引信系统电子产品加速寿命试验方法研究

李晨阳

（北京航天长征飞行器研究所，北京，100076）

引信系统电子产品加速寿命试验方法研究

李晨阳

（北京航天长征飞行器研究所，北京，100076）

针对引信系统电子类单机寿命长、可靠性高、试验子样少的特点，通过对不同试验与数据评估的比较，提出了基于激活能预估的加速寿命试验设计与评价方法。试验结果表明：采用关键、薄弱环节激活能替代引信电子类单机产品激活能进行加速寿命试验设计和评估的方法可行，有助于解决此类产品寿命与可靠性评估因研制周期紧凑、参试子样少造成的困难。

0 引 言

贮存可靠性是导弹的一项重要战术技术指标。贮存可靠性能否达标，从某种意义上直接影响导弹的使用进程与使用寿命[1]。作为导弹武器系统的重要组成部分，引信系统中，电子类单机的可靠性决定系统的寿命与可靠性指标。随着对引信系统各类单机寿命与可靠性指标要求的不断提高，对此类单机产品贮存期的评估与验证必须同期开展。虽然当前工程实践中已逐步通过非工作失效率统计评估和元器件加速寿命试验开展电子产品贮存寿命评估，但对于电子产品而言，复杂电路结构的失效机理和失效模式各不相同，元器件加速寿命试验尚不能完全替代整机寿命试验。电子类单机加速寿命试验方法研究可以为工程研制单位节约大量资源，具有良好的应用前景和实用价值。以此作为加速应力摸索电子产品的加速寿命试验模型；最后，在不同应力水平下对一定数量的产品子样进行寿命试验，通过数据统计分析评估得到产品的寿命与可靠性指标。基本流程如图1所示[2]。

1 传统寿命试验设计与评估流程的应用局限性

图1 传统加速寿命试验设计与评估流程

1.1 传统寿命试验的设计与评估流程

开展加速寿命试验与评估，首先需要确定对不同可靠性分布类型产品贮存寿命影响最大的环境应力，

1.2 传统试验与评估方法在单机产品中应用的局限性分析

传统的加速寿命试验方法与评估流程应用在单机产品（尤其是军工产品——包括引信系统产品）中有很大的局限性，其原因是此类产品的固有特点造成。电子类单机产品的特点如下：

a）试验子样少：一般情况下，电子产品的复杂程度较高，投产成本相应提升，从而导致无法提供足够数量的产品子样进行寿命试验；

b）失效模式、机理复杂：电气结构复杂分析出的失效模式多样化，与之相对应的失效机理也多样化；

c）失效数据获取难度大：产品质量提升促使设计寿命延长，加速寿命试验无法按预计周期得到失效子样。

2 电子整机加速试验方法比较

2.1 加速退化法

对于参试子样较少的军工电子类单机产品，使用加速退化法进行试验能够解决失效数据难以获取的问题，但试验设计与评估中需要注意以下两点：

a）退化趋势的获取：此方法的应用必须首先掌握产品的关键特性，同时加速应力的叠加过程相对简单且指标变化显著；

b）加速应力对性能退化的影响分析：不同环境应力对单机产品性能参数退化的影响过程较为复杂，选取直接影响关键性能参数退化的加速应力是实施试验的关键环节。

2.2 失效率比值法

电子类单机产品的可靠性大多服从指数分布，装机元器件在不同温度T下的失效率λ各不相同（通常，随着温度的提升元器件失效率也逐步升高[3]）。由此可以得到可靠性指标随环境温度升高而逐步降低，故将温度选为关键环境参数[4～6]。此类产品寿命试验的加速系数计算如下：

式中 Ai为加速系数；L0为正常温度应力下的产品寿命特征量；Li为加速温度应力下的产品寿命特征量；λ0为正常温度应力下的产品失效率；λi为加速温度应力下的产品失效率。

此方法的劣势在于加速应力的单一化，且对产品的参数影响反应在可靠性指标的变化更为突出，不足以综合评估各类使用工控下产品的贮存寿命指标。

2.3 转化法

此方法基于竞争机制的“木桶原理”（也称“短板”原理），即每种产品中最先出现贮存失效的薄弱环节称为寿命“短板”，针对该零部（组）件或元器件的加速寿命试验方法即可表征单机产品的加速寿命试验。

可以利用以下方法寻找单机产品贮存薄弱环节：

a）借鉴同类型或相似产品信息；

b）产品使用信息统计分析；

c）排列图法；

d）故障模式影响及其危害性分析；

e）故障树分析法。

由于引信系统电子单机工况复杂，元器件在单机中需承受力、热、电等多种应力交变的复杂环境，诱发或影响其薄弱环节的因素较多，应用转化法进行加速寿命试验同样具有较高的技术风险。

3 基于激活能预估的加速寿命试验设计与评估方法

加速寿命试验的目的是找出产品寿命特征量与加速应力的关系。通过分析产品的贮存薄弱环节，利用元器件激活能参数统计预估产品在不同应力下加速系数，建立产品加速模型。

3.1 激活能的获取

以半导体元器件为例，元件晶体中晶格点阵上一个原子“跃迁”时所需要的能量即为激活能（相对于整机产品，激活能是以应力叠加方式施加至产品导致失效的能量）。激活能越小，越容易失效，反之则越大[4]。《电子设备可靠性预计手册》中给出了各种硅半导体器件的激活能，有助于解决军工电子产品（如引信系统电子单机）因寿命试验子样少、历史试验信息少导致加速模型中未知参数评估困难的问题[5]。

工程应用中，激活能一般通过产品故障模式影响分析或故障模式影响及其危害性分析完成产品特性分类分析得到其关／重件特性，针对关／重件使用元器件非工作失效统计分析获取激活能用来代替产品的激活能指标开展加速试验设计和数据分析。

3.2 建立加速模型

《电子设备可靠性预计手册》中选择温度作为元器件非工作失效统计分析的环境应力。因而，对于电子类单机产品，可选择高温作为加速应力。Arrhenius加速模型作为一种典型的温度应力加速模型，其数学表达式为

式中 L为寿命特征量；Ea为产品激活能；K为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；B为待定系数。

由式（2）可以得到正常使用温度T0相对于加速温度Ti的加速系数：

式中 Ai为加速系数；T0为使用环境温度；Ti为加速温度。

如前所述，在估计加速系数时若采用失效率比值法要求输入所有元器件的失效率，计算复杂也偏于保守，而通过式（3）的简化，产品的激活能可以使用贮存薄弱环节（或元件）的激活能代替，从而确定产品加速系数用于加速寿命试验设计。简化算法的有效性可通过加速寿命试验后的数据反推进行验证。

3.3 试验时间的反推

电子产品的可靠性指标服从指数分布，即：式中 RL为产品可靠性下限； T*为折合后的累计试验时间；t为寿命指标要求值；r为关联失效数；γ为置信度。得到了累计时间 T*后，可以利用之前得到的加速系数反推出在加速应力下需要的试验时间：

式中 ti为加速寿命试验时间；ni为加速寿命试验子样数；Ai为加速系数；tj为常态试验与使用时间；nj为常态试验与使用子样数；kj为环境因子。

根据反推出加速应力下的试验时间，可以进行后续的试验设计。

3.4 典型单机加速寿命试验

以某引信系统的重要单机为例，产品采用密封结构，内置有微处理器、目标探测和飞行环境敏感装置，可靠性和寿命指标要求高且研制周期短，必须通过加速寿命试验进行验证。加速寿命试验设计过程如下：

3.4.1 产品失效模式及影响分析FME（C）A

在产品 FME（C）A和特性分类分析基础上，首先确定产品的关键与薄弱环节。因产品为密封结构电子单机，故选择高温作为加速应力并选取了Arrhenius加速模型，预估产品激活能，据此推断不同应力下的加速系数。

3.4.2 极限应力试验

极限应力摸底过程如下：

a）将子样置于产品的设计极限温度T，停留时间

2 h或更长，待产品内部温度稳定后，降至常温并恢复4 h，进行产品性能、功能测试，并记录完整；

b）第1次测试完毕，将子样置于T+10 ℃，停留时间2 h或更长，待产品内部温度稳定后降至常温并恢复4 h，进行产品性能、功能测试，并记录完整；

c）以后每步增加10 ℃，重复操作步骤，直至试验箱最高温度或者产品出现失效（失效为不可恢复性失效），产品出现失效的温度即为产品破坏上限；

d）产品失效后进行失效模式和机理分析，并与常温下的失效模式和机理进行对比，确保子样的失效机理没有改变。

图2 温度极限应力试验

3.4.3 加速应力量级确定

步进试验中，应力温度水平的确定应根据评估精度的需要与实际可能来综合权衡。在没有获得加速因子的情况下，加速寿命试验取 4个应力水平。测出最高应力温度T4及最低应力温度T1后，中间两个应力温度按下式确定：

3.4.4 加速贮存验证试验

以加速因子为基础，设计单机的综合环境应力寿命验证试验剖面。单机在全寿命周期内的贮存环境应力包括温度（高温和低温）、湿度、振动和电应力等，因此，验证试验剖面应考虑到各种环境对其寿命的影响[6]。在所有的应力中，温度是控制系统的主要贮存应力，产品贮存过程中长时间经受的是常温应力的作用，短时间经受的应力有高温应力、低温应力、振动应力、电应力等，将产品的低温应力、振动应力、电应力等进行等时间等量级模拟，得到加速后的试验剖面，将剖面进行循环试验，从而验证产品的贮存年限。

选择不超过单机任意组件破坏极限的温度作为加速应力量级，统计单机全寿命周期的温度和其他应力的分布情况（包括应力等级和每一个应力等级下的贮存时间），将产品的常温和高温时间依据温度加速因子转换为加速温度下的试验时间。低温取产品实际贮存过程中经受的最低温度，统计产品平均的低温贮存时间，在高温加速前施加低温，形成温度循环的试验剖面。

统计产品平均的高湿（即湿度接近75%RH）时间，在高温加速的后期施加75%RH湿度应力。考虑到导弹贮存过程中的定期检测、野外待机和运输过程等，在试验剖面中施加产品平均承受的振动、小量级冲击和电应力时间，获得综合环境的加速贮存验证试验剖面。将1台单机在此剖面下进行加速贮存验证试验，验证单机要求的贮存年限；在每一个循环的时间点设定检测点，等效于定期贮存后性能检测。

若产品在试验过程中性能测试满足技术条件要求，则说明产品达到规定的贮存年限，并给出产品的寿命。

若出现产品性能测试不满足技术条件要求，则表明产品寿命达不到规定的贮存年限，则应对性能超差产品进行失效分析，并据此确定相关延长产品贮存期的措施。

4 结 论

采用关键、薄弱环节激活能替代引信电子类单机产品激活能进行加速寿命试验设计和评估的方法合理可行，有助于解决此类产品寿命与可靠性评估因研制周期紧凑、参试子样少造成的困难。

目前，引信系统以及其他电气系统电子产品已逐步应用该方法进行单机寿命试验设计与评估，使其具有良好的应用前景。

[1]李久祥，刘春和. 导弹贮存可靠性设计应用技术[M]. 北京: 海潮出版社, 2001.

[2]李海波, 张正平, 黄波, 张伟. 导弹贮存试验技术与贮存可靠性评估方法研究[J]. 质量与可靠性, 2006(06).

[3]张栋, 钟培道, 陶春虎, 雷祖圣. 失效分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2004.

[4]杨家铿, 等. 电子设备可靠性预计手册[S]. GJB/Z 299C-2006, 2006.

[5]杨丹，恩云飞，黄云. 电子元器件的贮存可靠性及评价技术[J]. 电子元件与材料, 2005(07): 61-64.

[6]金星, 洪延姬. 系统可靠性与可用性分析方法[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007.

Research of Accelerated Life Testing Method of Fuze System Electronic Products

Li Chen-yang
(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076)

In view of the characteristics of long life, high reliability and low test sample of the electronic class of the fuze systems, the method of the accelerated life test design and evaluation based on activation energy estimation is proposed. The results show that the method is feasible for the design and evaluation of the accelerated life test design and evaluation of the electronic products of the fuze by using the key and weak links.

Fuze system; Accelerated life testing; Reliability

引信系统；加速寿命试验；可靠性

TN97

A

1004-7182(2017)01-0089-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170121

2015-10-13；

2016-09-12

李晨阳(1971-)，男, 高级工程师, 主要研究方向为引信电气系统设计