孔耀，王晉忠，朱緒垚

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所質(zhì)量管理部，河北 石家莊 050081）

現(xiàn)代復(fù)雜電子裝備的MTBF高達(dá)2000～5000h，甚至更長(zhǎng)。經(jīng)典的可靠性試驗(yàn)方法已經(jīng)無法滿足電子裝備發(fā)展的要求，如何驗(yàn)證電子裝備的可靠性水平已經(jīng)是裝備承制單位急需解決的問題。在此形勢(shì)下，可靠性加速試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生，并成為電子裝備可靠性試驗(yàn)領(lǐng)域的重要研究方向。加速等效如圖1。

1 加速試驗(yàn)的假設(shè)

圖1 加速等效

加速壽命試驗(yàn)的加速因子定義：

式中，tR,O和tR,t表示產(chǎn)品在加速應(yīng)力水平St與正常應(yīng)力水平So下的達(dá)到相同可靠度的可靠壽命。AFt,o為加速應(yīng)力水平St相對(duì)于正常應(yīng)力水平So的加速因子。通過公式可以發(fā)現(xiàn)加速因子就是可靠壽命之比，反映了產(chǎn)品分別在兩種應(yīng)力水平下壽命過程的相對(duì)快慢程度。

Nelson對(duì)加速因子的定義進(jìn)行了擴(kuò)展。若產(chǎn)品在應(yīng)力水平Si與Sj下分別作用時(shí)間為ti和tj的累積失效概率相同，即Fi(ti)=Fj(tj)，則加速應(yīng)力水平Si相對(duì)于正常應(yīng)力水平Sj的加速因子可以表示為：

從本質(zhì)上來講這兩個(gè)定義是一致的，如果對(duì)上式進(jìn)行變換，則可以得到

如果產(chǎn)品應(yīng)力Si作用下試驗(yàn)了時(shí)間ti，則在應(yīng)力Sj作用下達(dá)到相同退化累積的等效時(shí)間tj可以通過計(jì)算確定，因此通過式（3）可以對(duì)不同應(yīng)力水平的試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行折算。

可靠性加速試驗(yàn)要求加速應(yīng)力的失效機(jī)理與產(chǎn)品正常應(yīng)力下的失效機(jī)理相同。威布爾分布的形狀參數(shù)反映了產(chǎn)品失效機(jī)理的變化。所以這一假設(shè)就是各加速應(yīng)力水平下的產(chǎn)品壽命分布的形狀參數(shù)與正常應(yīng)力下的形狀參數(shù)一致。對(duì)數(shù)正態(tài)分布的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差反映了產(chǎn)品失效機(jī)理的變化。所以這一假設(shè)就是各加速應(yīng)力水平下產(chǎn)品壽命分布的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差與正常應(yīng)力下的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差一致。

2 電子裝備可靠性加速試驗(yàn)方法

2.1 恒定應(yīng)力可靠性加速試驗(yàn)

恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)是隨機(jī)地從一批產(chǎn)品中任取n個(gè)樣品，分成k組，在k個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行的，其剖面如圖5所示。加速應(yīng)力水平數(shù)k及應(yīng)力水平S1＜S2＜…＜Sk的確定原則如下：

k取得越大，即水平數(shù)越多，則求加速方程中兩個(gè)系數(shù)的估計(jì)越精確。但水平數(shù)越多，投入試驗(yàn)樣品數(shù)就要增加，試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)費(fèi)用也要增加。在單應(yīng)力恒加試驗(yàn)中一般要求應(yīng)力水平數(shù)k不得少于4。加速應(yīng)力水平S1＜S2＜…＜Sk的確定有一個(gè)重要原則，就是在諸應(yīng)力水平Si下產(chǎn)品的失效機(jī)理與在正常應(yīng)力水平S0下產(chǎn)品的失效機(jī)理是相同的。最低應(yīng)力水平S1的選取，應(yīng)盡量靠近正常工作應(yīng)力S0，這樣可以提高外推的精度，但是S1又不能太接近S0，否則收不到縮短試驗(yàn)時(shí)間的目的。最高應(yīng)力水平Sk應(yīng)盡量選得大一些，但是應(yīng)注意不能改變失效機(jī)理，特別不能超過產(chǎn)品允許的極限應(yīng)力值，恒定應(yīng)力可靠性加速試驗(yàn)包括定時(shí)截尾、定數(shù)截尾等方式。

圖2 恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)示意圖（×表示失效）

2.2 步進(jìn)應(yīng)力可靠性加速試驗(yàn)

試驗(yàn)正常應(yīng)力水平為S0，選定一組加速應(yīng)力水平S1＜S2＜…＜Sk，從應(yīng)力水平S1下開始進(jìn)行壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)一段時(shí)間后提高到S2，未失效的樣品在S2下繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，按照此程序進(jìn)行試驗(yàn)，一定數(shù)量的樣品發(fā)生失效停止試驗(yàn)。

步加應(yīng)力加速試驗(yàn)所需試驗(yàn)品組數(shù)將大大減少，只需要一組樣品即可，但由于數(shù)據(jù)分析精度的需要，樣品數(shù)最好不少于12個(gè)，S1可以盡量靠近S0。當(dāng)在S1下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)間τi后且無失效發(fā)生，即可S2水平下進(jìn)行試驗(yàn)。各Si應(yīng)力水平步長(zhǎng)應(yīng)該選定適宜，定時(shí)、定數(shù)截尾方式均適用。

圖3 步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)示意圖（×表示失效）

2.3 可靠性加速退化試驗(yàn)

加速退化試驗(yàn)是在失效機(jī)理不變的基礎(chǔ)上，通過建立退化模型，利用產(chǎn)品在高（加速）應(yīng)力水平下的性能退化數(shù)據(jù)評(píng)估正常應(yīng)力水平下可靠性水平的方法。

恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)將一定數(shù)量樣品分為若干組，每組在一個(gè)恒定不變的加速應(yīng)力水平下進(jìn)行的性能退化試驗(yàn)，直到各組均有一定數(shù)量樣品的性能參數(shù)至規(guī)定的閥值。

步進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)選定一組加速應(yīng)力水平S1＜S2＜…＜Sk。試驗(yàn)開始時(shí)把全部樣品都置于應(yīng)力水平下S1進(jìn)行加速退化試驗(yàn)。試驗(yàn)一定時(shí)間后提高到S2，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，按照此程序進(jìn)行直到每一應(yīng)力水平下產(chǎn)品均發(fā)生性能退化。

2.4 基于事件等效的可靠性加速試驗(yàn)

事件壓縮試驗(yàn)是指以高于產(chǎn)品實(shí)際使用時(shí)的頻率對(duì)事件進(jìn)行重復(fù)應(yīng)用。例如，對(duì)開/關(guān)循環(huán)，可通過重復(fù)進(jìn)行開/關(guān)循環(huán)而將其壓縮成幾小時(shí)的試驗(yàn)。因此，在產(chǎn)品十年壽命期內(nèi)具有充分余量的120次開/關(guān)循環(huán)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的時(shí)間就非常短。

試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是在短時(shí)間內(nèi)增加應(yīng)力重復(fù)頻次，進(jìn)而短時(shí)間內(nèi)復(fù)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品造成的累積損傷。在此類試驗(yàn)中，因施加連續(xù)的應(yīng)力，對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生一些負(fù)面影響，激發(fā)出常規(guī)使用不會(huì)出現(xiàn)的失效情況。例如，在產(chǎn)品工作過程中，由于磨擦機(jī)理引起的機(jī)械零部件磨損，持續(xù)地磨擦?xí)a(chǎn)生熱量，激發(fā)出正常情況下會(huì)因冷卻效應(yīng)而延遲發(fā)生的失效。又例如，由于應(yīng)力連續(xù)重復(fù)而未留出使材料恢復(fù)原狀的時(shí)間而引起金屬疲勞。

2.5 基于時(shí)間等效的可靠性加速試驗(yàn)

通過壓縮工作周期及增加“開機(jī)時(shí)間”和減少“停止時(shí)間”（例如，非工作時(shí)間）可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間壓縮。如產(chǎn)品的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為24h/天，然而其在實(shí)際使用環(huán)境中，產(chǎn)品每天僅工作8h。那么此時(shí)的時(shí)間壓縮因子則為3，所以每天的試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)是3天的實(shí)際使用時(shí)間。

與日歷時(shí)間相比，具有較少的或短的工作時(shí)間的產(chǎn)品，可在一個(gè)相對(duì)于使用期限較為合理的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)（例如辦公設(shè)備，汽車，收割機(jī)械等等）。對(duì)于施加正常應(yīng)力且試驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短的試驗(yàn)，無須增加應(yīng)力。因此，無需確定試驗(yàn)的加速因子，否則會(huì)有對(duì)受試單元施加過應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，若將產(chǎn)品暴露于較寬的應(yīng)力范圍下，那么最大的應(yīng)力（主應(yīng)力）將會(huì)引起最大的損壞，與主應(yīng)力相比，產(chǎn)品的某些使用應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生的損壞可忽略不計(jì)?？杉俣óa(chǎn)品暴露在低于指定損傷應(yīng)力閥值的應(yīng)力下所產(chǎn)生的損傷忽略不計(jì)，且可從試驗(yàn)計(jì)劃中剔除。機(jī)械疲勞更是如此，常用于結(jié)構(gòu)疲勞的加速試驗(yàn)（見GB/T 5080.2）。

產(chǎn)品的工作時(shí)間是指僅考慮與工作環(huán)境相關(guān)的失效模式，而在“非工作”環(huán)境中出現(xiàn)的失效模式可忽略不計(jì)。針對(duì)這些失效模式，施加給產(chǎn)品的應(yīng)力可能比其使用過程中的應(yīng)力小很多，但施加時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，使其產(chǎn)生的累積損傷與產(chǎn)品使用應(yīng)力所引起的損傷相當(dāng)或更大，所以對(duì)產(chǎn)品造成的損害更加嚴(yán)重。對(duì)于工作時(shí)間小于停機(jī)時(shí)間的產(chǎn)品，有必要將工作期間與停機(jī)期間的加速試驗(yàn)結(jié)合起來進(jìn)行，例如，腐蝕試驗(yàn)、濕度試驗(yàn)等。在某些情況下，在時(shí)間壓縮試驗(yàn)之前，可從停機(jī)期間開始施加應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理，例如，濕度、冷貯藏、太陽(yáng)輻射、機(jī)械載荷（振動(dòng)等）以模擬非工作環(huán)境條件。進(jìn)行預(yù)處理的目的，是模擬使用過程中的失效模式與貯藏狀態(tài)下的預(yù)期失效模式（反過來對(duì)使用中的失效模式產(chǎn)生影響）之間的相互關(guān)系。