基于特种计算机的高加速应力可靠性评估方法

王雷，刘志永

（1.研祥智能科技股份有限公司，广东 深圳，518057；2.国家特种计算机工程技术研究中心，广东 深圳，518057）

基于特种计算机的高加速应力可靠性评估方法

王雷1，2，刘志永1，2

（1.研祥智能科技股份有限公司，广东 深圳，518057；2.国家特种计算机工程技术研究中心，广东 深圳，518057）

本文介绍了一种针对地铁、高铁、普铁、城铁应用时，作为车载服务器向车厢内部解码器传送多媒体视频流或作为视频记录服务器的信息处理系统的高应力快速评估方法，由于其系统工作在地上和地下，其中的环境应力变化较大，温度、振动等应力随机性施加，环境恶劣；而普通的Burning测试由于施加应力等级较低，耗时较长，已经很难满足快速有效的激发早期失效和潜在性缺陷的目的，而高加速应力试验具有快速高效的缺陷激发能力，可以实现有效的发现产品设计问题的目的。

高加速应力试验；快速评估；缺陷激发；潜在性问题；复杂环境

0 引言

地铁高铁领域因其设备工作环境的复杂性，需要保证系统中运行的电子设备要具备抗恶劣环境工作的性能，要能够抵御温度、振动、湿度等多种应力的冲击。随着城镇化的不断发展，地铁等轨道交通建设的推进，对铁路信息系统的需求不断增加，对系统的连续工作可靠性要求也越来越高，以满足高铁地铁领域设备在恶劣环境下工作的要求［1-3］。高加速应力试验是美国军方在二战时为提高坦克和装甲车及飞机的可靠性而提出的，目前此试验由美国霍博思博士等技术专家进行不断的研究和规范化，已经有了较成熟的应力施加方法和试验设备，规定了温度和振动应力施加的顺序和应力变化率等，以其筛选能力强，速度快，快速发现产品缺陷著称［4］。

1 现有技术和困难

普通的高低温试验，高低温交变试验，高低温循环试验仅能起到模拟实际环境的PASS/Fail试验，即使测试时产品留有一定的Margin，但由于一般的温变速率在5℃以内，很难快速激发出产品的潜在性缺陷。如霍博思博士就强化应力对金属试件的疲劳寿命的影响效果进行了评估，发现当应力提高一倍，疲劳寿命降低为原来的1/1000，这个时候如果针对产品上的缺陷部件，故障点处的应力可提高2-3倍，在如此高应力情况下，缺陷即可快速的暴露出来，相对于普通的应力模拟实验，缺陷的激发时间会大大缩短［5］，由于所有应力试验都会缩短产品寿命，高加速应力试验缩短了应力施加时间，所以对产品破坏性较小，由于其对产品失效率浴盆曲线的前端缺陷做到了较好激发，从而降低了产品失效率，提高了可靠性，而通过高加速应力筛选后的产品是可以直接出货的。美国霍博思博士也研究出，在加速和强化应力情况下激发出产品缺陷的有效性和激发出产品的缺陷与正常使用环境下所暴露出的产品故障问题具有较高的一致性。

目前已经有了MIL-HDBK-217、GJB299、SR332等标准，可以覆盖一般的电力电子和通信电路的电子元件及常用模块电路，提供产品预计可靠性评估参考，为在项目雏形及方案阶段和设计阶段的DFR提供了有力评估标准，而当评估结果不满足可靠性要求，产品需要进行可靠性增长时，借助普通的试验手段或者客户验收试验的反馈情况进行改善，是很难满足客户的可靠性要求的；而高加速应力试验作为很好的可靠性增长方法，可以在短期内快速激发产品缺陷，从而快速高效的提高产品可靠性的目的。

2 铁路信息系统的高加速应力试验

针对铁路信息处理系统，由于其应用环境复杂恶劣，温度、振动、湿度等应力随机性变化施加，根据目前各种应力对电子产品的缺陷激发严酷度，我们设计了以下的高加速应力试验剖面，从而达到快速激发产品缺陷，对系统可靠性进行确认的目的。

高加速应力试验应力施加采取低温步进，高温步进，高低温瞬变，振动步进，温度振动综合应力试验四个阶段，过程中每个Duell Time （Dwell time）进行电压10%的拉偏测试，以及负载的轻重载变化等，同时进行各项功能的验证和参数指标测试。

2.1 高加速应力试验准备

高加速应力试验开展的是否成功与试验时待测品的摆放，传感器的布置，安装夹具的制作和固定，以及内部走线的方向等等都有关系，所以现在很多试验开展效果都大打折扣，其实是试验方法不够细化导致缺陷没有得到有效的应力激发，问题仍然隐藏在表面的试验过程中，所以开展实验的关键点在于前期的试验方案，工装夹具准备，试验数据记录表格绘制，试验备件及关键物料准备，以及试验过程中样品失效的预案等等。由于高加速应力试验成本较高，试验一般会连续进行，以保证应力施加的连续性，而前期准备的不充分可能随时导致试验终止或者一些关键的缺陷数据没有得到记录，待测品得不到及时修复，试验临时中断。

2.1．1 固定工装准备

试验过程中应力的有效传递，对试验中产品缺陷的激发很关键。为了保证温度和振动应力能够有效传递到待测品的元件上，必须做前期的应力传递验证。

通过验证我们发现，如图3和图1所示，拿开整机Case，直接通过4个导风管给主板施加气化后的液氮进行降温，主板元件可以达到40℃/min的温度变化率，可以满足测试需求；但这个时候振动应力的传递到PCB上面测试点的衰减很大，并且由于测试点与主板固定点的距离差异，衰减差异较大，与固定点最远的地方甚至衰减到30%左右，已经无法达到振动应力的有效传递。

为了提高应力传递效率，降低在传递过程中的衰减，我们试图通过普通的铝合金压条来固定，效果不是很好，用压块似乎也很难达到理想效果，最后经决定制作一套主板固定夹具，以期达到应力的有效传递。新夹具设计必须考虑到对三个轴向随机应力的有效传递，需要参考原厂提供的压块和压条来设计，材质与台面接近或一致，另外，也需要考虑到主板各固定点的固定孔布置，板材不宜太过厚重，避免对Y轴向力和挠曲力的过度衰减。如图2和图4所示，通过新制作的夹具对主板固定后的测试效果比较好，能量衰减教小，最差也达到了65%以上的能量传递效率，可以开始试验。

图1 整机直接固定主板能量分布图Fig.1 Energy distribution diagram of the whole machine directly fixed on the main board

图2 工装固定主板能量分布图Fig.2 Energy distribution of fixed main board

图3 整机测试点分布Fig.3 Distribution of the test points of the whole machine

图4 工装固定图片Fig.4 Installed fixed picture

2.1．2 车载信息系统测试假设

如图5所示，此车载信息处理系统不仅包括普通的音频视频传输，还有多网口、多串口传输功能，都需要进行功能测试，以及键盘、鼠标等功能，但这些外设只能通过连接线放置在试验箱外面，并且控制开关和按钮等也需要用信号引出到试验箱外面。另外，如图6和图7 所示，内部需固定好温度和振动应力测试点，外部连接好检测设备和系统外设，便于试验过程中对应力的监控。

2.2 高加速应力试验

通过低温、高温和振动的步进试验，高低温的瞬变试验，以及振动温度复合试验五个阶段性试验，产品的缺陷基本会被激发出来。当然，这个过程中与施加的应力大小，以及应力施加的顺序也有关系，这些都需要在具体实验中进行总结和归纳。另外，不同的元件和产品的频率敏感点也是不一样的，如果能够逐渐总结出敏感频段或者频率点，可以采取具体的定频随机振，这样效果会更好，节省时间，更重要的是非敏感频率点对待测品的破坏性会大大降低，减少了对待测品不需要的损伤。

图5 标准配置1号机器组网图Fig.5 Standard configuration 1 machine network diagram

图6 标准配置1号机器内部固定图Fig.6 Standard configuration 1 machine internal fixed figure

图7 标准配置1号机器的外部检测设备Fig.7 External test equipment for standard configuration 1 machine

还有在选择固定夹具块的时候也需要注意，不同材质的夹具块频率敏感点是不同的，选择时需要根据实际需要进行测定，如角形铝块在450HZ～900HZ频率范围内，其对输入振动有放大作用，最低放大15dB，最高放大41dB。而胶木块的一阶固有频率为31177HZ，固有频率较大，且刚度较大，所以一般建议最好采用胶木块固定待测品，保证能量传递率接近于1，无损耗［6］。

3 测试缺陷和试验结果

如图8到图11所示，本次高加速应力实验中激发出的潜在性缺陷主要分布于DVI/VGA显示类问题，USB，电池模块，单片机以及死机蓝屏还有电源类问题。

试验中MOS等器件的可靠性较低，出现损坏，另外，大型功率贴装电感以及插接式连接等在振动应力下容易出故障，需要通过点胶等工艺加固。

图8 电源控制ICFig.8 IC of power control

图9 单片机插槽坏Fig.9 SCM slot bad

图10 MOS管振坏Fig.10 MOS tube vibration

图11 贴装电感掉落Fig.11 SMT inductance drops

通过本次试验，对于车载信息系统的工作限值、操作限值、破坏限值等也得到了具体的试验值，验证了产品规格，对后续系统工作可靠性范围有了界定，并且对相关项目的可靠性设计裕量有了参考值，避免可靠性过度设计。

4 结语

本文公开了一种基于高铁地铁信息服务信息处理系统的高加速应力验证方法，通过试验使设计者了解到本系统的各规格Margin情况，由于实际测试的工作限值范围仅比实际使用规格有5℃的裕量，后续在制程中对各元件的一致性要求就比较严格，如果物料批量性差异较大，或者后续有设计变更出现，此试验需再次进行，从而确定设计变更对产品规格的影响程度。

此种高应力可靠性评估方法，加快了对高铁地铁这种车载信息处理系统的可靠性评估过程，能够快速准确的发现和定位缺陷，节省了验证试验时间。另外，通过几种应力有效的快速施加，能够快速评价出系统后期连续工作的环境可靠性，可以增强对规格内产品工作的信心，对规格外产品工作的问题预见性，提前做好故障预防和处理，能够有效降低生产者风险，对使用者风险也可以得到有效控制。

［1］ 杨世铭，陶文栓.传热学［M］. 北京：高等教育出版社，2016：197-211.

YANG Shi-ming. Heat transfer theory［M］. Beijing：Higher Education Press，2016：197-211.［2］ 锡吉. 电子设备可靠性工程［M］. 陕西科学技术出版社，1999.

XI Ji. Reliability engineering of electronic equipment［M］. 1999.

［3］ 邓杰，张学毅，周美琴等. 基于OFDM技术电力通信系统的仿真研究［J］. 新型工业化，2015，5（5）：33-39.

DENG Jie，ZHANG Xue-yi，ZHOU Mei-qin，et al. Simulation of OFDM communication system based power ［J］. The Journal of New Industrialization，2015，5（5）：33-39.

［4］ 邓林，王世涛. HALT与HASS技术原理概述［J］. 电子产品可靠性与环境试验，2004，（5）：26-29.

DENG Lin，WANG Shi-tao. The theory highly accelerate life test（HALT）and highly accelerate stress screen（HASS）［J］. Reliability and environmental testing of electronic products，2004，（5）：26-29.

［5］ 锡吉. 电子设备可靠性工程［M］. 陕西科学技术出版社，1999.

XI Ji. Reliability engineering of electronic equipment［M］. 1999.

［6］ 王光芦. 加速度传感器安装件对飞机振动环境测量影响的探讨［J］. 可靠性与环境通讯，2008，（4）：39-48.

WANG Guanglu. Discussion on the effect of acceleration transducer fixing block on aircraft vibration measurement［J］. Reliability and Environmental Communication，2008，（4）：39-48.

本文引用格式：修惠文.一种板载X86测试系统研究［J］. 新型工业化，2016，6（9）：87-90.

High Stress Accelerated Reliability Assessment Method Based on the Special Computer

WANG Lei1，2， LIU Zhi-yong1，2
（1.EVOC Intelligent Technology CO.， LTD， Shenzhen， Guangdong 518057， China； 2.National Special Computer Engineering Technology Research Center， Shenzhen， Guangdong 518057， China）

This paper introduces a kind of high stress rapid assessment method that applied as a vehicle to the inner decoder server sends multimedia video stream or as an information processing system of video recording server when applied to the subway， high-speed rail， railway and intercity railway. As the system working in the ground and underground， the environmental stress changes violently， such as the temperature and vibration stress applied randomness. The ordinary burning test has been difficult to achieve the rapid and effective excitation of early failure and potential defects due to its lower applied stress and time-consuming. In contrast， highly accelerated stress test has the ability to rapid defect excitation， so that it can effectively find product design issues .

High accelerated stress test； Rapid assessment； Defect excitation； Potential problem； Complex environment

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.013

WANG Lei， LIU Zhi-yong. High Stress Accelerated Reliability Assessment Method based on the Special Computer［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 77-81， 86.

王雷，刘志永.基于特种计算机的高加速应力可靠性评估方法［J］. 新型工业化，2016，6（9）：77-81，86.

王雷（1982-），男，工学硕士研究生，研究方向：可靠性成熟度模型、APQP、CMMI等；刘志永（1973-），男，本科，研究方向：特种计算机研发及应用