沈爐明

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510660）

可靠性強化試驗在高可靠長壽命產(chǎn)品上的應用研究

沈爐明

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510660）

簡要介紹了高可靠長壽命產(chǎn)品的特點、失效機理和退化失效模式，闡述可靠性強化試驗工作思路和試驗剖面選擇的注意事項。通過試驗證明，可靠性強化試驗可以在短期內(nèi)激發(fā)高可靠長壽命產(chǎn)品的潛在缺陷，還可以大幅縮短產(chǎn)品可靠性增長所需時間、節(jié)省試驗費用。

高可靠長壽命產(chǎn)品；失效機理；退化失效；可靠性強化試驗

引言

軍用武器裝備、航空航天領域和復雜工業(yè)系統(tǒng)的產(chǎn)品，集成度高、結構復雜、功能多、性能指標高、內(nèi)部環(huán)境嚴酷，再加上全天候、多地域化工作的因素，對大多數(shù)整機裝備系統(tǒng)的環(huán)境適應性、可靠性和壽命提出很高的要求。高可靠性長壽命產(chǎn)品[1]性能指標多、精度高、可靠性指標要求高、長時間使用壽命，恰好符合了這些領域的應用特點。但是高可靠長壽命產(chǎn)品研制期間實現(xiàn)可靠性增長困難、研制費用昂貴，對傳統(tǒng)的可靠性增長技術提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的可靠性研制試驗方法對真實環(huán)境模擬不足、暴露問題不充分、需要花費大量的時間和費用，試驗后殘留潛在缺陷多、外場返修頻繁、維修保障費用高等問題，極大地制約了各種裝備效能的發(fā)揮。因此，如何高效評估產(chǎn)品可靠性和達到可靠性增長目的是可靠性工程領域亟待解決的重要問題。

1 高可靠長壽命產(chǎn)品的失效機理和模式探討

本文從高可靠長壽命產(chǎn)品失效機理和失效模型研究出發(fā)，探討可靠性強化試驗技術的應用。過應力機理和損傷累積機理是高可靠長壽命產(chǎn)品最常見的兩種失效機理。失效應力指的是當且僅當應力達到產(chǎn)品規(guī)定的強度時，產(chǎn)品失效。過應力失效指的是使用超過產(chǎn)品的規(guī)定的強度而導致產(chǎn)品失效，低于此強度則正常工作。損傷累積失效指的是，應力造成的損傷雖不直接導致產(chǎn)品失效，但是通常不可恢復且會不斷累積，產(chǎn)品內(nèi)部某種抗應力強度逐漸降低，當損傷超過一定的韌性時，性能或強度退化到某種程度時產(chǎn)品失效。

根據(jù)經(jīng)驗和研究數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)高可靠長壽產(chǎn)品的失效機理多為累積失效機理，在這種機理作用下，主要表現(xiàn)為兩種失效模式：突發(fā)性失效和退化型失效。突發(fā)性失效也叫找災難性故障、硬故障，如介質擊穿、電路短路、材料斷裂等。退化型失效也稱為軟故障，如磨損、老化、蠕變、開裂、腐蝕、氧化等。退化失效是高可靠長壽命產(chǎn)品失效的主要原因[2]。

具有退化型失效模式的高可靠長壽命產(chǎn)品，它的退化數(shù)據(jù)包含很多可靠性信息。假如某個性能指標會隨著貯存或工作時間的延長而緩慢地發(fā)生變化，我們常用這個指標大小來表征產(chǎn)品功能的優(yōu)劣，稱這個最終反映產(chǎn)品功能下降的性能指標為退化量。如果在壽命試驗中只能得到極少的失效數(shù)據(jù)，甚至沒有失效，那么連續(xù)測量這些表征產(chǎn)品功能的退化量，獲得的退化數(shù)據(jù)是可靠性建模分析和評估重要參考依據(jù)。

2 可靠性強化試驗工作思路

可靠性強化試驗是一種采用加速應力的可靠性增長試驗，目的是使產(chǎn)品更加“健壯”[3]。 以激發(fā)缺陷效率為目標，以故障和失效為主要研究對象，通過暴露、診斷和根除故障、改進驗證來達到可靠性增長的目的。相對傳統(tǒng)的可靠性模擬實驗，可靠性強化試驗時間短、效率高、試驗費用較低，可以有效解決傳統(tǒng)方法存在的問題?？煽啃詮娀囼炘趪庖训玫綇V泛應用[4]，在美國，他們稱設計階段的這種試驗為高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Testing, HALT），生產(chǎn)過程的稱為高加速應力篩選（Highly Accelerated Stress Screening, HASS）。在從20世紀90年代中期，我國軍工領域以較為復雜、重要度高、無繼承性的新研發(fā)或改型電子產(chǎn)品為主要對象，開始逐步應用研制階段的可靠性強化試驗，也就是HALT技術，并取得預期的效果。

可靠性強化試驗按照階梯應力程序，將強化環(huán)境引入試驗中，施加諸如低溫、高溫、隨機振動及溫度循環(huán)等環(huán)境步進應力，有時輔以工作電應力，從而獲得產(chǎn)品的破壞界限和設計裕度。通過激發(fā)故障和暴露設計中的薄弱環(huán)節(jié)，然后進行失效定位分析，進而改進和驗證，最終使產(chǎn)品可靠性、耐環(huán)境能力得到不斷提高。圖1展示的是可靠性強化試驗工作思路。

圖1中，故障模式及影響分析（Failure modes and effectanalysis, FMEA）[5]是可靠性專業(yè)領域的術語，根據(jù)高可靠長壽命產(chǎn)品的具體結構、功能對其進行FMEA，可以確定可靠性強化試驗的最佳激勵應力。環(huán)境敏感應力分析要求設計人員和可靠性工程試驗人員將產(chǎn)品生命周期內(nèi)可能經(jīng)歷的氣候、化學、生化和物理的環(huán)境條件進行分析，抓取對產(chǎn)品可靠性影響最大的幾個環(huán)境敏感應力。然后利用FMEA信息，以少而精、容易監(jiān)測為宜，選擇表征產(chǎn)品現(xiàn)場使用是否順利完成規(guī)定功能和性能參數(shù)，關注常見故障，如功能失效、參數(shù)漂移等。試驗順序一般遵循這個原則：先施加破壞性弱的應力再施加破壞性較強的應力；先低溫、后高溫；先溫度、后振動；先單應力后綜合應力。

圖1 可靠性強化試驗流程

在進行可靠性強化試驗剖面設計時，為了選好試驗條件量級，應當注意這幾個問題：故障機理與應力之間的關系、產(chǎn)品實際情況、不同類型應力的激發(fā)效率、試驗的實際條件、費效比。常用的強化試驗剖面有：高溫或低溫溫度步進試驗剖面、溫度循環(huán)試驗剖面、全軸隨機振動應力剖面、溫度振動綜合應力剖面等。根據(jù)某公司統(tǒng)計[6]，低溫、高溫和振動等前三個階段的可靠性強化試驗，將會暴露80 %的失效模式，綜合環(huán)境應力試驗暴露其余的20 %失效模式。溫度與振動步進應力試驗用于確定產(chǎn)品工作極限和破壞極限，激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷，為溫度循環(huán)試驗剖面與綜合環(huán)境應力試驗剖面的制定提供依據(jù)。

3 某型光源系統(tǒng)可靠性強化試驗應用

3.1 試驗設備與試驗過程

某型分析儀光源已完成加工并通過外觀驗收及功能性能檢測合格，技術狀態(tài)已固化，功能框圖如圖2所示，我們以此為例展示可靠性強化試驗應用的成功經(jīng)驗。采用綜合應力環(huán)境強化試驗設備，有效容積1 200 L，頻率范圍：5~10 000 Hz，最大加速度60 g，溫度范圍：-100~+200 ℃，最大溫變率±60 ℃/min(液氮制冷)；濕度范圍為20 %~90 %RH。

首先編制試驗大綱，成立試驗工作組，明確職責，制定有關制度要求，落實試驗實施、功能性能測試、故障處理和修復故障、制定糾正措施的責任人。然后在試驗前對各功能模塊進行預測試，確保試驗使用的模塊均正常。試驗過程中嚴格制表區(qū)分所有受試單元，做好記錄結果和故障定位。整個試驗過程中，對產(chǎn)品進行全過程監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，進行故障定位和定性（如區(qū)分好關聯(lián)故障與非關聯(lián)故障、責任故障與非責任故障），采取有效處理措施，保證試驗順利進行。本次可靠性強化試驗過程按照圖3所示，進行5個項目的步進試驗。

3.2 試驗應力剖面

低溫步進應力試驗，共進行了0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃、-40 ℃、-45 ℃、-50 ℃、-55 ℃、-60 ℃溫度段試驗，平均每個溫度段保持時間約35 min，通過試驗確定了以-60 ℃作為受試產(chǎn)品的低溫工作極限。

高溫步進應力試驗，共進行了30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃、80 ℃、85 ℃、90 ℃、95 ℃、100 ℃溫度段試驗，平均每個溫度段保持時間約35 min，通過試驗確定了以100 ℃作為受試產(chǎn)品的高溫工作極限。

圖2 某型光源系統(tǒng)產(chǎn)品功能框圖

圖3 某型光源系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性強化試驗過程

根據(jù)前面兩個試驗結果，同時為了激發(fā)受試產(chǎn)品暴露更多的故障，快速溫度循環(huán)試驗的溫度范圍為-55～+95 ℃，溫變率為40 ℃/min。

振動步進應力試驗，共進行了5 g、10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 g、45 g、50 g、55 g、60 g的振動試驗，每個振動量級的試驗時間為10 min。通過試驗確定了以60 g作為受試產(chǎn)品的振動工作極限。

根據(jù)前期的試驗結果將綜合試驗應力定為高溫95 ℃、低溫-55 ℃，溫變率為40 ℃/min，振動量值各為12 g、24 g、36 g、48g和50 g，共5個循環(huán)，每個循環(huán)中低溫階段的停留時間約為45 min，高溫階段的停留時間約為45 min。

典型的強化試驗剖面如圖4、圖5所示。

圖4 快速溫度循環(huán)試驗剖面

圖5 綜合環(huán)境試驗剖面

表1 某型高可靠長壽命產(chǎn)品可靠性強化試驗部分結果

3.3 試驗暴露的故障定位和分析

表1給出了部分試驗結果。

通過強化試驗獲得了以下成果，驗證了強化試驗的有效性。

1）產(chǎn)品的工作極限：低溫優(yōu)于-60 ℃、高溫優(yōu)于100 ℃、振動優(yōu)于60 g（三軸六向自由度氣錘式隨機振動）；

2）發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品設計存在的缺陷：某些器件選型不當導致故障、電路熱設計余量不足導致高溫工作失效、焊接工藝問題導致焊點脫落和管腳斷裂。

該型產(chǎn)品選用的5種強化應力，使用振動步進應力試驗激發(fā)的潛在缺陷效率最高，其次是快速溫度循環(huán)試驗，最后是高溫應力步進試驗。表明焊接工藝質量水平相對較差最容易導致該型產(chǎn)品故障，元器件選型不當和電路設計不足也會是該款產(chǎn)品很嚴重的薄弱環(huán)節(jié)。此外，試驗結果表明產(chǎn)品符合退化型失效的特點，各種應力損傷累積效果明顯，因此研究不同的強化應力的施加程序，以及如何確定應力量級是可靠性強化試驗的關鍵問題之一。

4 結束語

隨著用戶對高可靠長壽命產(chǎn)品的質量要求不斷提高，技術手段不斷進步，如何使用效率高、成本低的可靠性技術評價其壽命越來越受到人們的重視。本文從高可靠長壽命產(chǎn)品的特點、失效機理和退化失效模式出發(fā)，闡述了可靠性強化試驗方法的工作思路和實踐應用。理論研究和實踐證明，探討可靠性強化試驗技術，為解決高可靠長壽命產(chǎn)品的可靠性問題提供了一種切實可行而且具有工程化應用前景的方法。

[1]何國偉, 朱煒, 角淑媛,等. 新的高可靠長壽命產(chǎn)品對可靠性標準的要求[J]. 質量與可靠性, 2008(1):44-46.

[2]潘東輝，基于退化數(shù)據(jù)的產(chǎn)品可靠性建模與剩余壽命預測方法研究[D] .武漢:華中科技大學, 2014.

[3]胡湘洪,高軍, 等 主編.可靠性工程.北京:電子工業(yè)出版社, 2015.

[4]李良巧 主編.可靠性工程師手冊. 北京:中國人民大學出版社, 2012.

[5]陶俊勇, 陳循, 任志乾. 可靠性強化試驗及其在某通信產(chǎn)品中的應用研究[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術, 2003, 25(4):509-512.

[6] Silverman M. Summary of HALT and HASS Results at an Accelerated Reliability Test Center[C].1998 Proceeding Annual Relability and Maintainability Symposium,1998:30-36.

Applied Research on Reliability Enhancement Testing in High-reliability and Long-life Products

SHEN Lu-ming
(Guangzhou Haige Communication Group Incorporation Company, Guangzhou 510660)

This paper mainly studies the characteristics, failure mechanism and failure mode of highreliability and long-life products, and introduces the working thinking and profile design of the reliability enhancement testing (RET). Through the test, it is proved that the RET can stimulate the potential defects in the high-reliability and long-life products, shorten the time needed to increase the reliability of the products, and save the test cost.

high-reliability and long-life products; failure mechanism; degradation failure; reliability enhancement test

TB114.3

A

1004-7204（2017）03-0038-05

沈爐明（1975- ），男， 合肥工業(yè)大學，主要從事環(huán)境試驗和可靠性試驗研究以及北斗技術標準、北斗測試平臺研究。