一种基于振动应力变换的加速试验方法研究

张晓洁，李政

（南京熊猫汉达科技有限公司通信技术研究所，江苏 南京 210014）

一种基于振动应力变换的加速试验方法研究

张晓洁，李政

（南京熊猫汉达科技有限公司通信技术研究所，江苏 南京 210014）

随着电子元器件寿命的延长，电子设备的寿命也越来越长。为了适应高可靠产品的要求，评估、鉴定验收电子设备的可靠性水平时，越来越多地应用加速试验。介绍一种应用改变振动应力的方法来加速整个试验过程。数据的统计和分析方法参照了GJB 150A.16A-2009的规定。在此标准中，不同振动环境的疲劳等价关系可以通过公式进行等价转换，可以确定所累计的各种振动环境产生的振动疲劳损伤和振动耐久试验的加速试验量值。在实验室条件下，该方法可以方便地、可操作地评价出电子产品的可靠性水平。

可靠性鉴定；电子产品；加速试验；振动应力

0 引言

为了评价电子产品目前的可靠性水平，一般采用可靠性鉴定或者验收试验来完成[1]。这类试验大都是在模拟环境的试验室条件下，对受试设备施加由任务剖面转化而来的环境应力条件，采用统计学上的 “一次抽样检验”方案进行统计和处理试验数据，最终得出结论。目前国内在军用电子类装备研制过程中，一般参照GJB 899《可靠性鉴定和验收试验》进行试验[2]。但是，随着技术的进步，产品的可靠性水平越来越高。对于可靠性较高的产品来说，往往需要很长的试验周期和大量的样品。例如：为了鉴定产品的失效率是否达到10-8/h，在失效分布类型为指数分布，置信度为0.9，允许失效数r=0时，需要抽取23万个样品试验1 000 h，或是抽取1 000个产品进行试验，那么试验时间长达26年以上，这就意味着试验尚未完成，产品可能已经被淘汰了。加速寿命试验可以解决上述问题。所谓的加速寿命试验就是用加大应力的方法促使试验品在短期内失效，从而预测产品在正常储存条件或工作条件下的可靠性[3]。

加速寿命试验按照施加的压力，必须在一定的范围内，以保证做到以下3点要求：

1）失效机理不变，失效机理要与加速前保持一致性；

2）存在有规律的加速过程，这有利于统计学的处理分析数据；

3）退化或失效的分布模型应具有统一性或规律性。

理论上，施加高应力后产品退化方式与正常应力水平下相同，试验时间却能相应地缩短。这种试验可以大大地缩短试验周期，满足产品进度和费用的要求。

加速寿命试验的基本原理就是产品的寿命与所加应力的大小有关，应力越大，产品寿命就越短。如图1所示，对某一产品施加5种高于正常水平的恒定应力Si就得到5种不同的寿命数据ti，将图示加速寿命曲线延长，A点对应的应力S0为正常应力水平，t0为正常应力水平下产品寿命的预测值。

图1 加速寿命曲线示意图

在图1中，其他各点与A点积累了相同的失效概率。由图可知，施加的应力越大，到达相同失效概率所需要的时间越短。在不同的应力条件下，积累到相同的失效概率所用的时间可以通过数学关系进行等价转换。

可以改变的应力有许多，例如：电应力、温度应力和振动应力等。通过大量的试验样本和试验实践的研究，各国的研究人员得出了各种应力的加速数学模型。比较成熟的现有模型有：Arrhenius模型、Coffin2Manson模型和Norris2Lanzberg模型等。本文重点介绍GJB 150A.16-2009中附录B2.2[4]提出的、通过变换振动应力方法进行加速的方法，以及应用这种方法进行试验的具体流程，并介绍了一个实践应用的案例。

1 原理介绍

GJB 150A.16-2009中附录B2.2提出了随机振动条件下改变振动应力进行加速的方法。数学关系公式 （1）用于确定不同振动环境的疲劳等价关系，积累各种疲劳环境产生的振动疲劳损伤和确定振动耐久试验的加速试验量值。

式 （1）中：W0——规定的随机振动量值 （加速度谱密度），

W1——施加的随机振动量值 （加速度谱密度），

T0——规定的时间，h；

T1——施加的时间，h。

这是线形疲劳损伤积累的简化表达式，指数是材料常量 （log/log疲劳曲线的斜率或者S/N曲线的斜率），给出的值适用于航空电子装备，不适用于其他类型的装备。指数值的变化范围与所要求的保守程度，以及材料特性有关。必要时，应根据具体材料的疲劳数据 （S/N曲线）进行分析。注意：装备上不同部件用材料的S/N曲线可得到不同的等价关系，应确定采用哪个等价关系来确定试验条件。

2 案例应用

某航空电子设备，受试产品只有1套，MTBF最低可接收值为4 500 h，目标值为9 000 h，需要进行鉴定试验。

若采用最常用的GJB 899中表3标准是定时试验的方案17，则需要19 350 h，约806天，也就是2.2年，显然是不合适的，因此，我们考虑加速的方式进行试验。经过供货方和使用方的协调，采用GJB 899中图A23的方案30-1，在此方案中，供货方风险α=30%，使用方风险β=30%，出现一个故障即为不合格，累积试验时间为1.2倍θ1的统计试验方案。方案的时间如表1所示。把试验时间分为3个阶段。阶段1为前10个循环，此阶段可以暴露温度湿度相关的故障；阶段2的试验时间准备进行振动加速；阶段3的时间可以暴露老化方面的故障。

表1 方案30-1的试验时间表 t=h

需要说明的是，鉴别比在 30-1方案中为3.37，但是实际的鉴别比为2；若试验方案的鉴别比大于实际的鉴别比，由试验方案的OC特性曲线可知，只会增加生产方的风险率，因此，只要生产使用双方协商一致，可以选用。OC特性曲线，此处不再详述。加速前可靠性试验剖面如图2所示[5]。

2.1 确定加速方案

此次试验采用加大振动应力的途径进行试验加速。对一个周期内所有的振动量值全部提高，但必须小于或等于最大的振动量值。这种方法提高后的振动量值没有超过原来最大的振动量值，以确保失效机理的一致性[6]。

2.2 试验时间的计算

时间计算仅对阶段2部分进行。加速半个循环周期的试验时间折合到最大振动量值的等效时间如表2、3所示。等效方法根据公式 （1）。

图2 受试设备的可靠性试验剖面

表2 正常应力下半个剖面的量值对应关系

表3 加速后半个剖面的的量值对应关系

在正常应力下，每个循环周期为8 h，因此，阶段2所需的循环数为5 020÷8=627.5；等效到最大量值对应的时间为627.5×2×1.580 274 439= 1 983.244 421（h）；加速前后疲劳积累是相同的，因此，加速应力的循环数为 1 983.244 421÷2÷ 66.108 147 37≈15。加速后的周期数为15个，即15×8=120（h）。

加速后的试验时间表如表4所示。

表4 加速后的试验时间表 t=h

3 结束语

由表4与表1的对比可知，加速后的时间大大地缩短了，总试验时间约为原来的1/10。对试验剖面而言，只改变了振动应力，其他应力如电应力、温度应力和湿度应力等均未发生变化，试验过程在原有的试验设备上较容易控制和操作实现，不需要增加新的试验设备。本文介绍的方法，希望可以对广大的工程实践工作者有所帮助。

[1]张晓洁，王强，李政.一种电子产品的可靠性评估方法[J].电子产品可靠性与环境试验，2014，32（1）：32-35.

[2]GJB 899-1990，可靠性鉴定和验收试验 [S].

[3]张增照.以可靠性为中心的质量设计、分析和控制 [M].北京：电子工业出版社，2010.

[4]GJB 150.16A-2009，军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验 [S].

[5]GJB 1032-1990，电子产品环境应力筛选方法 [S].

[6]林震，张爱民，沈朝晖，等.谈谈高加速寿命试验 [J].环境技术，2002，20（4）:5-9.

Accelerated Test M ethod Based on A ltering the Vibration Stress

ZHANG Xiao-jie，LIZheng
（Nanjing Panda Handa Science and Technology Ltd.，The Institute of Communication Technology，Nanjing 210014，China）

With longer life expectancy of electronic components，the life of electronic equipment is lengthening.To meet the high reliability requirements of products，accelerated tests are applied more and more in the reliability assessment and acceptance for electronics.In this paper，An accelerated testmethod by altering the vibration stress is introduced.The statics and analysis of the given data refer to the methods in GJB150A.16A-2009.In the standard，the fatigue failures caused in different vibration environments can be converted equally by formulations when vibration is the only accelerating variable.Themethod is practical and convenient for assessing the reliability level of electronics in the laboratory environment.

reliability qualification；electronics；accelerated life test；vibration stress

TB 114.37

：A

：1672-5468（2015）01-0020-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.01.005

2014-09-04

张晓洁 （1984-），女，山东潍坊人，南京熊猫汉达科技有限公司 （国营第七一四厂）工程师，硕士，从事短波、超短波无线通信领域多个国家重点工程项目的设计工作。