电子装备可靠性加速试验方法

孔耀，王晋忠，朱绪垚

(中国电子科技集团公司第五十四研究所质量管理部，河北 石家庄 050081）

现代复杂电子装备的MTBF高达2000～5000h，甚至更长。经典的可靠性试验方法已经无法满足电子装备发展的要求，如何验证电子装备的可靠性水平已经是装备承制单位急需解决的问题。在此形势下，可靠性加速试验应运而生，并成为电子装备可靠性试验领域的重要研究方向。加速等效如图1。

1 加速试验的假设

图1 加速等效

加速寿命试验的加速因子定义：

式中，tR,O和tR,t表示产品在加速应力水平St与正常应力水平So下的达到相同可靠度的可靠寿命。AFt,o为加速应力水平St相对于正常应力水平So的加速因子。通过公式可以发现加速因子就是可靠寿命之比，反映了产品分别在两种应力水平下寿命过程的相对快慢程度。

Nelson对加速因子的定义进行了扩展。若产品在应力水平Si与Sj下分别作用时间为ti和tj的累积失效概率相同，即Fi(ti)=Fj(tj)，则加速应力水平Si相对于正常应力水平Sj的加速因子可以表示为：

从本质上来讲这两个定义是一致的，如果对上式进行变换，则可以得到

如果产品应力Si作用下试验了时间ti，则在应力Sj作用下达到相同退化累积的等效时间tj可以通过计算确定，因此通过式（3）可以对不同应力水平的试验时间进行折算。

可靠性加速试验要求加速应力的失效机理与产品正常应力下的失效机理相同。威布尔分布的形状参数反映了产品失效机理的变化。所以这一假设就是各加速应力水平下的产品寿命分布的形状参数与正常应力下的形状参数一致。对数正态分布的对数标准差反映了产品失效机理的变化。所以这一假设就是各加速应力水平下产品寿命分布的对数标准差与正常应力下的对数标准差一致。

2 电子装备可靠性加速试验方法

2.1 恒定应力可靠性加速试验

恒定应力加速试验是随机地从一批产品中任取n个样品，分成k组，在k个应力水平下进行的，其剖面如图5所示。加速应力水平数k及应力水平S1＜S2＜…＜Sk的确定原则如下：

k取得越大，即水平数越多，则求加速方程中两个系数的估计越精确。但水平数越多，投入试验样品数就要增加，试验设备、试验费用也要增加。在单应力恒加试验中一般要求应力水平数k不得少于4。加速应力水平S1＜S2＜…＜Sk的确定有一个重要原则，就是在诸应力水平Si下产品的失效机理与在正常应力水平S0下产品的失效机理是相同的。最低应力水平S1的选取，应尽量靠近正常工作应力S0，这样可以提高外推的精度，但是S1又不能太接近S0，否则收不到缩短试验时间的目的。最高应力水平Sk应尽量选得大一些，但是应注意不能改变失效机理，特别不能超过产品允许的极限应力值，恒定应力可靠性加速试验包括定时截尾、定数截尾等方式。

图2 恒定应力加速寿命试验示意图（×表示失效）

2.2 步进应力可靠性加速试验

试验正常应力水平为S0，选定一组加速应力水平S1＜S2＜…＜Sk，从应力水平S1下开始进行寿命试验。试验一段时间后提高到S2，未失效的样品在S2下继续进行试验，按照此程序进行试验，一定数量的样品发生失效停止试验。

步加应力加速试验所需试验品组数将大大减少，只需要一组样品即可，但由于数据分析精度的需要，样品数最好不少于12个，S1可以尽量靠近S0。当在S1下进行试验时间τi后且无失效发生，即可S2水平下进行试验。各Si应力水平步长应该选定适宜，定时、定数截尾方式均适用。

图3 步进应力加速寿命试验示意图（×表示失效）

2.3 可靠性加速退化试验

加速退化试验是在失效机理不变的基础上，通过建立退化模型，利用产品在高（加速）应力水平下的性能退化数据评估正常应力水平下可靠性水平的方法。

恒定应力加速退化试验将一定数量样品分为若干组，每组在一个恒定不变的加速应力水平下进行的性能退化试验，直到各组均有一定数量样品的性能参数至规定的阀值。

步进应力加速退化试验选定一组加速应力水平S1＜S2＜…＜Sk。试验开始时把全部样品都置于应力水平下S1进行加速退化试验。试验一定时间后提高到S2，继续进行试验，按照此程序进行直到每一应力水平下产品均发生性能退化。

2.4 基于事件等效的可靠性加速试验

事件压缩试验是指以高于产品实际使用时的频率对事件进行重复应用。例如，对开/关循环，可通过重复进行开/关循环而将其压缩成几小时的试验。因此，在产品十年寿命期内具有充分余量的120次开/关循环可靠性验证试验的时间就非常短。

试验的优点是在短时间内增加应力重复频次，进而短时间内复现对产品造成的累积损伤。在此类试验中，因施加连续的应力，对产品产生一些负面影响，激发出常规使用不会出现的失效情况。例如，在产品工作过程中，由于磨擦机理引起的机械零部件磨损，持续地磨擦会产生热量，激发出正常情况下会因冷却效应而延迟发生的失效。又例如，由于应力连续重复而未留出使材料恢复原状的时间而引起金属疲劳。

2.5 基于时间等效的可靠性加速试验

通过压缩工作周期及增加“开机时间”和减少“停止时间”（例如，非工作时间）可以实现时间压缩。如产品的试验持续时间为24h/天，然而其在实际使用环境中，产品每天仅工作8h。那么此时的时间压缩因子则为3，所以每天的试验时间应是3天的实际使用时间。

与日历时间相比，具有较少的或短的工作时间的产品，可在一个相对于使用期限较为合理的试验时间内进行试验（例如办公设备，汽车，收割机械等等）。对于施加正常应力且试验时间相对较短的试验，无须增加应力。因此，无需确定试验的加速因子，否则会有对受试单元施加过应力的风险。

此外，若将产品暴露于较宽的应力范围下，那么最大的应力（主应力）将会引起最大的损坏，与主应力相比，产品的某些使用应力对产品产生的损坏可忽略不计。可假定产品暴露在低于指定损伤应力阀值的应力下所产生的损伤忽略不计，且可从试验计划中剔除。机械疲劳更是如此，常用于结构疲劳的加速试验（见GB/T 5080.2）。

产品的工作时间是指仅考虑与工作环境相关的失效模式，而在“非工作”环境中出现的失效模式可忽略不计。针对这些失效模式，施加给产品的应力可能比其使用过程中的应力小很多，但施加时间相当长，使其产生的累积损伤与产品使用应力所引起的损伤相当或更大，所以对产品造成的损害更加严重。对于工作时间小于停机时间的产品，有必要将工作期间与停机期间的加速试验结合起来进行，例如，腐蚀试验、湿度试验等。在某些情况下，在时间压缩试验之前，可从停机期间开始施加应力对产品进行预处理，例如，湿度、冷贮藏、太阳辐射、机械载荷（振动等）以模拟非工作环境条件。进行预处理的目的，是模拟使用过程中的失效模式与贮藏状态下的预期失效模式（反过来对使用中的失效模式产生影响）之间的相互关系。