孫志旺，梁玉英，潘 剛，張國龍，李 偉

（軍械工程學院電子與光學工程系，河北 石家莊 050003）

電應力加速退化試驗技術及可靠性評估研究

孫志旺，梁玉英，潘 剛，張國龍，李 偉

（軍械工程學院電子與光學工程系，河北 石家莊 050003）

為探究電沖擊對電子裝備壽命的影響，選取電源通斷瞬間產生的高壓為電沖擊加速應力，并以雷達某系統(tǒng)功能電路板為研究對象，開展電應力加速退化試驗。通過對試驗數據的統(tǒng)計分析，得到基于性能退化軌跡的偽失效壽命，并在Weibull分布條件下進行參數估計，提出基于電應力的電源開關通斷電加速模型，并實現對某型雷達功能電路板的可靠性評估。

電沖擊；加速退化試驗；偽失效壽命；可靠性評估

0 引 言

隨著科技的進步，電子產品的許多功能實現了集成化和功能模塊化，功能電路逐漸成為電子產品的底層配件或直接更換單元。電子產品的傳統(tǒng)可靠性研究大多以元器件為研究對象，未考慮到不同器件之間相互關系及電路冗余設計等因素對產品的影響；因此，以功能電路板為研究對象進行可靠性評估更為貼近工程實際，具有重要的工程意義。

加速試驗可以在較短時間內獲得產品在高應力水平下的退化數據及失效數據，并通過一定的模型和方法對數據進行建模，外推得到產品在正常應力水平下的可靠性特征，目前得到了廣泛的應用。Tang等[1]在對電源模塊進行加速退化試驗時，考慮了溫度和電壓兩種應力，利用廣義艾林模型推導得到常應力下的可靠度估計。Tomasi等[2]通過對一種自動測量裝置的研究，估計出了某光學設備在溫度和濕度應力下的可靠性，并給出了在85℃、85%濕度下的初步測試結果。Ben等[3]研究溫度應力對硅氧化物薄膜性質的影響，觀察到溫度應力對氧化物的作用并非以阿倫尼斯方式累積，并對觀測現象進行了解釋。國內外的研究多是在溫度、濕度條件下進行的，而電子裝備工作時受到的環(huán)境影響復雜多樣，尤其是電應力造成的影響不容忽視；因此，為了探究電沖擊對電子裝備的影響，本文開展了基于雷達某系統(tǒng)功能電路板電沖擊加速試驗，建立了電沖擊的加速模型，并完成了雷達電路板的可靠性評估。

1 電沖擊加速退化試驗

1.1 電沖擊應力選取

電沖擊現象普遍存在并且產生原因復雜，除了靜電放電、雷電甚至核爆炸產生的強電磁脈沖外，大功率的電子裝備在電源開關動作瞬間也會產生瞬態(tài)高壓，并且很多失效模式都與使用中產生的瞬間高電壓沖擊有關，例如，整機電源系統(tǒng)瞬時浪涌電壓和浪涌電流、電感性或電容性電路中斷等。目前針對電沖擊過電防護工程的理論和技術已經有相關研究[4]，但未見有對電路板中電沖擊現象的介紹。為了全面分析該現象，本文選取某型雷達天控系統(tǒng)18V/20kHz信號產生及放大電路板為研究對象，通過繼電器控制模塊直流電源通斷，產生瞬態(tài)高電壓沖擊，并采用示波器對其輸出接口電壓進行單次觸發(fā)采集，可得如圖1所示瞬態(tài)沖擊電壓。該沖擊電壓具有沖擊前沿陡峭、脈沖寬度窄并且瞬變范圍從10～130V，符合電沖擊的特點。

圖1 瞬態(tài)沖擊電壓

1.2 加速退化試驗方案

為研究由電源通斷產生的電沖擊對功能電路的影響，在經過前期摸底試驗的情況下確定了3組電源通斷頻率，分別為6，8，10次/min。試驗電路板有3個正常工作的電源輸入電壓，分別為±12V、48V。采用PSpice仿真分析3個輸入變化對功能電路的影響，發(fā)現48 V輸入端的電壓加載加速應力與正常工作時的失效模式基本一致，故選取48V輸入端為應力加載端口，并在保證失效機理不變[5]的前提下確定3組加速應力分別為60，80，110V。為了保證試驗數據的精度，考慮到試驗成本的限制，采用均勻正交理論[6]設計試驗應力組合，選取3組24個試驗樣本。為了更好地對比分析電源通斷電帶來的影響，試驗又選取了3組僅在電壓應力下持續(xù)工作的試驗樣本。電壓應力和電沖擊頻率方案組合設計如表1所示。

表1 電沖擊加速退化試驗方案

功能電路輸出的正弦信號特征量可以用幅度、頻率、相位、直流分量來描述，按照表1試驗安排，進行電沖擊加速退化試驗，經過近3個月共2000 h后得到全部試驗監(jiān)測數據，通過對監(jiān)測數據的預處理分析發(fā)現：幅度隨時間緩慢下降但并無一致趨勢，直流分量與相位沒有明顯規(guī)律，而樣本頻率參數則出現規(guī)律的遞增，能夠較好地表征功能電路的性能，因此將雷達電路板輸出正弦信號的頻率作為特征量進行分析。

2 數據分析

2.1 基于性能退化軌跡的退化數據處理

設從產品總體中隨機抽取m個樣品，單個樣品的性能退化量隨時間的退化軌跡由d（t），t＞0描述，那么第i個樣品tj時刻監(jiān)測得到的退化數據為

式中i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；d（tij，α，βi）——第i個樣品tj時刻的實際退化軌跡；εij～N（0，σε2）——測量誤差。對大部分具有性能退化的產品來說，退化軌跡可用以下5種模型進行有效擬合[7]，其中前3種模型對于電子產品的適用性較強：

線性模型：y=α+β·t

指數模型：log（y）=α+β·t

冪模型：log（y）=α+β·log（t）

自然對數模型：y=α·ln（t）+β

Compertz模型：y=α-β/t

評估方法及步驟如下：

1）收集試驗樣本在時間t1，t2，…，tn的性能退化數據，對于第i個樣品，退化數據為（tj，yij）（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。

2）由退化數據擬合各樣品退化量隨時間的變化曲線，即退化軌跡。根據曲線族的變化趨勢，選擇恰當的軌跡模型，并估計出其中的參數α，β，得到軌跡方程。

3）設失效閾值為Df，由退化軌跡方程外推各樣本的偽失效壽命T1，T2，…，Tm。

4）對偽失效壽命進行分布假設檢驗，選擇可能的分布形式，如正態(tài)分布、威布爾分布、對數正態(tài)分布等。

5）將偽失效壽命視為完全壽命數據，按傳統(tǒng)方法進行可靠性分析。

按照上述基于退化軌跡的退化數據建模方法，對本試驗的頻率退化數據進行分析。經過裝備實測獲得該電路板輸出信號的頻率為18 kHz，根據工程經驗將失效閾值設為實測值的90%～110%，進而可得該功能電路板的失效閾值為16.2～19.8kHz。外推得到各樣本的偽失效壽命，如表2所示。

表2 偽失效壽命數據

2.2 威布爾分布下的參數估計

威布爾分布[8]是可靠性分析中常用的壽命分布，由物理學家Weibull W于1939年從最弱環(huán)模型導出，由于能夠很好地描述許多電子元件與機械設備的壽命分布，故得到了廣泛的應用。

威布爾分布的分布函數表達式為

記作W（m，η），其中m為形狀參數，并且m＞0；η為特征壽命，η=te-1。不同的形狀參數m對威布爾分布有很大影響：m＜1時，早起失效較多；當m=1時，威布爾分布即為指數分布；當m＞1時，分布的密度函數呈單峰狀；當m≥3時，威布爾分布的密度函數漸進呈對稱狀，近似于正態(tài)分布。許多產品和材料的形狀參數m值范圍為0.5～5。

本文將2.1中得到的偽失效壽命數據視為完全壽命數據，利用Weibull分布進行擬合優(yōu)度檢驗，結果表明壽命數據基本符合Weibull分布（各組應力下優(yōu)度檢驗圖如圖2所示），形狀參數m和特征壽命參數η的估計如表3所示。

表3 分布參數估計

按照威布爾分布統(tǒng)計分析時的基本假定，必須保證在各應力條件下形狀參數相同，但在實際試驗中求得的形狀參數m不一定相同，這主要是由于試驗的偶然誤差及數據處理中的誤差所造成，因此需要對形狀參數m進行一致性檢驗。

根據巴特利特檢驗的方法，首先假設H0：m1=m2=…=m6進行檢驗。

構造統(tǒng)計量：

取顯著性水平α=0.05，查表可知由于故在此顯著水平下該假設H0成立，因而可以認為6組試驗數據在不同應力水平下的威布爾分布的形狀參數相同，即為同族的威布爾分布。

3 加速退化模型研究

3.1 加速模型假設

加速試驗的基本思想就是利用加速應力下的退化規(guī)律外推得到正常應力下的壽命特征，關鍵在于建立壽命與應力水平之間的關系，即加速模型[7]。當電應力（如電壓、電路、功率等）作為加速試驗中的加速應力時，一般采用逆冪律模型，即

圖2 威布爾分布的擬合優(yōu)度檢驗

式中：ξ——某壽命特征；

A——正常數；

c——與激活能有關的正常數；

ν——應力，一般取電壓。

當某些產品操作頻率比較低時，可以通過增加使用率作為加速的方法，使用率的增加對失效時間有著很大的影響，循環(huán)數、轉數、里程等都可作為使用率[8-9]。壽命-使用率模型為

式中：ξ——某壽命特征；

A，B——與產品設計、失效準則相關的常數；

f——使用率。

當樣品處于電源通/斷工作模式下時，由表2不難發(fā)現，電源的通/斷頻率f是影響產品性能退化的一個重要因素。在電應力-電源通/斷加速退化試驗中，隨著電源通斷頻率的增加，樣品的性能退化加劇。文獻[10]對高使用率下產品的加速模型進行分析研究，本文以該模型為基礎，結合電沖擊退化試驗實際情況，做出如下假設：式中a，b，c為模型參數。當加速試驗處于持續(xù)工作狀態(tài)時，使用率f=0，此時加速模型為逆冪律模型；而當f＞0時，表示處于加速通斷情況下。

3.2 模型參數估計

對式（5）取對數得：

簡化后可得：

式中：μV——僅在電壓V作用下的平均壽命；

μV，f——在電壓V、開關頻率f共同作用下平均壽命數據；

α，β，γ——待估計模型參數。

將表3中的樣本特征壽命分別帶入式（8）和式（9）中得：

按照多元線性回歸的方法得到模型參數的估計值為a=9823，b=-1884，α=2375，β=-303.0，γ=46.03帶入式（11）即可得到產品壽命與應力之間的關系，即加速模型為

4 實例分析

分析該電路板電路原理圖，可得電路正常工作電壓為48V；經過實地調研，了解到該電路板所在雷達日常使用頻率約為30次/月，折算為0.000 694次/min。故取工作電壓V0=48 V及正常開關通斷頻率f0= 0.000694次/min，根據在3.2節(jié)中求出的加速模型，可以得到兩種加速模式下的形狀參數m和尺度參數η。

將兩組參數分別帶入式（14）中威布爾分布下的可靠度函數，可得到正常應力下兩種試驗的可靠度曲線，如圖3所示。

圖3 不同模式下的可靠度曲線

假設產品超過額定閾值的10%即為失效，在工作電壓48V、正常開關頻率0.000694次/min的條件下，令P（t）=0.5則可以得到樣本在兩種模式下的平均壽命分別為5.4501×104h、2.5893×104h。分析兩種試驗方式下得到的評估結果，可以看出電源通斷電下電路板的退化曲線過早進入了衰減期，并且與僅存在電應力的電路板相比壽命明顯縮短，表明電源通斷加速了電路板性能的退化，即電源開關循環(huán)電沖擊是影響電子產品可靠性的重要因素。因而可以根據雷達所完成任務的需要切換不同電路板的工作狀態(tài)，從而延長電路板的使用壽命[11]。

試驗中的電沖擊是以一定頻率對電路板連續(xù)施加的，然而實際工作過程中的電源開關則是間歇的，所以評估結果可能會比實際壽命偏保守。因此，接下來還需進一步考慮通斷頻數和通斷次數共同作用下的加速模型，對電路板進行更加貼近實際、更準確的可靠性評估。

5 結束語

本文選取電源加速電壓應力、電源通斷電瞬間高壓為加速應力，對功能電路板進行了歷時3個多月的電沖擊加速試驗。通過對試驗數據的統(tǒng)計分析得到了基于退化軌跡的偽失效壽命，并在Weibull分布下進行了參數估計。針對電子裝備在實際工作環(huán)境中受到的電應力影響，建立了電源連續(xù)工作和電源通斷電情況下的加速模型，完成了對雷達某電路板的可靠性評估，表明電源通斷是影響電子產品可靠性的重要因素，為后續(xù)電應力加速試驗的開展及進一步研究提供了理論依據。同時也為電子裝備的日常工作、訓練提供了參考。

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Research on electrical-stress accelerated degradation test technique and reliability assessment method

SUN Zhi-wang，LIANG Yu-ying，PAN Gang，ZHANG Guo-long，LI Wei
（Department of Electronic and Optical Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In order to explore the impact of electric shock to electronic equipment lifetime，high voltage which generates instantaneously in switching power was selected as the accelerated stress of electric shocks and accelerated degradation test was conducted taking PCB of certain type radar as the experimental subject.The pseudo-failure lifetime based on analysis of degradation path of performance degradation was obtained by the experiment，and parameter estimation was carried out in the Weibull distribution.The acceleration model under the power on-off mode based on electrical-stress was proposed，and an example of a radar circuit board was provided to complete reliability assessment of electronic products.

electric shock；accelerated degradation test；pseudo-failure lifetime；reliability assessment

TB114.3；TM834；TP206+.3；TN95

：A

：1674-5124（2014）05-0140-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.036

2014-01-23；

：2014-04-03

國家自然科學基金項目（61271153）

孫志旺（1990-），男，河北衡水市人，碩士研究生，專業(yè)方向為系統(tǒng)性能檢測與故障診斷。