前基于电应力的加速模型，是针对电子元器件而言，由于器件级以上产品失效机理与器件的存在着差别，而且也更加复杂，因而对器件级以上的产品进行加速试验，现有加速模型的适用性有待验证。L．Simoni提出了描述电应力和温度应力与产品寿命的加速模型[3]：

式中：N=n-b·DT；DT=1/T0-1/T；n为逆幂律模型参数；b为材料系数；T0为室温；T为绝对温度；B为Arrhenius模型参数；E为施加的电应力水平；E0为产品进行加速寿命试验的最小电应力(在这个电应力水平和室温的条件下，产品的寿命可认为是无限的)；η0为当E

这是目前运用较为广泛的复合电应力-温度应力寿命模型。

由各个应力水平和对应的特征寿命数据，估计该试验中最小电应力水平为：

E0=[15 V(+12 V)，15 V(-12 V)，10 V(+48 V)]

由最小电应力水平和试验数据，将加速方程列出如下所示(最后一组试验数据小于最小电应力，因此忽略)：

ln(86 041)-ln(η0)+n1×ln(18.5/15)+n1×ln(17.7/10)=0

ln(49 371)-ln(η0)+n1×ln(22.75/15)+n1×ln(30.42/10)=0

ln(22 024)-ln(η0)+n1×ln(84.85/15)+n1×ln(65.1/15)+n1×ln(114.8/10)=0

考虑到加速试验中突发数据不能忽略，这里将突发数据单独处理，假设突发失效机理下试验对象寿命分布形状参数与退化失效的相同。

ln(16 057)-ln(η0)+n2×ln(29.95/10)=0

求解上述方程得：

图3　基于复合电应力模型得到的可靠度

从图3可以看出与单一温度试验的曲线相比较结果偏小，分析原因可能有以下：首先单一温度试验环境单纯，所有功能电路试验时均封闭在环境试验箱内，除经受高温外，其他条件甚至比试验室内还平稳，如试验箱内有恒定较低的湿度，不受灰尘、空气污染物、盐雾、气压、紫外线等影响；另外在温度加速试验中，由于电路板一直处于加电工作状态，不遭受供电开关电冲击影响等，而在电压力试验中每次测量数据时，电路板从试验状态转到正常工作状态或从正常工作状态转到试验状态，遭受供电开关电冲击。

估计结果表明：由于复合电应力加速模型充分考虑到了电应力加速试验中最小加速应力水平问题，得到的估计结果和实际比较符合；一般情况下电源纹波对这个试验对象的可靠性不会产生影响，但应该考虑到试验对象工作环境的复杂性，尤其是电磁环境中电应力的影响不可忽视，开展功能电路的电应力试验仍具有重要现实意义。

3　结论

首先分析试验对象的工作环境，确定了电应力类型为电源纹波，提出应用脉冲变压器实现交直流叠加的方法，解决了电子产品中电应力的实现问题。其次，在非器件级产品加速模型未知的情况下，提出对成熟的器件加速模型进行改进得到产品加速模型的可靠性分析方法。结合试验对象和加速应力类型，改进复合电应力加速模型，通过对电应力加速试验数据进行可靠性分析，验证了基于改进的器件加速模型进行可靠性分析方法的可行性。

参考文献：

[1]姚立真．可靠性物理．北京：电子工业出版社，2003：

[2]LINT I，LEE J C．On modeling data from degradation sample paths over time．Australia New Zealand Journal of Statistics，2003，45(3)：257-270．

[3]SIMONI L，MAZZANTI G．A general multi-stress life model for insulation materials with or without evidence for thresholds．IEEE Trans．on El．Ins，1993，16(3)：349-364．

[4]王玉明．基于性能退化数据的电子产品可靠性分析研究：[学位论文]．石家庄：军械工程学院，2010．