楊玉興，程德斌

（1.海軍駐廣州七五○廠軍事代表室，廣東 廣州 510656；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究，廣東 廣州 510610）

0 引言

從目前加速試驗技術(shù)的研究情況來看，加速試驗包括定性試驗（如HALT/HASS）、定量的加速壽命試驗和定量的加速退化試驗；施加的應(yīng)力類型主要有溫度、溫度－濕度、溫度－電應(yīng)力；應(yīng)力施加的主要方式包括恒定應(yīng)力、步進應(yīng)力、序進應(yīng)力[1]；數(shù)據(jù)處理運用的模型主要包括阿倫尼斯模型、逆冪模型、布朗漂移運動模型[2]。本文討論加速試驗應(yīng)力類型、應(yīng)力施加方式、數(shù)據(jù)處理模型的工程運用中應(yīng)注意的問題。

1 試驗類型的選擇

加速試驗的共性是通過高應(yīng)力以達到加速的目的。定性的加速試驗主要是采用高應(yīng)力來主動刺激故障的發(fā)生，盡快暴露產(chǎn)品的缺陷，尋求改進的方法，不采用加速模型進行定量計算。定量的加速壽命試驗主要是通過試驗來確定產(chǎn)品的壽命，加速壽命試驗要選擇合適的加速模型，通過多組加速試驗來求解模型參數(shù)，從而通過試驗數(shù)據(jù)預(yù)測產(chǎn)品的壽命。但是，加速壽命試驗需要大量的樣品，并且要求有一定失效量的發(fā)生，否則，無法求解模型參數(shù)以預(yù)測產(chǎn)品壽命，在預(yù)期的試驗周期內(nèi)試驗效果難以得到保證。定量的加速性能退化試驗主要是通過試驗預(yù)測產(chǎn)品的性能從而確定產(chǎn)品的壽命，加速退化試驗也需要選擇合適的加速模型，通過多組加速試驗來求解模型參數(shù)，通過試驗數(shù)據(jù)來預(yù)測產(chǎn)品的性能參數(shù)。加速退化試驗所需的樣品相對較少，也無需失效的發(fā)生，在預(yù)期的試驗周期內(nèi)試驗效果一般能夠得到保證。因此，加速退化試驗相對于加速壽命試驗具有一定的時間和成本優(yōu)勢。

2 試驗應(yīng)力類型的討論

從工程實際需求的角度來說，加速壽命試驗中施加的應(yīng)力應(yīng)是產(chǎn)品在實際貯存和使用環(huán)境中所承受的應(yīng)力；從失效機理的角度來說，加速壽命試驗中施加的應(yīng)力應(yīng)是引起產(chǎn)品發(fā)生失效的主要應(yīng)力。然而，產(chǎn)品在實際環(huán)境中承受的應(yīng)力可能隨著產(chǎn)品的貯存和使用地點的不同而變得非常復(fù)雜和不同，產(chǎn)品失效機理分析數(shù)據(jù)往往非常缺乏或者引起失效的應(yīng)力類型多種多樣。即便能夠確定產(chǎn)品在實際環(huán)境中承受的應(yīng)力種類和失效機理，如果考慮的應(yīng)力類型過多，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理模型變得復(fù)雜而難以求解，即使能求解也需要更多組的試驗和更多的樣品。因此，在實際工程中，應(yīng)對產(chǎn)品施加其實際環(huán)境中承受的、導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要應(yīng)力類型（溫度、濕度、電應(yīng)力和振動），以保證加速試驗的可操作性和數(shù)據(jù)處理的方便性。

從工程操作看，單溫度應(yīng)力類型的加速試驗操作簡單、方便，數(shù)據(jù)處理模型成熟，試驗設(shè)備能力能夠滿足預(yù)期的要求，運用的范圍廣、可操作性強。溫度-濕度應(yīng)力類型的加速試驗數(shù)據(jù)處理模型運用較少，試驗設(shè)備能力在溫度和濕度之間存在制約關(guān)系，過高的溫度應(yīng)力將導(dǎo)致濕度應(yīng)力無法施加，可控制的濕度應(yīng)力又會極大地降低溫度應(yīng)力水平。目前，國內(nèi)使用的普通溫濕度箱都只能達到雙85的控制能力（即85℃、85%RH），因此，普通溫濕度箱的加速試驗的加速效果并不一定理想。使用高壓蒸煮試驗設(shè)備，其溫濕度也只能達到140℃、100%RH，箱內(nèi)壓力也將增加到2～3個大氣壓，而且目前高壓蒸煮試驗設(shè)備的數(shù)量和容積都非常有限，通常沒有足夠數(shù)量的設(shè)備可供完成加速試驗。電應(yīng)力主要用于工作狀態(tài)加速試驗，不能運用于非工作狀態(tài)的加速壽命試驗。

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：在工程實際中，具有較強可操作性的是溫度應(yīng)力、溫度-電應(yīng)力。溫度應(yīng)力用于貯存狀態(tài)和工作狀態(tài)加速壽命試驗均可，但溫度-電應(yīng)力模型只能用于工作狀態(tài)加速壽命試驗。

然而，從產(chǎn)品失效機理來說，濕度應(yīng)力對某些產(chǎn)品的失效影響是不容忽視的，非固定設(shè)備的振動應(yīng)力對其失效的影響也不容忽視。因此，在未來的加速壽命試驗技術(shù)研究領(lǐng)域應(yīng)加強對溫度-濕度模型及其試驗設(shè)備能力的研究，以及加強振動應(yīng)力模型的研究，以使加速壽命試驗技術(shù)不但具有工程操作性，而且能夠更加接近產(chǎn)品實際承受的環(huán)境應(yīng)力狀態(tài)。

3 試驗應(yīng)力施加方式的討論

試驗應(yīng)力施加方式包括恒定應(yīng)力、步進應(yīng)力、序進應(yīng)力。恒定應(yīng)力和步進應(yīng)力加速試驗操作簡單，試驗設(shè)備容易滿足要求。不同的是，恒定應(yīng)力加速試驗所需的試驗樣品較多，多組試驗可以并行進行，試驗進度上好把握；步進應(yīng)力加速試驗所需的試驗樣品較少，一組樣品進行試驗，但試驗只能串行進行，因此，試驗進度上存在一定的風(fēng)險。序進應(yīng)力加速試驗對設(shè)備要求較高并且精度不高，其優(yōu)點是時間短。從工程的可操作性來看，恒定應(yīng)力加速壽命的操作性最強，試驗進度好控制，在試驗樣品充足的情況下，建議采用恒定應(yīng)力加速試驗。對產(chǎn)品至少應(yīng)進行3組恒定應(yīng)力加速試驗，才能有效地將某個應(yīng)力類型的2個參數(shù)模型（阿倫尼斯模型為A、Ea，逆冪模型為k、n）求解出來。在有條件的情況下（有足夠的樣品、并且應(yīng)力能夠適當(dāng)安排），應(yīng)該進行4～5組試驗，更能保證模型參數(shù)求解的準(zhǔn)確性[3]。

4 數(shù)據(jù)處理模型的討論

4.1 阿倫尼斯模型

阿倫尼斯模型是一個成熟的溫度應(yīng)力模型，得到學(xué)術(shù)界廣泛的研究，并且被廣泛地運用于工程中。我們在此探討的是阿倫尼斯模型的加速效果問題，為欲采用阿倫尼斯模型、但不曾有使用經(jīng)驗的技術(shù)人員提供借鑒。阿倫尼斯模型的表達式是R可進一步表示為L加速因子為AF=exp在確定了產(chǎn)品的加速溫度應(yīng)力和實際溫度應(yīng)力的前提下，加速因子僅取決于Ea。圖1描述了從30～170℃每升高10℃后相對于前一溫度點的加速因子的大小，圖2描述了相對于實際溫度30℃時，各加速溫度下的加速因子。從圖1可以看出，Ea對加速因子的影響非常大，對Ea在0.5～1.0之間，每升高10℃，加速因子大致為2倍，即壽命差不多降低一半。但是，當(dāng)Ea增大或減小時，溫度與加速因子呈指數(shù)關(guān)系急劇地變化。從圖2可以看出，Ea=0.5時，80℃相對于30℃，加速因子為15倍；Ea=1.0時，80℃相對于30℃，加速因子達到227倍。由此可見，在采用80℃加速應(yīng)力時，激活能僅相差1倍，但加速因子相差15倍，而且隨著加速溫度的升高，加速因子增大的速度仍將加快。因此，在確定了產(chǎn)品的加速溫度的前提下，產(chǎn)品的激活能Ea從根本上確定了產(chǎn)品的加速因子，產(chǎn)品的激活能Ea與加速因子成指數(shù)關(guān)系。對加速試驗來說，激活能Ea的準(zhǔn)確程度，成為加速試驗的關(guān)鍵，因此，激活能Ea的度量方法的準(zhǔn)確程度非常關(guān)鍵。

圖1 溫度每升高10℃，壽命降低倍數(shù)

在進行加速試驗前，在預(yù)期產(chǎn)品的實際環(huán)境溫度和加速應(yīng)力溫度的前提下，我們可以根據(jù)AF的計算模型初步預(yù)估一下不同激活能狀態(tài)下的加速因子能夠達到多少，以初步驗證加速效果能否滿足預(yù)期的要求。在無法滿足預(yù)期要求的情況下，一方面，考慮能否進一步提高加速溫度，以達到預(yù)期要求；另一方面，在加速溫度無法進一步提高的情況下，適當(dāng)?shù)馗脑囼炗媱?，延長試驗周期。如產(chǎn)品貯存環(huán)境溫度Tuse=25℃，預(yù)期采用的加速溫度分別TALT=120℃、140℃、160℃，利用公式AF=exp計算預(yù)期的加速因子，當(dāng)Ea=0.5時，AF分別為111、226、433；當(dāng)Ea=1.0時，AF分別為12 249、51 182、187 394；當(dāng)Ea=0.1時，AF分別為6.6、8.7、11.3。由此可見，在預(yù)期加速溫度為120～160℃的情況下，Ea=0.1、0.5、1.0時，AF分別為101數(shù)量級、103數(shù)量級、105數(shù)量級，加速因子相差甚遠。因此，對產(chǎn)品激活能Ea有初步的了解和考慮，是制定一個合理的加速試驗方案和周期的保證。

4.2 逆冪模型

逆冪模型是非熱應(yīng)力模型的代表，目前，被廣泛驗證的逆冪模型主要以電應(yīng)力為加速應(yīng)力的場合。逆冪模型的表達式是，加速因子為從失效機理的角度來講，電壓加大加速產(chǎn)品的電遷移和電化學(xué)腐蝕，從而加快產(chǎn)品的失效。

圖2 相對于實際溫度30℃時各加速溫度下的加速因子

從產(chǎn)品實際情況出發(fā)，對元器件能夠施加的電壓應(yīng)力可能不超過標(biāo)稱電壓的2倍，對設(shè)備能夠施加的電壓應(yīng)力還低于這個數(shù)值，設(shè)計要求通常為1.1～1.15倍，設(shè)計極限可能不到1.2倍。但并不意味著電應(yīng)力對加速效果的影響小，加速試驗中沒必要對電應(yīng)力進行加速。一方面，逆冪模型中參數(shù)n通常達到3以上，也就是說設(shè)備的電應(yīng)力的加速因子可能達到1.7倍，元器件的電應(yīng)力加速因子可能達到8倍，也就意味著在可以增加加速應(yīng)力的情況下，施加電應(yīng)力作為加速應(yīng)力有可能將加速試驗的時間再縮短1.7倍或8倍。對工作狀態(tài)的加速試驗就通常使用溫度-電應(yīng)力加速模型。

然而，讓我們進一步思考的是，在以振動應(yīng)力為加速應(yīng)力的場合是否符合逆冪模型。根據(jù)GJB1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》附錄A的內(nèi)容，在保持譜形不變的情況下，振動等效時間隨振動應(yīng)力的關(guān)系為如果這個關(guān)系進一步推廣，可表示為。然而，從失效機理和失效效果的角度來看，振動應(yīng)力條件下逆冪模型能否成立，n是否等于3，有待展開多組振動對比試驗和失效分析。

4.3 布朗漂移運動模型

布朗漂移運動模型用于加速性能退化試驗，常用的應(yīng)力類型是溫度應(yīng)力，也可以采用多應(yīng)力。在此，我們討論布朗漂移運動模型主要是從工程使用的角度來探討布朗漂移運動模型用于預(yù)測性能參數(shù)的近似性。目前，布朗漂移運動模型的表達式為：Y（t）=Y（t0）+μ（t-t0）+σB（t），經(jīng)過推導(dǎo)，最終得到Y(jié)（t）的預(yù)測模型：

當(dāng) Y（t）呈增長趨勢時，Y（t）=Y（t0）+μ（t-t0）+σN

當(dāng) Y（t）呈降低趨勢時，Y（t）=Y（t0）-[μ（t-t0）+

考慮到N（0，1）值是一個非確定性的隨機值（在0.000 3～0.999 7范圍內(nèi) N（0，1）的范圍在-3.43～+3.43之間，但是σ相對于μ通常要小2個以上數(shù)量級，當(dāng)產(chǎn)品預(yù)期壽命較長時，通常相對于t-t0也要小2個數(shù)量級，因此，（0，1）相對于 μ（t-t0）對 Y（t）的貢獻要小得多，也就是說N（0，1）的值的大小對Y（t）的影響非常小。因此，在求解Y（t）或首達時間t的過程中，可將N（0，1）恒定取值一個數(shù)（如N（0.8））進行近似計算，對結(jié)果的影響很小。Y（t）是關(guān)于 X（t）=的一個二次函數(shù)： Y（t）=±[μ·X2（t）+σN（0，1）X（t）]+Y（t）。 如忽略的影響，Y（t）=Y（t0）+μ（t-t0）是關(guān)于時間的線性函數(shù)。

令某個參數(shù)相對于退化趨勢的合格判據(jù)線為y=+k或y=-k，則首達時間的近似求解為tL=X2（t）+t0，其中 X（t）＞0。

當(dāng) Y（t）呈增長趨勢時，

當(dāng) Y（t）呈降低趨勢時，

由此可見，對長壽命產(chǎn)品利用布朗漂移運動模型進行預(yù)測時，可對模型進行適當(dāng)?shù)暮喕嬎恪?/p>

5 結(jié)束語

總之，盡管加速壽命試驗理論研究趨于成熟，但是，加速壽命試驗的工程實踐過程是復(fù)雜的，試驗中不可遇見的因素和試驗效果都存在一定的不確定性。希望本文的探討能夠為加速試驗工程實踐提供參考與借鑒。

[1]鄧愛民，陳循，張春華，等.加速退化試驗技術(shù)綜述[J].兵工學(xué)報，2007，28（8）： 1002-1007.

[2]李曉陽，姜同敏.基于加速退化模型的衛(wèi)星組件壽命與可靠性評估方法 [J].航空學(xué)報，2007，28（增）：1640-1643.

[3]唐元天，郭建英.加速壽命試驗數(shù)據(jù)管理與解析系統(tǒng)研究 [D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2007.