劉曉旭

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電子設(shè)備復(fù)雜程度越來(lái)越高，可靠性要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)趕不上電子設(shè)備發(fā)展的步伐[13]。尤其是機(jī)載電子設(shè)備，可靠性指標(biāo)要求平均故障間隔時(shí)間（MTBF）長(zhǎng)達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高。高加速可靠性試驗(yàn)是在克服可靠性環(huán)境模擬試驗(yàn)周期長(zhǎng)、效率低、耗費(fèi)大等缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的可靠性試驗(yàn)技術(shù)。

高加速可靠性試驗(yàn)與傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗(yàn)最大的不同之處，是不模擬真實(shí)環(huán)境，而是對(duì)試件施加比真實(shí)使用條件更加殘酷的環(huán)境條件和更高的工作應(yīng)力，以快速激發(fā)并排除產(chǎn)品潛在的缺陷、提高產(chǎn)品可靠性、縮短產(chǎn)品研制周期。

最早研究高加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)的國(guó)家是美國(guó)[1]，將采用強(qiáng)化應(yīng)力來(lái)激發(fā)電子設(shè)備缺陷的方法稱為高加速 壽 命 試 驗(yàn)（HALT：Highly Accelerated Life Test）、將能夠快速有效地暴露設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)和剔除制造工藝缺陷的試驗(yàn)技術(shù)稱為高加速應(yīng)力篩選（HASS：Highly Accelerated Stress Screening）[2]，HALT是針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，HASS是針對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的。

現(xiàn)提出一種針對(duì)電子設(shè)備的高加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)，該技術(shù)將HALT和HASS有效結(jié)合，其核心是對(duì)產(chǎn)品逐步施加大幅度超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)力，逐漸剔除電子設(shè)備在研發(fā)階段的缺陷。

高加速可靠性試驗(yàn)方法可以廣泛的應(yīng)用于航空航天、電子科技、汽車(chē)工程等領(lǐng)域中。引入高加速可靠性環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)，可縮短產(chǎn)品的技術(shù)迭代時(shí)間、加快提高產(chǎn)品可靠性水平的速度、從而節(jié)省電子設(shè)備的研制周期和成本。

1 高加速壽命試驗(yàn)（HALT）概述

高加速壽命試驗(yàn)（HALT）為電子設(shè)備的一種破壞性試驗(yàn)，在電子設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)逐步提高環(huán)境應(yīng)力，直至電子設(shè)備出現(xiàn)故障或功能失效，從而確定電子設(shè)備的工作環(huán)境邊界條件、得出其對(duì)環(huán)境的耐受能力，同時(shí)，為后續(xù)的高加速應(yīng)力篩選（HASS）試驗(yàn)剖面參數(shù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 高加速應(yīng)力篩選（HASS）的基本原理

HASS作為一種強(qiáng)化應(yīng)力試驗(yàn)方法，其理論依據(jù)是故障物理學(xué)。機(jī)械應(yīng)力與相關(guān)疲勞損傷的關(guān)系[5]：

式中：

D—米勒判據(jù)疲勞損傷累積；

N—應(yīng)力循環(huán)數(shù)；

S—機(jī)械應(yīng)力；

β—材料特性參數(shù)。

從公式（1）中可以看出，疲勞損傷累積D與機(jī)械應(yīng)力S呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，隨著S的增大D快速增大。在環(huán)境激勵(lì)下，產(chǎn)品中有缺陷部位應(yīng)力容易集中，產(chǎn)品中有缺陷的部位容易產(chǎn)生比完好部位大得多的應(yīng)力而迅速積累起疲勞損傷，在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到疲勞損傷極限而變成故障析出。HASS把故障或失效作為主要研究對(duì)象，通過(guò)激發(fā)產(chǎn)品缺陷，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)上的問(wèn)題并進(jìn)行解決，以達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性的目的。HASS試驗(yàn)技術(shù)基于這一原理，通過(guò)試驗(yàn)的方式向被試件施加比正常使用條件更加嚴(yán)苛的環(huán)境應(yīng)力，以快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷、提高產(chǎn)品可靠性、縮短產(chǎn)品研制周期。

HASS試驗(yàn)技術(shù)效果主要由以下兩方面決定：第一，環(huán)境應(yīng)力的嚴(yán)苛程度，決定了能否激發(fā)出因潛在缺陷引發(fā)的故障；第二，被試品的檢測(cè)能力，決定了其能否檢測(cè)到激發(fā)出來(lái)的故障。

3 高加速可靠性試驗(yàn)及參數(shù)的選擇

高加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)的核心是將HALT與HASS結(jié)合，其主要步驟是：第一，依據(jù)HALT試驗(yàn)結(jié)果選擇HASS試驗(yàn)中的關(guān)鍵參數(shù)；第二，確定HASS剖面；第三，驗(yàn)證HASS剖面。

HASS試驗(yàn)剖面中的高溫、低溫、振動(dòng)指標(biāo)參數(shù)主要依據(jù)HALT的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行選擇。HASS試驗(yàn)剖面的參數(shù)包括：高溫工作極限溫度值、低溫工作極限溫度值、高低溫保持時(shí)間、溫度變化速率、振動(dòng)量級(jí)、振動(dòng)應(yīng)力施加的時(shí)機(jī)及時(shí)長(zhǎng)。高溫工作極限值（溫度值）、低溫工作極限值（溫度值）及振動(dòng)應(yīng)力值可根據(jù)圖1～3并采用以下方法選?。篐ASS試驗(yàn)剖面中高低溫工作應(yīng)力指標(biāo)取值為圖1和圖2確定的工作溫度極限值的80 %作為高低溫上下限，振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力最大值取值為圖3確定的振動(dòng)工作極限的50 %。通過(guò)圖1～3所示的曲線對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行摸底試驗(yàn)，得到圖4所示的試驗(yàn)曲線。

圖1 低溫步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意圖

圖2 高溫步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意圖

圖3 振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意圖

圖4 溫循+振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)曲線示意圖

其中，溫度應(yīng)力起始溫度一般選擇常溫25 ℃，步進(jìn)的階段性溫度取值一般為（5～10）℃，在產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)可取值10 ℃，到了超過(guò)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范規(guī)定的溫度指標(biāo)后，可選擇每階段溫度升/降5 ℃，每階段溫度穩(wěn)定至少30 min，溫度穩(wěn)定之后在該階段穩(wěn)定溫度下施加電應(yīng)力進(jìn)行一次功能性能測(cè)試，如產(chǎn)品功能性能測(cè)試正常，則依次類推直至電子設(shè)備發(fā)生故障。以低溫工作極限和破壞極限的確定步驟為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：如圖5所示，試驗(yàn)從起始溫度開(kāi)始，按一定的步進(jìn)值降溫。當(dāng)溫度降至T2時(shí)，試驗(yàn)產(chǎn)品出現(xiàn)失效；再將溫度恢復(fù)至T1，試驗(yàn)產(chǎn)品恢復(fù)正常；繼續(xù)將溫度降至T3，試驗(yàn)產(chǎn)品又出現(xiàn)失效，此時(shí)將溫度再次恢復(fù)至T1，試驗(yàn)產(chǎn)品又恢復(fù)正常，則確認(rèn)T1為試驗(yàn)產(chǎn)品的低溫工作極限。繼續(xù)降溫，若當(dāng)溫度降至T4時(shí)，試驗(yàn)產(chǎn)品出現(xiàn)失效，接著將溫度恢復(fù)至T1，試驗(yàn)產(chǎn)品未能恢復(fù)正常，且繼續(xù)升溫至起始溫度后，試驗(yàn)產(chǎn)品依然不能恢復(fù)正常，則確定T4為試驗(yàn)產(chǎn)品的低溫破壞極限。高溫和振動(dòng)的工作極限和破壞極限試驗(yàn)方法類似。

圖5 低溫工作極限和破壞極限試驗(yàn)示意圖

4 高加速應(yīng)力篩選（HASS）剖面的建立

HASS剖面的建立遵循兩大原則：有效性和經(jīng)濟(jì)性。選擇適用的應(yīng)力能夠快捷、有效地激發(fā)出電子設(shè)備的缺陷，同時(shí)又不會(huì)損壞新產(chǎn)品或產(chǎn)生新的缺陷且不能消耗產(chǎn)品超過(guò)10 %的壽命。

4.1 HASS高、低溫溫度值的確定

根據(jù)第3節(jié)內(nèi)容確定的高溫工作極限值為UOL，低溫工作極限值為L(zhǎng)OL，可通過(guò)以下公式計(jì)算出HASS的高溫溫度值TH和低溫溫度值TL：

通過(guò)上述公式（2）和（3）計(jì)算得出HASS試驗(yàn)的溫度范圍為[TL，TH]。

4.2 HASS剖面的初步建立

根據(jù)上述要求，高溫溫度值和低溫溫度值依據(jù)公式（2）和公式（3）可確定TH和 TL，振動(dòng)量級(jí)取值振動(dòng)工作極限的50 %，記為ZG。

1）循環(huán)次數(shù)執(zhí)行2～5次，具體的次數(shù)可參考本文4.3節(jié)要求根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果來(lái)確定；

2）試驗(yàn)過(guò)程中，需全程施加電應(yīng)力；

3）高溫和低溫的溫度值保持時(shí)間，取值在（30～60）min范圍內(nèi)，具體可根據(jù)各產(chǎn)品實(shí)測(cè)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整；

4）溫度變化速率為40 ℃/min。

根據(jù)以上條件，確定HASS的初步試驗(yàn)剖面，如圖6所示。

圖6 HASS試驗(yàn)曲線示意圖

4.3 驗(yàn)證HASS剖面

驗(yàn)證HASS剖面的目的是對(duì)HASS試驗(yàn)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便有效地剔除缺陷并且降低產(chǎn)品壽命的減少程度。評(píng)價(jià)HASS試驗(yàn)效果的步驟如下。

1）確認(rèn)HASS的有效性：按照?qǐng)D6進(jìn)行初步的篩選，并對(duì)篩選后的效果進(jìn)行相應(yīng)的分析。如發(fā)生失效，試驗(yàn)應(yīng)立即暫停，并分析故障的根本原因，以判斷故障問(wèn)題。如果發(fā)生故障的根本原因是施加的應(yīng)力過(guò)于嚴(yán)苛或產(chǎn)品正常壽命損耗，則需降低應(yīng)力并對(duì)新的被試品重新進(jìn)行試驗(yàn)；對(duì)于沒(méi)篩選出故障的被試品，則增大應(yīng)力或增加每次篩選的周期數(shù)。

2）被試品的壽命影響評(píng)估：壽命影響評(píng)估是評(píng)估經(jīng)過(guò)篩選后，經(jīng)篩選后不存在潛在缺陷的被試品剩下的壽命。至少進(jìn)行10次篩選而不發(fā)生故障，例如，被試品經(jīng)過(guò)1次篩選后，還能夠至少經(jīng)過(guò)9次同樣條件的篩選后不會(huì)出現(xiàn)故障。如果對(duì)確信度的要求高，則需要增加篩選程序試驗(yàn)次數(shù)，發(fā)生任何失效現(xiàn)象，試驗(yàn)應(yīng)立即暫停，并對(duì)出故障的被試品進(jìn)行故障的根本原因分析。

5 HASS剖面的應(yīng)用

以某型電子設(shè)備為例，其HASS剖面如圖7所示、傳統(tǒng)試驗(yàn)剖面如圖8所示。

圖7 HASS試驗(yàn)剖面示例

按照?qǐng)D7所示的HASS試驗(yàn)剖面，試驗(yàn)周期約為20 h。按照?qǐng)D8所示的傳統(tǒng)試驗(yàn)剖面，試驗(yàn)周期約為40 h。

圖8 傳統(tǒng)試驗(yàn)剖面示例

可見(jiàn)，按照HASS剖面開(kāi)展試驗(yàn)、相比傳統(tǒng)試驗(yàn)剖面、試驗(yàn)周期至少節(jié)省50 %。

可以采用經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的HASS剖面，作為一種快速而有效的方法，但試驗(yàn)還要結(jié)合用戶反饋的問(wèn)題、故障等信息進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)更改時(shí)，也應(yīng)修正相應(yīng)的測(cè)試條件、以保證其符合產(chǎn)品的新要求。在開(kāi)展HASS試驗(yàn)前，必須對(duì)所選的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)方法是在電子設(shè)備被試品上安裝傳感器（如溫度傳感器、振動(dòng)傳感器等）對(duì)溫度和振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其與篩選程序中設(shè)定的環(huán)境條件保持一致，從而避免過(guò)大的響應(yīng)誤差給試驗(yàn)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

6 測(cè)量裝置要求

按照上述HALT和HASS結(jié)合的方法開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施加在被試品上的環(huán)境響應(yīng)參數(shù)，包括：溫度響應(yīng)、振動(dòng)響應(yīng)相關(guān)參數(shù)及測(cè)量裝置的技術(shù)指標(biāo)。

1）溫度測(cè)量裝置，應(yīng)測(cè)量并記錄被試品各關(guān)鍵部位的表面溫度，且能夠提供多通道的溫度監(jiān)測(cè)裝置。

2）振動(dòng)測(cè)量裝置，應(yīng)測(cè)量并記錄試驗(yàn)樣品各關(guān)鍵部位的振動(dòng)響應(yīng)，且能夠提供多通道的振動(dòng)測(cè)量裝置，也可通過(guò)試驗(yàn)裝置本身的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于加速度傳感器而言，應(yīng)在響應(yīng)溫度范圍內(nèi)保持良好的工作特性，加速度監(jiān)測(cè)范圍可根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范來(lái)規(guī)定。

7 結(jié)論

作為當(dāng)下新興的試驗(yàn)技術(shù)，該技術(shù)的研究對(duì)型號(hào)項(xiàng)目而言具有重大意義。其優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下。

1）高加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)利用了在產(chǎn)品缺陷處應(yīng)力集中，導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力指數(shù)級(jí)增大的原理，通過(guò)施加比產(chǎn)品正常使用條件嚴(yán)苛得多的環(huán)境條件，快速地激發(fā)出缺陷，使其缺陷處迅速產(chǎn)生疲勞損傷的目的；

2）HASS剖面的形成是奠定在高加速度壽命試驗(yàn)（HALT）基礎(chǔ)上，通過(guò)HALT得出的產(chǎn)品的工作極限和破壞極限，以確定出HASS剖面的參數(shù)，且最后通過(guò)驗(yàn)證來(lái)最終確定應(yīng)力量值、估算壽命損耗比例，因此確定HASS剖面的過(guò)程也是一個(gè)探索性的試驗(yàn)過(guò)程；

3）高加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，可從根本上提高產(chǎn)品的可靠性，其效率高、成本低，可大幅度縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，加快型號(hào)項(xiàng)目研制；

4）通過(guò)對(duì)型號(hào)項(xiàng)目中電子設(shè)備的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，可進(jìn)一步研究并制定電子設(shè)備行業(yè)內(nèi)高加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)方面的規(guī)范及指南。