王雷，劉志永

（1.研祥智能科技股份有限公司，廣東 深圳，518057；2.國家特種計算機工程技術研究中心，廣東 深圳，518057）

基于特種計算機的高加速應力可靠性評估方法

王雷1，2，劉志永1，2

（1.研祥智能科技股份有限公司，廣東 深圳，518057；2.國家特種計算機工程技術研究中心，廣東 深圳，518057）

本文介紹了一種針對地鐵、高鐵、普鐵、城鐵應用時，作為車載服務器向車廂內部解碼器傳送多媒體視頻流或作為視頻記錄服務器的信息處理系統(tǒng)的高應力快速評估方法，由于其系統(tǒng)工作在地上和地下，其中的環(huán)境應力變化較大，溫度、振動等應力隨機性施加，環(huán)境惡劣；而普通的Burning測試由于施加應力等級較低，耗時較長，已經(jīng)很難滿足快速有效的激發(fā)早期失效和潛在性缺陷的目的，而高加速應力試驗具有快速高效的缺陷激發(fā)能力，可以實現(xiàn)有效的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計問題的目的。

高加速應力試驗；快速評估；缺陷激發(fā)；潛在性問題；復雜環(huán)境

0 引言

地鐵高鐵領域因其設備工作環(huán)境的復雜性，需要保證系統(tǒng)中運行的電子設備要具備抗惡劣環(huán)境工作的性能，要能夠抵御溫度、振動、濕度等多種應力的沖擊。隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，地鐵等軌道交通建設的推進，對鐵路信息系統(tǒng)的需求不斷增加，對系統(tǒng)的連續(xù)工作可靠性要求也越來越高，以滿足高鐵地鐵領域設備在惡劣環(huán)境下工作的要求［1-3］。高加速應力試驗是美國軍方在二戰(zhàn)時為提高坦克和裝甲車及飛機的可靠性而提出的，目前此試驗由美國霍博思博士等技術專家進行不斷的研究和規(guī)范化，已經(jīng)有了較成熟的應力施加方法和試驗設備，規(guī)定了溫度和振動應力施加的順序和應力變化率等，以其篩選能力強，速度快，快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷著稱［4］。

1 現(xiàn)有技術和困難

普通的高低溫試驗，高低溫交變試驗，高低溫循環(huán)試驗僅能起到模擬實際環(huán)境的PASS/Fail試驗，即使測試時產(chǎn)品留有一定的Margin，但由于一般的溫變速率在5℃以內，很難快速激發(fā)出產(chǎn)品的潛在性缺陷。如霍博思博士就強化應力對金屬試件的疲勞壽命的影響效果進行了評估，發(fā)現(xiàn)當應力提高一倍，疲勞壽命降低為原來的1/1000，這個時候如果針對產(chǎn)品上的缺陷部件，故障點處的應力可提高2-3倍，在如此高應力情況下，缺陷即可快速的暴露出來，相對于普通的應力模擬實驗，缺陷的激發(fā)時間會大大縮短［5］，由于所有應力試驗都會縮短產(chǎn)品壽命，高加速應力試驗縮短了應力施加時間，所以對產(chǎn)品破壞性較小，由于其對產(chǎn)品失效率浴盆曲線的前端缺陷做到了較好激發(fā)，從而降低了產(chǎn)品失效率，提高了可靠性，而通過高加速應力篩選后的產(chǎn)品是可以直接出貨的。美國霍博思博士也研究出，在加速和強化應力情況下激發(fā)出產(chǎn)品缺陷的有效性和激發(fā)出產(chǎn)品的缺陷與正常使用環(huán)境下所暴露出的產(chǎn)品故障問題具有較高的一致性。

目前已經(jīng)有了MIL-HDBK-217、GJB299、SR332等標準，可以覆蓋一般的電力電子和通信電路的電子元件及常用模塊電路，提供產(chǎn)品預計可靠性評估參考，為在項目雛形及方案階段和設計階段的DFR提供了有力評估標準，而當評估結果不滿足可靠性要求，產(chǎn)品需要進行可靠性增長時，借助普通的試驗手段或者客戶驗收試驗的反饋情況進行改善，是很難滿足客戶的可靠性要求的；而高加速應力試驗作為很好的可靠性增長方法，可以在短期內快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷，從而快速高效的提高產(chǎn)品可靠性的目的。

2 鐵路信息系統(tǒng)的高加速應力試驗

針對鐵路信息處理系統(tǒng)，由于其應用環(huán)境復雜惡劣，溫度、振動、濕度等應力隨機性變化施加，根據(jù)目前各種應力對電子產(chǎn)品的缺陷激發(fā)嚴酷度，我們設計了以下的高加速應力試驗剖面，從而達到快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷，對系統(tǒng)可靠性進行確認的目的。

高加速應力試驗應力施加采取低溫步進，高溫步進，高低溫瞬變，振動步進，溫度振動綜合應力試驗四個階段，過程中每個Duell Time （Dwell time）進行電壓10%的拉偏測試，以及負載的輕重載變化等，同時進行各項功能的驗證和參數(shù)指標測試。

2.1 高加速應力試驗準備

高加速應力試驗開展的是否成功與試驗時待測品的擺放，傳感器的布置，安裝夾具的制作和固定，以及內部走線的方向等等都有關系，所以現(xiàn)在很多試驗開展效果都大打折扣，其實是試驗方法不夠細化導致缺陷沒有得到有效的應力激發(fā)，問題仍然隱藏在表面的試驗過程中，所以開展實驗的關鍵點在于前期的試驗方案，工裝夾具準備，試驗數(shù)據(jù)記錄表格繪制，試驗備件及關鍵物料準備，以及試驗過程中樣品失效的預案等等。由于高加速應力試驗成本較高，試驗一般會連續(xù)進行，以保證應力施加的連續(xù)性，而前期準備的不充分可能隨時導致試驗終止或者一些關鍵的缺陷數(shù)據(jù)沒有得到記錄，待測品得不到及時修復，試驗臨時中斷。

2.1．1 固定工裝準備

試驗過程中應力的有效傳遞，對試驗中產(chǎn)品缺陷的激發(fā)很關鍵。為了保證溫度和振動應力能夠有效傳遞到待測品的元件上，必須做前期的應力傳遞驗證。

通過驗證我們發(fā)現(xiàn)，如圖3和圖1所示，拿開整機Case，直接通過4個導風管給主板施加氣化后的液氮進行降溫，主板元件可以達到40℃/min的溫度變化率，可以滿足測試需求；但這個時候振動應力的傳遞到PCB上面測試點的衰減很大，并且由于測試點與主板固定點的距離差異，衰減差異較大，與固定點最遠的地方甚至衰減到30%左右，已經(jīng)無法達到振動應力的有效傳遞。

為了提高應力傳遞效率，降低在傳遞過程中的衰減，我們試圖通過普通的鋁合金壓條來固定，效果不是很好，用壓塊似乎也很難達到理想效果，最后經(jīng)決定制作一套主板固定夾具，以期達到應力的有效傳遞。新夾具設計必須考慮到對三個軸向隨機應力的有效傳遞，需要參考原廠提供的壓塊和壓條來設計，材質與臺面接近或一致，另外，也需要考慮到主板各固定點的固定孔布置，板材不宜太過厚重，避免對Y軸向力和撓曲力的過度衰減。如圖2和圖4所示，通過新制作的夾具對主板固定后的測試效果比較好，能量衰減教小，最差也達到了65%以上的能量傳遞效率，可以開始試驗。

圖1 整機直接固定主板能量分布圖Fig.1 Energy distribution diagram of the whole machine directly fixed on the main board

圖2 工裝固定主板能量分布圖Fig.2 Energy distribution of fixed main board

圖3 整機測試點分布Fig.3 Distribution of the test points of the whole machine

圖4 工裝固定圖片F(xiàn)ig.4 Installed fixed picture

2.1．2 車載信息系統(tǒng)測試假設

如圖5所示，此車載信息處理系統(tǒng)不僅包括普通的音頻視頻傳輸，還有多網(wǎng)口、多串口傳輸功能，都需要進行功能測試，以及鍵盤、鼠標等功能，但這些外設只能通過連接線放置在試驗箱外面，并且控制開關和按鈕等也需要用信號引出到試驗箱外面。另外，如圖6和圖7 所示，內部需固定好溫度和振動應力測試點，外部連接好檢測設備和系統(tǒng)外設，便于試驗過程中對應力的監(jiān)控。

2.2 高加速應力試驗

通過低溫、高溫和振動的步進試驗，高低溫的瞬變試驗，以及振動溫度復合試驗五個階段性試驗，產(chǎn)品的缺陷基本會被激發(fā)出來。當然，這個過程中與施加的應力大小，以及應力施加的順序也有關系，這些都需要在具體實驗中進行總結和歸納。另外，不同的元件和產(chǎn)品的頻率敏感點也是不一樣的，如果能夠逐漸總結出敏感頻段或者頻率點，可以采取具體的定頻隨機振，這樣效果會更好，節(jié)省時間，更重要的是非敏感頻率點對待測品的破壞性會大大降低，減少了對待測品不需要的損傷。

圖5 標準配置1號機器組網(wǎng)圖Fig.5 Standard configuration 1 machine network diagram

圖6 標準配置1號機器內部固定圖Fig.6 Standard configuration 1 machine internal fixed figure

圖7 標準配置1號機器的外部檢測設備Fig.7 External test equipment for standard configuration 1 machine

還有在選擇固定夾具塊的時候也需要注意，不同材質的夾具塊頻率敏感點是不同的，選擇時需要根據(jù)實際需要進行測定，如角形鋁塊在450HZ～900HZ頻率范圍內，其對輸入振動有放大作用，最低放大15dB，最高放大41dB。而膠木塊的一階固有頻率為31177HZ，固有頻率較大，且剛度較大，所以一般建議最好采用膠木塊固定待測品，保證能量傳遞率接近于1，無損耗［6］。

3 測試缺陷和試驗結果

如圖8到圖11所示，本次高加速應力實驗中激發(fā)出的潛在性缺陷主要分布于DVI/VGA顯示類問題，USB，電池模塊，單片機以及死機藍屏還有電源類問題。

試驗中MOS等器件的可靠性較低，出現(xiàn)損壞，另外，大型功率貼裝電感以及插接式連接等在振動應力下容易出故障，需要通過點膠等工藝加固。

圖8 電源控制ICFig.8 IC of power control

圖9 單片機插槽壞Fig.9 SCM slot bad

圖10 MOS管振壞Fig.10 MOS tube vibration

圖11 貼裝電感掉落Fig.11 SMT inductance drops

通過本次試驗，對于車載信息系統(tǒng)的工作限值、操作限值、破壞限值等也得到了具體的試驗值，驗證了產(chǎn)品規(guī)格，對后續(xù)系統(tǒng)工作可靠性范圍有了界定，并且對相關項目的可靠性設計裕量有了參考值，避免可靠性過度設計。

4 結語

本文公開了一種基于高鐵地鐵信息服務信息處理系統(tǒng)的高加速應力驗證方法，通過試驗使設計者了解到本系統(tǒng)的各規(guī)格Margin情況，由于實際測試的工作限值范圍僅比實際使用規(guī)格有5℃的裕量，后續(xù)在制程中對各元件的一致性要求就比較嚴格，如果物料批量性差異較大，或者后續(xù)有設計變更出現(xiàn)，此試驗需再次進行，從而確定設計變更對產(chǎn)品規(guī)格的影響程度。

此種高應力可靠性評估方法，加快了對高鐵地鐵這種車載信息處理系統(tǒng)的可靠性評估過程，能夠快速準確的發(fā)現(xiàn)和定位缺陷，節(jié)省了驗證試驗時間。另外，通過幾種應力有效的快速施加，能夠快速評價出系統(tǒng)后期連續(xù)工作的環(huán)境可靠性，可以增強對規(guī)格內產(chǎn)品工作的信心，對規(guī)格外產(chǎn)品工作的問題預見性，提前做好故障預防和處理，能夠有效降低生產(chǎn)者風險，對使用者風險也可以得到有效控制。

［1］ 楊世銘，陶文栓.傳熱學［M］. 北京：高等教育出版社，2016：197-211.

YANG Shi-ming. Heat transfer theory［M］. Beijing：Higher Education Press，2016：197-211.［2］ 錫吉. 電子設備可靠性工程［M］. 陜西科學技術出版社，1999.

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DENG Jie，ZHANG Xue-yi，ZHOU Mei-qin，et al. Simulation of OFDM communication system based power ［J］. The Journal of New Industrialization，2015，5（5）：33-39.

［4］ 鄧林，王世濤. HALT與HASS技術原理概述［J］. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2004，（5）：26-29.

DENG Lin，WANG Shi-tao. The theory highly accelerate life test（HALT）and highly accelerate stress screen（HASS）［J］. Reliability and environmental testing of electronic products，2004，（5）：26-29.

［5］ 錫吉. 電子設備可靠性工程［M］. 陜西科學技術出版社，1999.

XI Ji. Reliability engineering of electronic equipment［M］. 1999.

［6］ 王光蘆. 加速度傳感器安裝件對飛機振動環(huán)境測量影響的探討［J］. 可靠性與環(huán)境通訊，2008，（4）：39-48.

WANG Guanglu. Discussion on the effect of acceleration transducer fixing block on aircraft vibration measurement［J］. Reliability and Environmental Communication，2008，（4）：39-48.

本文引用格式：修惠文.一種板載X86測試系統(tǒng)研究［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（9）：87-90.

High Stress Accelerated Reliability Assessment Method Based on the Special Computer

WANG Lei1，2， LIU Zhi-yong1，2
（1.EVOC Intelligent Technology CO.， LTD， Shenzhen， Guangdong 518057， China； 2.National Special Computer Engineering Technology Research Center， Shenzhen， Guangdong 518057， China）

This paper introduces a kind of high stress rapid assessment method that applied as a vehicle to the inner decoder server sends multimedia video stream or as an information processing system of video recording server when applied to the subway， high-speed rail， railway and intercity railway. As the system working in the ground and underground， the environmental stress changes violently， such as the temperature and vibration stress applied randomness. The ordinary burning test has been difficult to achieve the rapid and effective excitation of early failure and potential defects due to its lower applied stress and time-consuming. In contrast， highly accelerated stress test has the ability to rapid defect excitation， so that it can effectively find product design issues .

High accelerated stress test； Rapid assessment； Defect excitation； Potential problem； Complex environment

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.013

WANG Lei， LIU Zhi-yong. High Stress Accelerated Reliability Assessment Method based on the Special Computer［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 77-81， 86.

王雷，劉志永.基于特種計算機的高加速應力可靠性評估方法［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（9）：77-81，86.

王雷（1982-），男，工學碩士研究生，研究方向：可靠性成熟度模型、APQP、CMMI等；劉志永（1973-），男，本科，研究方向：特種計算機研發(fā)及應用