施成

（中國(guó)電科芯片技術(shù)研究院，重慶 400060）

引言

近年來(lái)，我國(guó)越來(lái)越重視武器裝備的發(fā)展，其“貯存周期長(zhǎng)、一次性使用”的特點(diǎn)，要求元器件、材料、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)等方面具有穩(wěn)定的貯存可靠性，相關(guān)方面明確要求重點(diǎn)型號(hào)電子元器件必須滿足“15~32 年”的貯存壽命要求。用傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)對(duì)此類產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)會(huì)耗費(fèi)大量的財(cái)力和精力，且在工程上實(shí)現(xiàn)也有一定挑戰(zhàn)，為了解決這一問(wèn)題，研究者們提出了加速可靠性試驗(yàn)。

國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 451-90《可靠性維修性術(shù)語(yǔ)》給出了可關(guān)于靠性加速試驗(yàn)的定義，加速可靠性試驗(yàn)是一種為了縮短產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)間而采用比產(chǎn)品在正常使用環(huán)境更加嚴(yán)酷的試驗(yàn)環(huán)境的試驗(yàn)。加速可靠性試驗(yàn)可以幫助制造商預(yù)測(cè)產(chǎn)品在使用壽命內(nèi)的故障率，進(jìn)而確定所需的保修期限、維修計(jì)劃和相關(guān)成本。進(jìn)行加速可靠性試驗(yàn)的主要原因是產(chǎn)品的使用壽命一般較長(zhǎng)。在實(shí)際使用中，許多產(chǎn)品需要處理復(fù)雜的環(huán)境條件，如高溫、低溫、潮濕、振動(dòng)、電磁干擾等，這些因素都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致故障率增加。通過(guò)加速試驗(yàn)，可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)模擬出產(chǎn)品在正常使用壽命內(nèi)所經(jīng)歷的各種環(huán)境條件，從而獲取產(chǎn)品在不同情況下的可靠性數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)改進(jìn)、故障分析和生產(chǎn)決策提供依據(jù)。同時(shí)，加速試驗(yàn)還可以在產(chǎn)品上市前，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，避免因產(chǎn)品故障導(dǎo)致的用戶投訴和損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

綜上所述，加速可靠性試驗(yàn)的研究有著重要的意義，加速可靠性試驗(yàn)主要有加速壽命試驗(yàn)[1-3]（Accelerated Life Testing，ALT）、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)[4,5]（Reliability Enhancement Testing，RET）和加速退化試驗(yàn)[6]（Accelerated Degradation Test，ADT）。下面就加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃腿N加速可靠性試驗(yàn)進(jìn)行闡述。

1 加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

加速試驗(yàn)[7]可在更短時(shí)間內(nèi)查明產(chǎn)品的失效原因，通過(guò)收集的失效數(shù)據(jù)快速評(píng)定產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。加速模型[8]是一種通過(guò)放大某些物理過(guò)程的影響來(lái)研究這些過(guò)程的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＜铀僖蜃又傅氖怯脕?lái)對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行加速的工具，如微波、強(qiáng)磁場(chǎng)等。而加速試驗(yàn)是指利用加速模型和加速因子進(jìn)行的試驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，加速因子越強(qiáng)，就能達(dá)到更高的加速效果，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更多的副作用和誤差。通過(guò)對(duì)加速模型和加速因子的選擇和優(yōu)化，可以獲得更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在加速試驗(yàn)領(lǐng)域，有幾種常見(jiàn)的加速模型，如阿倫尼斯（Arrhenius）模型、逆冪率（Coffin-Manson）模型、單應(yīng)力艾林（Eyring）模型和廣義艾林（Eyring）模型。以下為幾種結(jié)合具體試驗(yàn)應(yīng)力的加速模型及其相關(guān)因子，如表1 所示。

表 2HALT 與HASS 對(duì)比

2 加速可靠性試驗(yàn)方法

2.1 加速壽命試驗(yàn)（ALT）

加速壽命試驗(yàn)是一種統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，是通過(guò)加大外部應(yīng)力使產(chǎn)品在更短時(shí)間內(nèi)失效，收集產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間的關(guān)系數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建模型，然后根據(jù)模型來(lái)推測(cè)產(chǎn)品在正常應(yīng)力水平下的壽命特點(diǎn)，這整個(gè)過(guò)程中產(chǎn)品的失效機(jī)理是不變的。由于 ALT 可以在不進(jìn)行完整壽命測(cè)試的情況下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行壽命估計(jì)，因此它是一種非常節(jié)省成本的方法。ALT 可以分為兩個(gè)主要的領(lǐng)域:定性和定量ALT。定性ALT 可以實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和失效模式的識(shí)別，而定量ALT 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品壽命的推斷，具體可表現(xiàn)為產(chǎn)品的壽命特性，如平均無(wú)故障時(shí)間。按照施加試驗(yàn)應(yīng)力的差異，加速壽命試驗(yàn)一般可分為恒定應(yīng)力試驗(yàn)[9]、步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)[10]和序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)[11]。如圖1 所示。

圖1 應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系圖

2.1.1 恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)

所施加的應(yīng)力為一恒定值的試驗(yàn)為恒定應(yīng)力試驗(yàn)，如圖1（a）所示。恒定應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ统墒?，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)條件容易實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果的誤差也較小。但也有著試驗(yàn)所需試樣多，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。恒定應(yīng)力試驗(yàn)應(yīng)用廣泛，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施時(shí)，一般首先會(huì)進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)力的選擇，然后確定測(cè)量參數(shù)、每種應(yīng)力的最高和最低水平及其間隔、各組應(yīng)力水平下的試驗(yàn)樣品數(shù)、應(yīng)力水平級(jí)差、確定試驗(yàn)時(shí)間、確定試驗(yàn)周期、失效判據(jù)，最后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

2.1.2 步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)

所施加的應(yīng)力按一定時(shí)間間隔階梯式地增加的試驗(yàn)為步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，如圖1（b）所示。步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)可以通過(guò)短時(shí)間內(nèi)試樣的失效，在保證試樣安全的前提下分析確定可承受的極限水平，從而掌握產(chǎn)品的失效模式和失效機(jī)理。其可取之處是試驗(yàn)所用樣品數(shù)量較少，試驗(yàn)周期短。但是試驗(yàn)結(jié)果誤差較大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析較為困難。

2.1.3 序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)

所施加的應(yīng)力按時(shí)間等速增加的試驗(yàn)為步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，如圖1（c）所示。該試驗(yàn)效率最高，但是試驗(yàn)裝置價(jià)格昂貴，需要專門的裝置產(chǎn)生符合要求的加速應(yīng)力，相關(guān)研究和應(yīng)用較少。

2.2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)包括高加速應(yīng)力篩選[12]（Highly Accelerated Stress Screening，HASS）和高加速壽命試驗(yàn)[13]（Highly Accelerated Life Testing，HALT）。對(duì)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，當(dāng)一種新產(chǎn)品被設(shè)計(jì)和制造時(shí)，產(chǎn)品總希望被認(rèn)為是可靠性高的，這也就意味著產(chǎn)品能夠抵抗由一系列已識(shí)別的壓力引起的故障，并且制造過(guò)程中生產(chǎn)的產(chǎn)品沒(méi)有缺陷。制造產(chǎn)品的失效一般可分為三種類型：工藝或材料缺陷等導(dǎo)致的早期失效，由于產(chǎn)品的“強(qiáng)度”相對(duì)于外部壓力來(lái)說(shuō)太弱而導(dǎo)致的隨機(jī)失效，以及由于產(chǎn)品長(zhǎng)期服役產(chǎn)生的老化失效。高加速壽命測(cè)試（HALT）旨在減輕后兩種失效，而高加速應(yīng)力篩選 （HASS）旨在減輕第一種失效。圖2 顯示了一個(gè)“浴盆”曲線，表示失效率作為時(shí)間的函數(shù)。

圖2 浴盆曲線

2.2.1 高加速壽命試驗(yàn)（HALT）

HALT 是一種用于評(píng)估產(chǎn)品可靠性和耐久性的測(cè)試方法，旨在通過(guò)短時(shí)間內(nèi)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行極限環(huán)境條件下的測(cè)試，加速潛在故障的產(chǎn)生和產(chǎn)品失效的過(guò)程，幫助發(fā)現(xiàn)和解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的潛在問(wèn)題。HALT 測(cè)試通常包括環(huán)境壓力梯度測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試、溫度極限測(cè)試和功能極限測(cè)試。通過(guò)HALT 測(cè)試，制造商可以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期階段發(fā)現(xiàn)和解決潛在的設(shè)計(jì)或制造缺陷，改進(jìn)產(chǎn)品的可靠性和耐久性，并提高產(chǎn)品在實(shí)際使用環(huán)境中的表現(xiàn)。HALT 本質(zhì)上是一個(gè) TAAF 循環(huán)迭代過(guò)程，其試驗(yàn)、分析、改進(jìn)流程圖如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)、分析、改進(jìn)流程圖

2.2.2 高加速應(yīng)力篩選（HALT）

HASS 是一種用于篩選產(chǎn)品可靠性和缺陷的測(cè)試方法。HASS 測(cè)試通常包括確定應(yīng)力界限、施加應(yīng)力、監(jiān)測(cè)和篩選。HASS 測(cè)試的目的是提前發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品制造過(guò)程中的潛在缺陷，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。通過(guò)施加高強(qiáng)度的環(huán)境應(yīng)力，HASS 可以幫助制造商篩選出在實(shí)際使用環(huán)境中可能出現(xiàn)問(wèn)題的產(chǎn)品，并采取相應(yīng)的措施來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)、制造和組裝流程，以確保交付給客戶的產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。HALT 與HASS 均為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，但是也有一些明顯的區(qū)別。如表2 所示。

2.3 加速退化試驗(yàn)（ADT）

ADT 與其他加速可靠性試驗(yàn)原理大致相同，不同的是ADT 主要是通過(guò)收集產(chǎn)品超出常規(guī)應(yīng)力水平下的有關(guān)性能退化的數(shù)據(jù)去推導(dǎo)和預(yù)估一般水平下產(chǎn)品的壽命特點(diǎn)。ADT 是 ALT 的替代方案，在 ALT 中，產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下進(jìn)行測(cè)試，收集的數(shù)據(jù)要么是項(xiàng)目失敗的時(shí)間，要么是測(cè)試結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)(審查時(shí)間)。 相比之下，ADT 更關(guān)注的是導(dǎo)致物品隨時(shí)間退化、導(dǎo)致故障的實(shí)際物理過(guò)程。ADT 通常將失效定義為硬失效或軟失效。在硬失效的狀態(tài)下產(chǎn)品會(huì)停止工作，而在軟失效的狀態(tài)下，產(chǎn)品性能降低至某個(gè)定義的閾值。大多數(shù) ADT 應(yīng)用程序在測(cè)試中使用軟失效。對(duì)于高可靠性的項(xiàng)目，在正常使用條件下觀察到的退化率將非常低，以至于項(xiàng)目在測(cè)試過(guò)程中幾乎不會(huì)出現(xiàn)退化。通過(guò)在加速條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，增加產(chǎn)品性能下降的概率，可以更好地收集退化數(shù)據(jù)。ADT 與ALT 明顯的區(qū)別如表3 所示。

表3 ADT 與ALT 對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了幾種加速壽命方法及其相互關(guān)系，ALT 的目標(biāo)是收集能夠預(yù)測(cè)產(chǎn)品使用壽命的數(shù)據(jù)，為估計(jì)或預(yù)測(cè)可靠性提供了定量數(shù)據(jù)。HALT 的目標(biāo)是強(qiáng)制失敗，以便識(shí)別和糾正產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的弱點(diǎn)，為識(shí)別設(shè)計(jì)缺陷提供了失效模式的定性數(shù)據(jù)。HASS 目標(biāo)是識(shí)別和糾正制造過(guò)程中的問(wèn)題，并在產(chǎn)品發(fā)貨給客戶之前剔除有缺陷的產(chǎn)品。ADT 則是通過(guò)加強(qiáng)應(yīng)力獲得產(chǎn)品的退化數(shù)據(jù)來(lái)外推和預(yù)估可靠性。因此，加速可靠性方法的研究對(duì)提高產(chǎn)品可靠性有著重要的意義。