弹载电子设备HALT在延寿中的应用研究

韩建立 张鑫 张崇会 赵建印

摘 要： 为选择更为合适的加速寿命试验应力，本文结合某型导弹任务环境特点和高加速寿命试验（HALT）要求，提出一种针对弹载电子设备的高加速寿命试验方法。以某型导弹弹载电子设备典型部件为例，在对其组成结构分析的基础上，确定了部件主要失效模式，分析了影响部件性能的敏感应力。针对延寿工作需要，设计该部件的HALT方案，通过试验获得该部件在不同敏感应力下的工作极限值，为延寿工作的开展提供指导。

关键词：弹载电子设备;HALT;加速寿命试验;延寿

中图分类号：TJ760   文献标识码： A    文章编号：1673-5048（2021）03-0071-06

0 引  言

目前，针对弹载电子设备的加速寿命试验主要以温度应力试验为主，应力水平主要通过工程经验或分析试验件的高温特性来确定[1-2]。以往的延寿工作实践表明，针对弹载电子设备的加速寿命试验，温度应力上限一般设定在75～120 ℃，试验时间长达几个月[3-5]。研究发现，在保持产品失效模式与失效机理不变的前提下，合理提高温度应力水平会使试验效率成倍提高，从而极大缩短试验时间，降低试验成本[6-9]。

随着器件和材料制造工艺水平的提高，导弹可靠性越来越高，以往的加速寿命试验过于保守，找到更有效率的应力水平成为目前延寿领域研究的重点。本文通过产品研制阶段采用的高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Test，HALT）获取产品温度应力下工作极限，指导加速寿命试验的开展。

在HALT技术和理论应用方面，国内外学者做了大量的研究。史晓雯及褚卫华等[10-11]对HALT基本原理和试验流程作了详细的概述，对HALT的试验目的和试验顺序、试验设备选择和试验剖面设计等内容进行了设计研究;马岩[12]基于有限元分析理论基础进行了HALT仿真试验，得出了航天器精密组件在高低温、温度循环应力下的工作极限;Brian等[13]通过将HALT应用于高可靠性的航天级商用卫星故障改进中，验证了HALT在高可靠性产品设计生产的经济价值;陈铁牛等[14]针对空空导弹试验费用高、样本量小等，设计了更加适用于研制过程的试验剖面，通过控制产品破坏极限发生的时机，尽早地暴露产品的薄弱环节，缩短了研制周期。

目前，国内HALT技术与理论研究有较快的发展，但将HALT与传统加速试验相结合应用于延寿工作的研究鲜见发表。本文基于HALT的试验标准和要求，根据某型导弹延寿任务需要，选取其导引头二次电源作为弹上电子设备典型部件，设计HALT试验方案，通过HALT确定的部件工作极限，指导延寿工作中加速寿命试验应力选择。

1 弹载电子设备失效模式和失效机理

1.1 二次电源FTA分析

HALT的基本理论依据是故障物理学，主要研究产品的故障和失效[15]。故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）由美国科学家Watsonh和Hansl于1961年率先提出并应用于“民兵”导弹系统，可形象地分析故障事件，并确定故障原因的各种组合及发生概率[16]，从而获得二次电源容易失效的薄弱环节及相应的敏感应力，以及主要失效模式及失效机理。

某型导弹导引头二次电源是弹载电子设备的典型部件，安装在导弹雷达导引头支架，主要功能是在导弹战斗级阶段发出“接通电源”指令后为末制导雷达提供12 V左右的电压，由DC/AC变换单元、整流滤波单元、输出滤波单元、稳压控制单元、供电单元等组成，工作原理示意图如图1所示。

二次电源主体为PCB板，搭载电压比较器、电压分配器、电压电流转换器、某型号二极管以及若干电阻、电容等电子元器件，元器件采取点焊工艺焊接在PCB板上。根据导弹实际使用背景，考虑储存条件、任务环境等要素，以二次电源失效为顶事件，建立FTA分析如图2所示。

通过FTA分析可得，二次电源主要失效模式包括电压比较器失效，电压分配器失效，电压电流转换器失效，二极管性能退化，导线短、开路，点焊脱落等，结合某型导弹历年修理数据统计，二极管性能退化和电路短、开路为概率最大的失效模式，据此可确定弹载电子设备典型部件在洞库贮存、战备值班典型任务剖面中的薄弱环节为二极管性能退化和电路短、开路。

1.2 弹载电子设备典型部件失效模式和失效机理

某型导弹整个寿命周期经历贮存、运输、维护、值班等任务剖面，主要受湿热、冲击、盐雾等环境因素的影响[17]，这些因素长期作用导致导弹各部件在机械、化学、电气等方面产生累积效应，从而引发故障，可能引发的失效模式与失效机理如表1所示。

1.3 敏感应力分析

开展HALT前要结合导弹使用环境和延寿任务需求，找到影响弹载电子设备可靠性的主要因素确定为试验应力。考虑到导弹长期贮存在有供暖的库房，战备值班时发射筒内也采用了相应保护措施，因此霉菌、电压、辐射、盐雾、湿度对其造成的影响很小，影响其性能的环境因素主要为温度和振动[18]。导弹所受振动和冲击主要来自转载运输环节，在服役周期中时间短暂、占比极小，统计结果表明振动对导弹基本没有造成损伤，因此可以不予考虑。

综上所述，对弹载电子设备典型部件開展加速寿命试验主要考虑温度的影响，所以，温度是HALT和加速寿命试验共同的敏感应力，可以通过HALT得到的工作极限温度作为加速寿命试验温度选择的依据。

2 试验方案

2.1 试验流程和样本选取

HALT不同于加速寿命试验，主要注重故障激发效率，对失效统计结果的要求不高。由于该型导弹具有较高的环境适应性和可靠性，考虑到试验中可能会因突发失效导致试验失败等因素，试验件数量安排为2个（1个参加试验，1个备用）。

根据目前国内外对HALT应用的研究，常用试验方案一般包括低温步进应力试验、高温步进应力试验、快速温变试验、振动应力试验和综合环境试验[19]，通常依靠专用的可靠性强化试验箱实施。根据GB/T 29309-2012《电工电子产品加速应力试验规程高加速寿命试验导则》对试验装置的要求，进行温度应力试验的设备要求最大温度变化速率不小于60 ℃/min，试验温度范圍不小于-80～170 ℃，温差为±3 ℃[20]，常规试验设备无法满足。文献[21]中给出的试验证明，利用常规温度试验箱进行温度步进应力试验，可以更精确地对温度步进进行控制，因而可准确得到产品的温度工作极限。以上结论为实验室缺少专用HALT设备时利用常规试验设备执行部分HALT项目提供了理论依据。为达到试验目的，确定执行高、低温步进应力试验，根据HALT应力施加顺序基本原则，先进行破坏性小的低温步进应力试验，再进行破坏性大的高温步进应力试验。

2.2 试验参数设定

HALT可高效率暴露试验件潜在缺陷，一般经过HALT的产品就不能再做他用。考虑到本次试验的目的是获取二次电源的工作极限而不是破坏极限，且二次电源为现役装备部件，因此力求避免试验件破坏失效。按照电子元器件温度等级划定标准[22]，为避免试验件产生破坏失效，设定本次试验截止温度值为高温不超过150 ℃，低温不低于-55 ℃。

根据美国科学家Hobbs的建议，HALT步长取10 min，一般情况下，以试验件规定的使用温度±20 ℃作为步进应力试验的起始温度，如规定工作温度在0～35 ℃，则以0 ℃和35 ℃为低温步进和高温步进的起始温度。因为0～35 ℃之间的应力对产品损伤量极少[23]，步阶一般为5 ℃或10 ℃，以试验件规定的工作温度为标准，达到规定的工作环境极限温度值之前以10 ℃为步长，之后以5 ℃为步长。

某型导弹贮存温度为-5～35 ℃，规定的使用温度为-10～70 ℃，因此，HALT温度步进应力试验高温起始温度为35 ℃，低温起始温度为0 ℃，达到70 ℃之前步阶为10 ℃，之后为5 ℃，在低温步进应力试验中，达到-10 ℃之前步阶为10 ℃，之后为5 ℃。

3 HALT试验过程及结果处理

试验设备选取成都普吉斯天宇试验设备公司生产的的TZ-80-70-WH高低温综合试验箱，如图3所示。

确定试验件外观完好，性能符合技术要求，将试验件按图4所示固定于试验箱内，并根据受试产品的热分布及温升情况安装温度传感器，试验件导引头二次电源可理想化为平面板状物体，不考虑厚度对温度传导的影响，认为在温度试验箱中随温度变化，内外温度一致。

3.1 试验过程

3.1.1 低温步进应力试验

低温步进应力试验的起始温度为0 ℃，步进应力达到-10 ℃，之后步长为5 ℃，温度变化率为可获得最大温变速率5 ℃/min。受试产品达到温度稳定后，保温10 min，通电2次以测试试验件在低温条件下的转换能力，在输出端连接万用表，检测输出电压并记录，以输出电压是否在12 V±0.60 V内为失效判据，低温步进应力试验以-55 ℃为终止条件。

按照方案设计和试验要求进行0 ℃， -10 ℃， -15 ℃， -20 ℃， -25 ℃， -30 ℃， -35 ℃， -40 ℃， -45 ℃， -50 ℃， -55 ℃温度试验，温度测量曲线如图5所示。

在温度稳定时，对试验件性能进行检测，2次通电结果取均值以消除误差作为测试结果，电压测试结果如图6所示，判定在整个低温步进应力试验阶段试验件未出现故障。通过试验，确定受试产品当前状态下的低温工作极限优于-55 ℃。

3.1.2 高温步进应力试验

高温步进应力试验的起始温度为35 ℃，在温度达到70  ℃之前步长为10  ℃，之后步长为5 ℃，温度变化率为可获得最大温变速率5 ℃/min。受试产品达到温度稳定后，保温10 min，通电2次以考核其在高温条件下的转换能力，在输出端连接万用表，检测输出电压并记录，以输出电压是否在12 V±0.60 V内为失效判据，高温步进应力试验以150 ℃为终止条件。

按照方案设计和试验要求进行35 ℃， 45 ℃， 55 ℃， 65 ℃， 75 ℃， 80 ℃， 85 ℃， 90 ℃， 95 ℃， 100 ℃， 105 ℃， 110 ℃， 115 ℃， 120 ℃， 125 ℃， 130 ℃， 135 ℃， 140 ℃， 145 ℃， 150 ℃温度试验，试验期间温度测量曲线如图7所示。

在温度稳定时，对试验件性能进行检测，电压测试结果如图8所示，受试产品在整个高温步进应力试验阶段未出现故障。通过试验，确定受试产品当前状态下的高温工作极限优于150 ℃。

3.2 结果分析

温度到达本次试验设定的高、低温极值时，试验件无肉眼可见的断裂、膨胀及融化现象，温度稳定后两次启动电源供电，测量输出电压，低温-40 ℃时均为12.3 V，高温150 ℃两次通电测量分别为11.5 V和11.6 V，均满足性能要求，试验件未失效。可见，在低、高温步进试验过程中，均没有激发故障。

在低、高温步进应力试验过程中，均未激发二次电源故障，未发现其他未知的设计缺陷，可说明二次电源符合军工级标准，部件在温度应力范围（-55～150 ℃），失效模式与失效机理不会发生改变。

4 结  论

通过试验，确定了某型导弹弹载电子设备典型部件——导引头二次电源的低温工作极限优于-55 ℃，高温工作极限优于150 ℃，在-55～150 ℃温度范围内试验件失效模式与失效机理未发生改变。上述HALT结果对加速寿命试验选取更为高效的高、低温应力具有很好的指导作用，为改变导弹延寿工作中过于保守的加速应力水平提供依据，未来可通过HALT的振动数据，指导加速寿命试验振动值的确定。

参考文献：

[1] 申争光， 苑景春， 董静宇.弹上设备加速寿命试验中加速因子估计方法[J].系统工程与电子技术， 2015，37（8）：  1948-1952.

Shen Zhengguang， Yuan Jingchun， Dong Jingyu. Research on Acceleration Factor Estimation Method of Accelerated Life Test of Missile-Borne Equipment[J]. Systems Engineering and Electronics，  2015，  37（8）：  1948-1952.（in Chinese）

[2] 劉佩风，王毅飞，白明明，等.电子整机加速贮存试验及寿命评估方法研究[J].强度与环境， 2018， 45（1）：  57-62.

Liu Peifeng， Wang Yifei，  Bai Mingming， et al. Study on Storage Accelerated Aging Test and Life Assessment of Assembly Product[J].Structure & Environment Engineering，  2018，   45（1）： 57-62. （in Chinese）

[3] 程鹏斌，卢阳，马英.加速寿命试验在弹载电子设备寿命试验中研究及应用[J]. 环境技术， 2018， 38（6）：  7-10.

Cheng Pengbin，  Lu Yang，  Ma Ying.Study and Application of Accelerated Life Test in Life Test of Missile Electronic Equipment[J].Environmental Technology，  2018， 38 （6）：  7-10. （in Chinese）

[4] 席运洋，刘万远，鲍华.某型空空导弹电子部件加速贮存寿命试验方法研究[J]. 航空兵器， 2016 （1）：  64-68.

Xi Yunyang，  Liu Wanyuan，  Bao Hua.Testing Method Study of Accelerated Storage Life for Electronic Components in Certain Air-to-Air Missile[J]. Aero Weaponry，2016 （1）：  64-68. （in Chinese）

[5] 陈海建，李波，顾钧元，等.基于加速寿命试验的导弹寿命预估方法[J].四川兵工学报，2010，31（4）：11-12.

Chen Haijian，Li Bo，Gu Junyuan， et al. Estimation of Missile Life Based on Accelerated Life Test [J].Sichuan Ordnance Journal，  2010， 31 （4）：  11-12. （in Chinese）

[6] 王文平，王向晖，张庆君，等.基于Arrhenius模型的星载电子产品加速寿命试验技术[J]. 航天器环境工程， 2018， 35（3）：  247-251.

Wang Wenping， Wang Xianghui，  Zhang Qingjun， et al. Accele-rated Life Test Technology for Satellite Electronic Products Based on Arrhenius Model[J]. Spacecraft Environmental Engineering， 2018， 35（3）：  247-251. （in Chinese）

[7] 张颖，王建业，王海龙，等.基于泊松分布的集成电路寿命计算[J].弹箭与制导学报， 2018， 38（3）：  71-74.

Zhang Ying，  Wang Jianye，  Wang Hailong，   et al. Integrated Circuit Life Calculation Based on Poisson Distribution[J].Journal of Projectiles，   Missiles and Guidance， 2018， 38（3）： 71-74. （in Chinese）

[8] 王长安，牛跃听，穆希辉，等.某型陀螺仪自然贮存寿命评估与加速寿命试验时间预估[J].中国惯性技术学报， 2016， 24（5）：  683-687.

Wang Changan，  Niu Yueting，  Mu Xihui，   et al. Prediction of Storage Life and Accelerated-Life-Testing Time for Gyroscope[J].Journal of Chinese Inertial Technology，  2016， 24（5）： 683-687. （in Chinese）

[9] 聂志强，王明培，孙玉博，等. 传导冷却高功率半导体激光器单巴器件CW工作模式下的热加速寿命试验[J].发光学报， 2019， 40（9）： 1136-1145.

Nie Zhiqiang，  Wang Mingpei，  Sun Yubo，   et al. Thermally Accele-rated Aging Test of Conduction-Cooled-Packaged High Power Diode Laser Bar in CW Mode[J].Chinese Journal of Luminescence，  2019， 40（9）：  1136-1145. （in Chinese）

[10] 史晓雯，徐剑锋，徐丹. HALT试验技术综述[J].环境技术，2011，34（3）：24-27.

Shi Xiaowen，  Xu Jianfeng，  Xu Dan.Comprehensive Review of HALT Technology[J]. Environmental Technology，  2011， 34（3）：  24-27.（in Chinese）

[11] 褚卫华，陈循，陶俊勇，等.高加速寿命试验（HALT）与高加速应力筛选（HASS） [J].强度与环境，2002，29（4）：23-37.

Zhu Weihua，  Chen Xun，  Tao Junyong， et al.Highly Accelerated Life Test（HALT） and Highly Accelerated Stress Screen（HASS）[J].Structure & Environment Engineering，  2002， 29 （4）：  23-37.（in Chinese）

[12] 马岩.航天精密机电组件高加速筛选试验模拟与仿真[D]. 西安：西安电子科技大学，2014.

Ma Yan.Highly Acceleration Stress Screen Modeling and Simulation of Aerospace Precision Electromechanical Components[D]. Xian ：  Xidian University，  2014. （in Chinese）

[13] Brian K，   Dennis C.Highly Accelerated Life Test （HALT） Program at Space Systems Loral[J].Journal of the IEST， 2013， 56（2）： 1-19.

[14] 陈铁牛，吴昌，王海波. 可靠性强化试验技术在空空导弹研制中的应用[J]. 航空兵器， 2015（4）：  39-43.

Chen Tieniu， Wu Chang， Wang Haibo.Application of Reliability Enhancement Test Technology in the Development of Air-to-Air Missile[J]. Aero Weaponry，  2015 （4）：  39-43. （in Chinese）

[15] 刘良芳，张俊，吴畏，等.光纤声光调制器可靠性强化试验方法研究[J]. 兵器装备工程学报，2018，39（10）：  134-137.

Liu Liangfang，  Zhang Jun，  Wu Wei，  et al. Studying on Reliability Enhancement Testing Method of Fiber Acousto-Optic Modulator[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering，  2018， 39 （10）：  134-137. （in Chinese）

[16] 李志强，王茜，武宏程，等. 基于FTA- FMMEA 的某型导彈发动机失效分析[J]. 航空兵器，  2014（6）：  62-66.

Li Zhiqiang， Wang Qian， Wu Hongcheng， et al.Failure Analysis of a Missile Engine Based on FTA-FMMEA [J]. Aero Weaponry， 2014（6）：  62-66. （in Chinese）

[17] 王浩伟，滕克难，奚文骏.非恒定环境下基于载荷谱的导弹部件寿命预测[J]. 兵工学报， 2016，  37（8）：  1524-1529.

Wang Haowei，  Teng Kenan，  Xi Wenjun.Load Spectra-Based Lifetime Prediction for Missile Components under Varying Environment[J].Acta Armamentarii，  2016，  37 （8）：  1524-1529. （in Chinese）

[18] 周光巍，王丽丽. 空空导弹贮存寿命的可靠性论述[J]. 航空兵器，  2015（4）：  59-62.

Zhou Guangwei，  Wang Lili.Reliability Discourse of the Air-to-Air Missile Storage Life[J].Aero Weaponry， 2015 （4）： 59-62. （in Chinese）

[19] John C.Introduction to HALT-Making Your Product Robust[C]∥2017 Pan Pacific Microelectronics Symposium，  2017.

[20] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 29309-2012电工电子产品加速应力试验规程高加速寿命试验导则[S].北京：中国标准出版社， 2012.

Standardization Administration of China. GB/T 29309-2012 Test Code for Accelerated Stress of Electrical and Electronic Products： Guide for High Accelerated Life Test[S]. Beijing：  China Standard Press，  2012. （in Chinese）

[21] 邓爱民.高可靠长寿命产品可靠性技术研究[D].长沙：国防科技大学，2006.

Deng Aimin.Research on Reliability Technology of High-Reliability and Long-Lifetime Products[D]. Changsha： National Defense Technology University，  2006. （in Chinese）

[22] 国防科学技术工业委员会.GJB33A-97半导体分立器件总规范[S].北京：国防科学技术工业委员会， 1997.

Commission of Science，  Technology and Industry for National Defense.GJB33A-97 General Specification for Discrete Semiconductor Devices[S].Beijing：  Commission of Science，  Technology and Industry for National Defense，  1997. （in Chinese）

[23] Nelson W B.Accelerated Life Testing-Step-Stress Models and Data Analysis[J].IEEE Transactions on Reliability，  2016，  29（2）： 103-108.

Application Research on Life Extension of

Missile-Borne Electronic Equipment HALT

Han Jianli1，  Zhang Xin1， 2*， Zhang Chonghui2， Zhao Jianyin1

（1.Naval Aviation University，  Yantai 264001， China; 2.Unit 91614 of PLA， Dalian 116044， China）

Abstract：  For selecting more suitable stress of accelerated life test， based on the environmental characte-ristics and the requirements of highly accelerated life test （HALT） of a certain missile mission， a HALT method for the missile-borne electronic equipment is proposed. Taking a typical component of a missile-borne electronic equipment as an example， based on the analysis of the component structure， the main failure mode of the component is determined， and the sensitive stresses affecting the performance of the component is analyzed. Accor-ding to the need of life extension， the HALT scheme of the component is designed and the working limit value of the component under different sensitive stresses is obtained by test， which provides guidance for the life extension work.

Key words：   missile-borne electronic equipment;HALT;accelerated life test;life extension

收稿日期：2020-03-04

基金項目： 国家自然科学基金项目（51605487）

作者简介：韩建立（1967-），男，山东菏泽人，博士，教授，研究方向是海军航空导弹装备综合保障。

通讯作者：张鑫（1993-），  男，  硕士研究生，研究方向是海军航空导弹装备综合保障。