吳 煥，唐 勇，趙潤生

(中認(rèn)英泰檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215104)

高加速極限試驗(yàn)的原理及其工程應(yīng)用

吳 煥，唐 勇，趙潤生

(中認(rèn)英泰檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215104)

重點(diǎn)闡述了高加速極限試驗(yàn)的理論模型、試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)主要原理以及試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)例，介紹了高加速極限試驗(yàn)的工程應(yīng)用，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室開展高加速極限試驗(yàn)。

高加速極限試驗(yàn)；累積損傷模型；原理； 應(yīng)用

0 引言

高加速極限試驗(yàn)(HALT)是在規(guī)定的環(huán)境應(yīng)力下，用于找出產(chǎn)品最有可能出現(xiàn)的失效模式的試驗(yàn)或試驗(yàn)序列。HALT作為非指標(biāo)考核性的加速試驗(yàn)，不能得到產(chǎn)品的壽命信息，但可以得到代表產(chǎn)品設(shè)計(jì)極限應(yīng)力量值的信息，在軍工、軌道交通、汽車、家電、光伏等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

1 加速試驗(yàn)累積損傷模型

任何類型的加速試驗(yàn)都是基于加速損傷模型理論。產(chǎn)品在其壽命周期內(nèi)所經(jīng)歷的應(yīng)力可對其造成漸進(jìn)的累積損傷，這種損傷有時可能造成產(chǎn)品外場失效。任何類型的加速試驗(yàn)的方法都是通過提高試驗(yàn)應(yīng)力來產(chǎn)生與產(chǎn)品壽命期內(nèi)預(yù)期應(yīng)力產(chǎn)生的同樣累積損傷[1-2]。

產(chǎn)品破壞應(yīng)力極限的確定為評估破壞應(yīng)力極限與產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力極限之間是否有足夠的余量提供信息，因此，加速試驗(yàn)方法為產(chǎn)品在其壽命期內(nèi)不發(fā)生與具體應(yīng)力類型有關(guān)的失效提供保證，其主要不是定量確定產(chǎn)品壽命概率分布，只是對產(chǎn)品強(qiáng)度進(jìn)行必要的調(diào)整，以避免此類故障在產(chǎn)品使用過程中發(fā)生，這種確定產(chǎn)品足夠的應(yīng)力余量與其壽命概率分布無關(guān)的試驗(yàn)是一種定性試驗(yàn)[3]。

2 高加速極限試驗(yàn)的主要原理

2.1 HALT試驗(yàn)?zāi)康?/p>

圖1為產(chǎn)品累積損傷的概率密度函數(shù)與各試驗(yàn)應(yīng)力水平的關(guān)系，它描述了產(chǎn)品規(guī)范、設(shè)計(jì)極限以及高加速極限試驗(yàn)方法之間的關(guān)系。高加速極限試驗(yàn)方法是通過促使產(chǎn)品快速失效的方式以識別并減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，其目的是提升產(chǎn)品在外場使用過程中的健壯性。該試驗(yàn)不是為了估量產(chǎn)品的可靠性，而是在外場應(yīng)力與產(chǎn)品強(qiáng)度(如圖2所示)之間余量最小的情況下消除其失效模式來增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性，其僅僅識別產(chǎn)品潛在的失效模式以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改進(jìn)過程。

從高加速極限試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)可知，大多數(shù)產(chǎn)品在其承受的應(yīng)力下是非常健壯的，但其內(nèi)部一些組件或設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)比其他部分明顯薄弱，而高加速極限試驗(yàn)的理念就是找出這些組件或設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，使其與產(chǎn)品其他部分同樣健壯。

圖1 累積損傷概率密度函數(shù)與各試驗(yàn)應(yīng)力水平的關(guān)系

圖2 外場應(yīng)力和產(chǎn)品強(qiáng)度與概率分布密度函數(shù)之間的關(guān)系

2.2 產(chǎn)品應(yīng)力—強(qiáng)度準(zhǔn)則

假設(shè)不同使用條件、氣候條件的外場中的應(yīng)力可用應(yīng)力分布模型表示，產(chǎn)品的強(qiáng)度隨著原材料和生產(chǎn)過程的變化而變化，可用強(qiáng)度分布模型來表示。外場應(yīng)力分布與產(chǎn)品強(qiáng)度分布均用正態(tài)分布來表示。如圖2所示，外場應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布曲線說明了經(jīng)典的設(shè)計(jì)余量，即應(yīng)力—強(qiáng)度準(zhǔn)則，其重疊部分確定了產(chǎn)品失效的概率。同樣，如果大量產(chǎn)品的質(zhì)量控制保持在一個非常窄的強(qiáng)度分布內(nèi)，這是一種費(fèi)時費(fèi)成本的方式，那么這兩條分布曲線就不會重疊，這就意味著產(chǎn)品在外場不太可能出現(xiàn)某種特定失效模式的失效。

2.3 HALT試驗(yàn)步進(jìn)應(yīng)力原理[3]

產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，特別是受試組件初樣產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中總是保持著嚴(yán)格的生產(chǎn)控制，但在后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中可能就不是這樣實(shí)施的。試驗(yàn)初樣產(chǎn)品通常在一個特定的試制生產(chǎn)線上并投入了最大的管理精力，一般都可以達(dá)到平均產(chǎn)品強(qiáng)度甚至更高，一旦產(chǎn)品批量生產(chǎn)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品總是比初樣產(chǎn)品的強(qiáng)度弱。

試驗(yàn)初樣產(chǎn)品和批量生產(chǎn)產(chǎn)品強(qiáng)度分布與外場應(yīng)力分布的關(guān)系如圖3所示。其中，H1、H2、H3、H4為應(yīng)力水平平均值。

圖3 試驗(yàn)初樣產(chǎn)品和批量生產(chǎn)產(chǎn)品強(qiáng)度分布與

如圖3(a)所示，初樣產(chǎn)品強(qiáng)度分布的分散性較窄，使其遠(yuǎn)離預(yù)期的外場應(yīng)力分布，在這種生產(chǎn)方式下的所有產(chǎn)品將都能通過試驗(yàn)而不會發(fā)生失效。但隨后的大規(guī)模生產(chǎn)階段，如圖3(b)所示，產(chǎn)品的強(qiáng)度均值會顯著降低，所以產(chǎn)品強(qiáng)度分布曲線和外場應(yīng)力分布曲線的重疊就會出現(xiàn)，這將導(dǎo)致較差產(chǎn)品的組成單元在外場應(yīng)力的作用下會發(fā)生失效。這也意味著如果針對初樣產(chǎn)品施加的外場應(yīng)力水平較低(如平均值H1、H2應(yīng)力水平)，則不能充分發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在薄弱環(huán)節(jié)。如果試驗(yàn)的應(yīng)力水平提高(平均值H3應(yīng)力水平以上)，且產(chǎn)品強(qiáng)度分布中包括常規(guī)生產(chǎn)的產(chǎn)品，則HALT試驗(yàn)可以提供充足的余量，確保產(chǎn)品中的薄弱單元的潛在失效能夠被發(fā)現(xiàn)并減少。而在沒有充足余量的情況下，將會導(dǎo)致隨后生產(chǎn)的產(chǎn)品在外場發(fā)生失效。這就是步進(jìn)應(yīng)力和HALT試驗(yàn)運(yùn)用的原理，以確保有合適的超過產(chǎn)品壽命期內(nèi)預(yù)期應(yīng)力的余量。隨著高加速極限試驗(yàn)的開展，首先是最薄弱的環(huán)節(jié)失效，接著是第二、第三及其他相對薄弱環(huán)節(jié)失效，直到不再發(fā)生相關(guān)的失效模式或達(dá)到了受試系統(tǒng)技術(shù)極限為止。產(chǎn)品的工作應(yīng)力極限和破壞應(yīng)力極限可在應(yīng)力軸上繪制成分布曲線，如圖4所示，有兩種應(yīng)力極限，上限和下限，即破壞極限下限LDL、工作極限下限LOL、工作極限上限UOL和破壞極限上限UDL。

高加速極限試驗(yàn)所施加的應(yīng)力被設(shè)計(jì)成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出產(chǎn)品的使用環(huán)境應(yīng)力和設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力，該應(yīng)力持續(xù)時間短，其目的是促使產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為失效以健壯產(chǎn)品，盡可能地使其在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面都切實(shí)可行。高加速極限試驗(yàn)是識別產(chǎn)品的失效模式而不是確定產(chǎn)品的時間依賴性，受試單元在試驗(yàn)過程中必須監(jiān)測其功能特性以便發(fā)現(xiàn)其是否存在功能缺失。如果無法對其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，那么應(yīng)力水平在保持恒定的時刻對產(chǎn)品功能進(jìn)行測試。通過這種方式，HALT試驗(yàn)所需的試驗(yàn)樣品比傳統(tǒng)試驗(yàn)所需試驗(yàn)樣品少得多。

圖4 產(chǎn)品工作及破壞應(yīng)力極限概率分布

3 高加速極限試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

高加速極限試驗(yàn)在電工電子等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，相比傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)，有以下優(yōu)點(diǎn)：為了達(dá)到可靠性增長，有選擇性地增加并驗(yàn)證設(shè)計(jì)余量；確定特定失效模式的樣品量少；可迅速確定特定應(yīng)激源及組合應(yīng)力的主要失效模式(試驗(yàn)持續(xù)時間一般為3天以內(nèi))；可高效地權(quán)衡數(shù)據(jù)分析和采取的糾正措施；快速驗(yàn)證糾正措施；從總體消除薄弱或有缺陷的組件[4]。同時，高加速極限試驗(yàn)也有其一定的局限性，主要表現(xiàn)在：激發(fā)的失效模式一般不會全部在產(chǎn)品使用過程中觀測到；有對設(shè)計(jì)余量過度改進(jìn)的潛在可能(過設(shè)計(jì))；試驗(yàn)后的可靠性未知；試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)可信度有限(過高或過低估計(jì)設(shè)計(jì)余量)；測試結(jié)果未涉及多種失效模式的耦合效果；對于較大、較小以及具有多種脆弱性的產(chǎn)品不適用；應(yīng)力種類(主要的溫度、振動及溫度循環(huán))數(shù)量有限；不能評估在除HALT試驗(yàn)應(yīng)力類型之外的其他應(yīng)力類型協(xié)同作用下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)極限。

4 高加速極限試驗(yàn)的工程應(yīng)用

如前所述，HALT試驗(yàn)主要過程為：逐步施加外部應(yīng)力直至產(chǎn)品出現(xiàn)失效或者故障；采用臨時糾正措施，對出現(xiàn)的失效或故障進(jìn)行修正；然后繼續(xù)逐步施加外部應(yīng)力直至產(chǎn)品出現(xiàn)再次失效或者故障，并再次進(jìn)行修正；重復(fù)以上“應(yīng)力—失效—修正”的步驟，找出產(chǎn)品工作應(yīng)力極限與破壞應(yīng)力極限。一個完整的HALT測試共分為5個部分：低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)、快速溫度變化、隨機(jī)振動、溫度與振動綜合應(yīng)力。下面以工程實(shí)例說明HALT試驗(yàn)在軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域的工程應(yīng)用[5-6]。

4.1 某電源轉(zhuǎn)換器的HALT試驗(yàn)(案例一)

該電源轉(zhuǎn)換器是安裝在飛機(jī)上的一個產(chǎn)品，其HALT試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1中，grms為加速度均方根，g為重力加速度，下同。

4.2 某醫(yī)療產(chǎn)品的HALT試驗(yàn)(案例二)

該產(chǎn)品為醫(yī)療診斷的專用設(shè)備，其HALT試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

將實(shí)際使用中經(jīng)常發(fā)生的前10個故障與HALT試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的故障相比，可以發(fā)現(xiàn)除了一個故障，其他所有的故障都在HALT試驗(yàn)中激發(fā)了。這個未被激發(fā)的故障是由于發(fā)生該故障的模塊沒有在HALT試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)，可見HALT試驗(yàn)的故障激發(fā)效率很高。

以上兩個工程實(shí)例都遵循“應(yīng)力—失效—修正”的HALT試驗(yàn)步驟，通過HALT試驗(yàn)，將產(chǎn)品內(nèi)在缺陷激發(fā)為可以觀察或監(jiān)測的故障模式，用以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)過程，增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性。每個案例的試驗(yàn)時間基本在3天以內(nèi)，這也體現(xiàn)出了HALT試驗(yàn)較傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)相比“高加速”的特點(diǎn)。

5 結(jié)語

HALT試驗(yàn)建立在加速累積損傷模型理論之上，即提高試驗(yàn)應(yīng)力來產(chǎn)生與產(chǎn)品壽命期內(nèi)預(yù)期應(yīng)力產(chǎn)生的同樣累積損傷，其目的是提升產(chǎn)品在外場使用過程中的健壯性。HALT試驗(yàn)作為一種定性加速試驗(yàn)，相比傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)，有著試驗(yàn)樣品數(shù)少，試驗(yàn)周期短、效率高，可快速將產(chǎn)品缺陷激發(fā)為故障，故障糾正方便等優(yōu)勢，目前在軍工、軌道交通、汽車、家電等專業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

表1 某電源轉(zhuǎn)換器HALT試驗(yàn)結(jié)果

表2 某醫(yī)療產(chǎn)品HALT試驗(yàn)結(jié)果

[1] 張鼎周.一種電子元器件高加速壽命試驗(yàn)指標(biāo)的探討[J].電子質(zhì)量，2011(10):64-66.

[2] 樊強(qiáng).高加速壽命試驗(yàn)和高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)技術(shù)綜述[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2011,29(4):58-62.

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Principle of Highly Accelerated Limit Test and Its Engineering Application

WU Huan, TANG Yong, ZHAO Run-sheng

(CQC Intime Testing Technology Co.,Ltd., Suzhou 215104, China)

The Highly Accelerated Limit Test (HALT) is a new reliability technique, and its theoretical model, test objective, test principle, test merit and demerit are described. Combining with the living examples, the engineering application of highly accelerated limit test is introduced, providing the guidance for carrying out the highly accelerated limit test in the laboratory.

HALT; cumulative damage model; principle; application

1672- 6413(2015)06- 0120- 03

2015- 05- 11；

2015- 10- 21

吳煥(1986-)，男，江蘇蘇州人，工程師，碩士，從事環(huán)境可靠性相關(guān)技術(shù)研究、試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

TH114

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