军用电子元器件可靠性强化试验的可行性研究

朱朝轩，罗俊，林震，吴兆希

(1.中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 40060；2.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 40060)

0 引言

军用电子元器件的可靠性是各类军用装备可靠性的基础和核心，是军用装备质量的决定性指标。近些年，随着国家的大量投入，我国军用电子元器件的可靠性有了很大的提高，可靠性试验的相关标准也在向国际先进标准看齐。但尽管如此，有不少通过了可靠性试验的合格军用电子元器件，仍存在可靠性低的问题，无法满足某些高质量与高可靠性军用装备的配套要求，致使其无法完全实现国产化[1]。究其原因，主要还是由于可靠性试验手段的不同造成的，传统的可靠性试验是我国主流的试验技术手段，这种方法的不足之处在于没有对产品的设计和工艺缺陷进行专门的处理，只是分别通过鉴定试验与验收试验来验证产品是否满足规范要求，使得产品仍然可能留有缺陷，而这些潜在的缺陷在实际的使用过程中随时可能被激发出来。目前，行业领先的国家或地区已经普及了更为有效的可靠性强化试验 (RET：Reliability Enhancement Test)技术，该技术手段不存在传统的可靠性试验的问题和风险，进行了RET的产品，往往具有很高的可靠性。由于RET具有巨大的优势，因而国内也正在逐步地开展了相关的技术研究。因此，本文将结合RET及其关键技术，阐述该试验技术应用于军用电子元器件的可行性，以及军用电子元器件的RET的实施方法。

1 可靠性强化试验

RET是一种基于失效物理、通过施加强化的环境应力来快速地激发失效，并充分地暴露产品薄弱环节的高加速试验技术[2]。与传统的可靠性试验不同，RET的核心不在于模拟产品真实的使用环境，而在于通过施加远超于设计规范应力极限的应力载荷，快速地激发出试件的潜在缺陷，并通过消除薄弱环节，不断地扩大如图1中所示的工作应力极限范围 (增加工作裕度)。根据 “应力-强度”干涉理论可知，有较大工作裕度的产品不仅能够避免因使用应力的增大而导致的过应力失效，还可以延长由于产品退化导致强度下降而发生的耗损型失效的时间，即延长了产品的寿命[3]。RET正是通过扩大相应的应力极限范围来健壮产品的设计的，具有能够彻底、高效地激发缺陷等特点[4]。

RET遵循两个理论，即故障模式相同理论与Miner加速原理，即产品强度随时间退化后在较低的应力下出现的故障模式与产品强度未退化时在较高的应力下出现的故障模式相同，通过提高应力量级完全可以快速地暴露在现场使用中要很长时间才能暴露的故障；而且，由于产品有缺陷的部位存在应力集中现象，会使得有缺陷的产品的寿命降低几个数量级，因此RET在快速暴露产品缺陷的同时，对无缺陷的产品损伤较小。作为一种高加速应力试验，RET具有以下的技术特点[5-7]：

a)RET施加的环境应力和工作应力是变化的，而且强度是递增的；

b)RET旨在查明和排除设计中的薄弱环节，健壮产品设计，提高产品的可靠性；

c)RET只需在能够代表设计、工艺制造和材料的样件上进行；

d)RET是在超出产品规范极限以外的应力载荷下进行的，并且要快速 (加速)地进行，试验应力远大于传统的可靠性试验的应力。

2 可行性分析

鉴于RET具有突出的优势，国内目前已经开始了相关的研究，成功的试验案例也时有报道，但试验对象多为试验条件相对宽松的小整机或组件，对元器件尤其是军用电子元器件的RET案例还未见报道。原因主要是：军用电子元器件的规范应力极限很大，很多试验设备无法提供远大于规范应力极限的强化试验应力；现行标准普适性太强，没有专门针对军用电子元器件的RET的相关军标，缺乏具体的试验指导方法；针对军用电子元器件的RET的剖面制定、测试夹具开发和在线测试等难度较大，很大程度上制约了军用电子元器件的RET的开展。而开展军用电子元器件的RET需要解决几个关键技术，分别为：试验应力的选择、试验剖面的建立、敏感参数的在线测试和高性能测试夹具的开发。

图1 元器件各种应力极限关系示意图

2.1 试验应力的选择[8]

成功地实施RET的前提便是选择合适的试验应力，从强化试验的可实施性和现有的失效统计数据方面考虑，试验应力应在高低温、快速温度循环、湿热、振动和电等单应力，以及高温工作、低温工作、稳态湿热、交变湿热和随机振动等耦合应力中选取，选取条件为：导致军用电子元器件失效的概率较高、风险等级较大且现有的试验设备可以提供试验条件的应力及应力组合，即军用电子元器件较为敏感的应力及应力组合。

2.2 试验剖面的建立[9]

强化试验是基于失效物理模型中的界限模型开展的，良好的试验剖面能够使军用电子元器件在试验过程中激发可逆和不可逆的缺陷，从而探测各类应力极限和薄弱环节，为薄弱环节的加固提供先决条件。建立试验剖面时最重要的是设计合适的剖面参数，例如：高低温步进试验剖面中的步长、保温时间；振动步进试验剖面中的振动步长、振动时间；快速温度循环试验剖面中的高低温界限值、温变率、保温时间和循环数。由于不同类型的军用电子元器件对应力的敏感程度和耐受能力不同，因而其试验剖面和参数也各不相同。所以，针对不同的对象建立合适的试验剖面，是成功地实施强化试验的关键。

2.3 敏感参数的在线测试

试件在应力环境中，某些结构、功能等参数指标会出现较大的偏差，这类参数即为试件对所施加应力的敏感参数。RET的效果不仅取决于所选的试验应力种类、敏感程度、试验剖面及其参数等，还取决于发现受试产品出现失效的能力，以及功能与性能监测的实时性。因此，在进行军用电子元器件的RET过程中，需要对器件的敏感参数进行实时监测，防止漏掉软故障，主要措施是对器件进行在线监测。

2.4 高性能测试夹具的开发

不同于整机或组件的RET，元器件的RET必须开发测试夹具以辅助完成敏感参数的在线测试。从敏感参数的可测性和信号不失真的角度考虑，测试夹具不可避免地要直接暴露于RET的应力环境中，这便对测试夹具的性能提出了很高的要求，特别是在军用电子元器件的RET过程中，测试夹具必须能够承受更高的试验应力极限，并且保证在极限应力条件下仍能准确地监测试件的敏感参数，同时避免夹具自身的性能问题导致对试件的失效误判。为了弥补现有技术的不足，在试验中通常对测试夹具采用局部加热或降温等措施，以最大限度地实现应力隔离。

3 可靠性强化试验实施方法

基于对军用电子元器件RET的可行性及其关键技术分析，本文提出了军用电子元器件RET的实施流程，如图2所示，具体的内容如下所述。

图2 军用电子元器件RET的基本流程

首先，结合同族或结构、功能相近的军用电子元器件设计与功能信息、失效信息和相关文献等，对试验器件进行失效机理与模式分析，得到其典型的失效机理、模式及其失效影响因子；其次，基于典型的失效机理与模式，进行试验应力分析，根据失效影响因子，分析应力敏感程度，进而确定敏感试验应力及组合；然后，可以通过摸底试验和失效物理仿真分析等手段，对敏感应力试验剖面进行设计和优化，根据器件敏感参数制定其在线测试方法并开发测试夹具，进而建立起RET方案；最后，按照既定方案进行试验并完成失效确认、薄弱环节分析，最终根据是否需要改进而进行改进及再次试验，或者记录并结束。

此外，虽然RET只适用于产品研发阶段，但通过RET获得的试验数据如高低温工作极限、振动极限等数据，将直接指导试件在量产时的HASS试验。因此，为了保证HASS试验的有效性与安全性，在完成军用电子元器件的RET时必须做好试验数据的记录工作。

4 结束语

本文根据RET及其功能、特点，从试验应力的选择、试验剖面的建立、敏感参数的在线测试和高性能测试夹具的开发等关键技术分析出发，分析了军用电子元器件RET的可行性，并提出了军用电子元器件RET的实施方法及基本流程。