基于高加速极限试验与加速寿命试验的可靠性增长试验方案研究

2020-07-30叶奇赵京党丽君毛翔伍巧凤

科技视界 2020年17期

关键词：湿度寿命可靠性

叶奇赵京党丽君毛翔伍巧凤

摘要

本文通过对高加速极限试验和加速寿命试验两种试验方式进行分析，对其试验方法、试验流程，加速应力，加速模型，试验剖面等方面进行了论述，形成两种试验方式相结合的可靠性增长试验方案，可有效地用于电子设备可靠性增长试验。

关键词

可靠性增长;高加速极限试验（HALT）;加速寿命试验（ALT）;加速因子;MTBF

中图分类号： V416 文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 77

Abstract

This paper analyzed and discussed the test scheme， test process， accelerated stree， accelerated model and test profile of two test methods of High Accelerated Limit Test（HALT） and Accelerated Life Test（ALT），and formed a reliability-growth scheme combined by this two test methods， which can be effectively used in reliability-growth test of electronic equipment.

Key words

Reliability-growth; HALT; ALT; Accelerated factor; MTBF

0 引言

可靠性增长试验是在研制过程中模拟实际的使用条件或加速条件进行试验，将产品存在的设计缺陷和工艺缺陷，激发成故障，通过“试验—分析--纠正—再试验”这样的反复循环过程，使产品在研制阶段通过试验不断暴露产品的可靠性薄弱环节，采取有效的纠正措施，来提高产品可靠性而进行的一系列试验。

可靠性增长试验主要有两个作用：一是通过试验发现故障，二是验证纠正措施的有效性。

1 高加速寿命试验（HALT）和加速寿命试验（ALT）

高加速极限试验（HALT），是指通过逐步增强施加在试验样品上的试验应力（如温度、振动、快速温变以及振动综合应力等），确定产品的耐受应力极限的试验[1]。HALT作为非指标考核性的加速试验，它不能得到产品的寿命信息，但可以得到产品设计应力极限的信息。

HALT是最容易发现故障的项目之一。对于电子设备而言，低溫失效占总失效的14%，高温失效占比17%，快速温变循环失效占比4%，振动失效占比45%，振动与高温变组合失效占比20%[2]，HALT覆盖了导致产品失效的主要应力，可以快速激发故障，因此可以获得更快的可靠性增长速度，更高的固有可靠性水平，更低的适用维护成本，更好的环境适应能力以及更短的研制周期。

加速寿命试验（ALT），是在进行合理工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换，得到试验样品在额定应力水平下可靠性特征的可复现的数值估计的一种试验方法[3]。

ALT是基于如下假设：即受试品在短时间、高应力作用下表现出的特性与产品在长时间、低应力作用下表现出来的特性是一致的;简而言之，加速寿命试验是在保持失效机理不变的条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。加速寿命试验采用加速应力水平来进行产品的手试验，从而缩短了试验时间，提高了试验效率，降低了试验成本。

当设备发生故障时，可以近似地分成三种形式：当产品中存在缺陷时，将会出现所谓的“早期失效”即薄弱项故障;由于外部负载超过强度，从而诱发故障;当设备磨损到一定阶段，也会诱发故障[4]。这三种故障形式构成了浴盆曲线，如图1所示。HALT的实施将降低由于外因诱发故障形式形成的浴盆曲线的中间平坦段，同时HALT将使得浴盆曲线的磨损段远远地向右延伸，即HALT使得MTBF得到了确实的提高;同时还可快速地提供工程改善的依据，有效降低失效风险，快速进入市场与达成任务需求，因此HALT对可靠性增长具有很高的贡献度。HALT虽不能确定浴盆曲线的底部具体位置，但通过ALT定量可靠性试验正好弥补了这一缺陷。

HAT与ALT广泛适用于电子产品的可靠性设计验证，特别是新产品在研发阶段越来越受到广大的企业与工程试验人员以及学者的普遍重视与推行，并在实际的工程应用中取得了显著的成效。在现今市场上，生产武器装备航空航天机械电子产品的具有国际竞争力的公司，几乎都在广泛使用这些技术来提高产品的竞争力。

2 可靠性增长试验方案

第一步：进行HALT，快速、高效暴露产品问题，改进后在出现问题的具体试验环节下验证其工作极限提升比例、可靠性改进效果。HALT通过设置逐级递增的加严的环境应力，来加速暴露试验样品的缺陷和薄弱点，而后对暴露的缺陷和故障从设计、工艺和用料等诸方面进行分析和改进，从而达到提升可靠性的目的，其最大的特点是设置高于样品设计运行上限的环境应力，从而使暴露故障的时间大大短于正常环境应力条件下的所需时间，是实现可靠性增长最经济、最快速的方法。HALT试验结束后，配合设计改进，可实现第一轮快速的可靠性增长。

第二步：以改进后的产品为试验对象，开展第二轮的可靠性增长试验即ALT（加速寿命试验），通过施加高于正常应用条件的应力，进行定量可靠性试验，评估其MTBF指标是否达到要求。如试验发现未达到要求，则对问题进行归零，通过理论分析，确认该故障不会复现后，再评估指标是否达到要求。通过HALT+ALT的试验组合方法，实现产品可靠性增长+可靠性指标验证的双重目标。

第三步：以第二步结果结合设备可靠性框图以及设备中各个模块在考虑工作应力后修正的MTBF值，进行设备可靠性分析。

3 高加速寿命试验（HALT）方案

3.1 试验开始前准备

试验开始前需确定所有待测模块满足该模块所标称的功能要求，测试前待测模块需烧机测试一天并所有功能完好，确保在室温下被测模块的功能以及相关的软件设置等都是正确的，排除与HALT试验无关的影响因子。

HALT试验箱温度范围要求在-100℃至+200℃之间，温变率范围要求达到60℃/分钟，并能在试验时能保持热稳定[4]。振动试验要求能产生三轴六自由度振动，加速度要求达到60Grms，振动频谱范围需在2Hz到10000Hz之间。

在试验时主要元器件及结构件上安装加速度传感器以监测和记录振动曲线，只有振动台的振动曲线与加速度传感器的振动曲线一致时才能进行振动试验。建议安装加速度传感器的位置为振动台面、靠近大体积（或大重量）硬件的固定点、最大反馈点（PCB中央）、疑似的薄弱位置等。

3.2 试验流程

高加速寿命试验依照图2试验流程开展，主要进行高温步进、振动步进、温度快速变化以及综合试验（温度快速变化加振动）。

3.2.1 高温步进应力试验

测试从25℃开始，步长为+10℃（当接近操作/破坏限时降至+5℃），温变率为40℃/min。一直持续到发现被测设备的操作极限和破坏极限。因为125C为主流元器件的最高使用温度，超过该温度无测试意义，如果温度升至125℃还没有发现破坏限（为防止高温破坏零件，建议到90C即停止比较保险），则停止此项测试。

3.2.2 振动步进应力试验

测试起始振动为5Grms随机振动，振动频率带宽在10Hz至5KHz范围内，步进步长为5Grms[2]，每个振动台阶保持至少10分钟并完成功能测试。如果振动设置到40Grms还没有发现破坏限，则停止此测试项。当达到30Grms（含）以上且功能测试正常时，需恢复到5Grms以验证功能测试是否正常。此时回到5Grms测试功能的目的是回到低振动应力水平去发现在高振动应力激励时不能发现的问题。

3.2.3 温度快速变化试验

以最低工作温度作为最低温度，以高温操作限作为最高温度，以此为界限进行5个循环测试，温度变化率为40℃/分钟，每个周期到达高/低温时，驻留时间至少为10分钟。

3.2.4 热冲击&振动综合应力试验

热冲击参照温度快速变化应力试验，即以仪控设备最低工作温度0℃作为最低温度，以高温操作限作为最高温度，进行5个循环测试，温度变化率为40℃/分钟，每个周期到达高/低溫时，驻留时间至少为10分钟。振动值从5Grms开始，步进步长为5Grms，每个振动台阶保持30分钟。每一个温度快速变化应力试验的温度平稳期执行功能测试。

3.2.5 电应力试验

对输入电压进行拉偏，拉偏要求为设计的电压输入上下限值。并且需要在测试时进行反复开关机等动作。

4 加速寿命试验（ALT）方案

4.1 试验流程

加速寿命试验依照图3试验流程开展。

4.2 加速应力

经验数据表明温度、湿度、振动所引起的失效占整体失效的86%[5]。若产品能长期生存在温度、湿度、振动的应力条件，则未来产品的可靠性问题会大幅度的减少;温度、湿度和振动同时加速可以模拟产品使用的实际条件，更加快速的激发产品故障，及早发现可靠性问题，同时可缩短产品的验证时间，节省测试费用。综上所述，采取温度、湿度和振动同时加速作为本试验的加速应力。

4.3 加速模型与加速因子

振动导致的环境效应主要表现为设备或设备内的动态位移，这些动态位移可能引起或促进结构疲劳与机械磨损，另外还会导致元器件的碰撞与功能损坏。而温度主要影响化学反应速度，特别是电子零件电气参数的改变，是电子产品失效的主要原因。湿度主要对表面和材料特性以及水凝产生影响。三者造成的失效模式及失效原因均不同，故可以认为温度+湿度与振动应力从解决工程问题的角度，近似彼此独立。随机振动和湿度为非热应力其模型为逆幂律模型;温度加速为阿伦尼斯模型，温湿度的组合模型Hallerberg-Peck模型即为阿伦尼斯模型和逆幂律模型组合构成的一个新的模型。如果温度与非热应力同时加速，则阿伦尼斯与逆幂律模型可以组合构成一个新的模型。也就是将温度与非热应力加速因子直接相乘，其前提条件是威布尔分布的形状参数为1，即为故障规律服从指数分布。[6]电子产品的故障率服从指数分布。多个加速应力同时作用，应力如果相互独立则总的加速因子等于各加速应力因子直接相乘，因此，本方案的温度、湿度和振动的加速因子为：

AF=AF1*AF2

其中：

AF：温度+湿度+振动组合加速因子;

AF1：温度+湿度组合加速因子;

AF2：振动加速因子。

4.3.1 温度+湿度应力加速因子

温度应力的加速模型为Hallerberg-Peck 模型[7]，其加速因子为：

AF1=exp{（Ea/K）}*（1/Tu-1/Ts）*（RH_stress/RH_use）n

其中：

AF1：温度+湿度组合加速因子;

Ea：活化能;

K：Boltzmann常数=8.617*10-5ev/K;