電應(yīng)力加速退化試驗(yàn)技術(shù)及可靠性評估研究

孫志旺，梁玉英，潘 剛，張國龍，李 偉

（軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003）

電應(yīng)力加速退化試驗(yàn)技術(shù)及可靠性評估研究

孫志旺，梁玉英，潘 剛，張國龍，李 偉

（軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003）

為探究電沖擊對電子裝備壽命的影響，選取電源通斷瞬間產(chǎn)生的高壓為電沖擊加速應(yīng)力，并以雷達(dá)某系統(tǒng)功能電路板為研究對象，開展電應(yīng)力加速退化試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到基于性能退化軌跡的偽失效壽命，并在Weibull分布條件下進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，提出基于電應(yīng)力的電源開關(guān)通斷電加速模型，并實(shí)現(xiàn)對某型雷達(dá)功能電路板的可靠性評估。

電沖擊；加速退化試驗(yàn)；偽失效壽命；可靠性評估

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，電子產(chǎn)品的許多功能實(shí)現(xiàn)了集成化和功能模塊化，功能電路逐漸成為電子產(chǎn)品的底層配件或直接更換單元。電子產(chǎn)品的傳統(tǒng)可靠性研究大多以元器件為研究對象，未考慮到不同器件之間相互關(guān)系及電路冗余設(shè)計(jì)等因素對產(chǎn)品的影響；因此，以功能電路板為研究對象進(jìn)行可靠性評估更為貼近工程實(shí)際，具有重要的工程意義。

加速試驗(yàn)可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得產(chǎn)品在高應(yīng)力水平下的退化數(shù)據(jù)及失效數(shù)據(jù)，并通過一定的模型和方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，外推得到產(chǎn)品在正常應(yīng)力水平下的可靠性特征，目前得到了廣泛的應(yīng)用。Tang等[1]在對電源模塊進(jìn)行加速退化試驗(yàn)時(shí)，考慮了溫度和電壓兩種應(yīng)力，利用廣義艾林模型推導(dǎo)得到常應(yīng)力下的可靠度估計(jì)。Tomasi等[2]通過對一種自動(dòng)測量裝置的研究，估計(jì)出了某光學(xué)設(shè)備在溫度和濕度應(yīng)力下的可靠性，并給出了在85℃、85%濕度下的初步測試結(jié)果。Ben等[3]研究溫度應(yīng)力對硅氧化物薄膜性質(zhì)的影響，觀察到溫度應(yīng)力對氧化物的作用并非以阿倫尼斯方式累積，并對觀測現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。國內(nèi)外的研究多是在溫度、濕度條件下進(jìn)行的，而電子裝備工作時(shí)受到的環(huán)境影響復(fù)雜多樣，尤其是電應(yīng)力造成的影響不容忽視；因此，為了探究電沖擊對電子裝備的影響，本文開展了基于雷達(dá)某系統(tǒng)功能電路板電沖擊加速試驗(yàn)，建立了電沖擊的加速模型，并完成了雷達(dá)電路板的可靠性評估。

1 電沖擊加速退化試驗(yàn)

1.1 電沖擊應(yīng)力選取

電沖擊現(xiàn)象普遍存在并且產(chǎn)生原因復(fù)雜，除了靜電放電、雷電甚至核爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖外，大功率的電子裝備在電源開關(guān)動(dòng)作瞬間也會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)高壓，并且很多失效模式都與使用中產(chǎn)生的瞬間高電壓沖擊有關(guān)，例如，整機(jī)電源系統(tǒng)瞬時(shí)浪涌電壓和浪涌電流、電感性或電容性電路中斷等。目前針對電沖擊過電防護(hù)工程的理論和技術(shù)已經(jīng)有相關(guān)研究[4]，但未見有對電路板中電沖擊現(xiàn)象的介紹。為了全面分析該現(xiàn)象，本文選取某型雷達(dá)天控系統(tǒng)18V/20kHz信號產(chǎn)生及放大電路板為研究對象，通過繼電器控制模塊直流電源通斷，產(chǎn)生瞬態(tài)高電壓沖擊，并采用示波器對其輸出接口電壓進(jìn)行單次觸發(fā)采集，可得如圖1所示瞬態(tài)沖擊電壓。該沖擊電壓具有沖擊前沿陡峭、脈沖寬度窄并且瞬變范圍從10～130V，符合電沖擊的特點(diǎn)。

圖1 瞬態(tài)沖擊電壓

1.2 加速退化試驗(yàn)方案

為研究由電源通斷產(chǎn)生的電沖擊對功能電路的影響，在經(jīng)過前期摸底試驗(yàn)的情況下確定了3組電源通斷頻率，分別為6，8，10次/min。試驗(yàn)電路板有3個(gè)正常工作的電源輸入電壓，分別為±12V、48V。采用PSpice仿真分析3個(gè)輸入變化對功能電路的影響，發(fā)現(xiàn)48 V輸入端的電壓加載加速應(yīng)力與正常工作時(shí)的失效模式基本一致，故選取48V輸入端為應(yīng)力加載端口，并在保證失效機(jī)理不變[5]的前提下確定3組加速應(yīng)力分別為60，80，110V。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，考慮到試驗(yàn)成本的限制，采用均勻正交理論[6]設(shè)計(jì)試驗(yàn)應(yīng)力組合，選取3組24個(gè)試驗(yàn)樣本。為了更好地對比分析電源通斷電帶來的影響，試驗(yàn)又選取了3組僅在電壓應(yīng)力下持續(xù)工作的試驗(yàn)樣本。電壓應(yīng)力和電沖擊頻率方案組合設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 電沖擊加速退化試驗(yàn)方案

功能電路輸出的正弦信號特征量可以用幅度、頻率、相位、直流分量來描述，按照表1試驗(yàn)安排，進(jìn)行電沖擊加速退化試驗(yàn)，經(jīng)過近3個(gè)月共2000 h后得到全部試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析發(fā)現(xiàn)：幅度隨時(shí)間緩慢下降但并無一致趨勢，直流分量與相位沒有明顯規(guī)律，而樣本頻率參數(shù)則出現(xiàn)規(guī)律的遞增，能夠較好地表征功能電路的性能，因此將雷達(dá)電路板輸出正弦信號的頻率作為特征量進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 基于性能退化軌跡的退化數(shù)據(jù)處理

設(shè)從產(chǎn)品總體中隨機(jī)抽取m個(gè)樣品，單個(gè)樣品的性能退化量隨時(shí)間的退化軌跡由d（t），t＞0描述，那么第i個(gè)樣品tj時(shí)刻監(jiān)測得到的退化數(shù)據(jù)為

式中i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；d（tij，α，βi）——第i個(gè)樣品tj時(shí)刻的實(shí)際退化軌跡；εij～N（0，σε2）——測量誤差。對大部分具有性能退化的產(chǎn)品來說，退化軌跡可用以下5種模型進(jìn)行有效擬合[7]，其中前3種模型對于電子產(chǎn)品的適用性較強(qiáng)：

線性模型：y=α+β·t

指數(shù)模型：log（y）=α+β·t

冪模型：log（y）=α+β·log（t）

自然對數(shù)模型：y=α·ln（t）+β

Compertz模型：y=α-β/t

評估方法及步驟如下：

1）收集試驗(yàn)樣本在時(shí)間t1，t2，…，tn的性能退化數(shù)據(jù)，對于第i個(gè)樣品，退化數(shù)據(jù)為（tj，yij）（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。

2）由退化數(shù)據(jù)擬合各樣品退化量隨時(shí)間的變化曲線，即退化軌跡。根據(jù)曲線族的變化趨勢，選擇恰當(dāng)?shù)能壽E模型，并估計(jì)出其中的參數(shù)α，β，得到軌跡方程。

3）設(shè)失效閾值為Df，由退化軌跡方程外推各樣本的偽失效壽命T1，T2，…，Tm。

4）對偽失效壽命進(jìn)行分布假設(shè)檢驗(yàn)，選擇可能的分布形式，如正態(tài)分布、威布爾分布、對數(shù)正態(tài)分布等。

5）將偽失效壽命視為完全壽命數(shù)據(jù)，按傳統(tǒng)方法進(jìn)行可靠性分析。

按照上述基于退化軌跡的退化數(shù)據(jù)建模方法，對本試驗(yàn)的頻率退化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)過裝備實(shí)測獲得該電路板輸出信號的頻率為18 kHz，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)將失效閾值設(shè)為實(shí)測值的90%～110%，進(jìn)而可得該功能電路板的失效閾值為16.2～19.8kHz。外推得到各樣本的偽失效壽命，如表2所示。

表2 偽失效壽命數(shù)據(jù)

2.2 威布爾分布下的參數(shù)估計(jì)

威布爾分布[8]是可靠性分析中常用的壽命分布，由物理學(xué)家Weibull W于1939年從最弱環(huán)模型導(dǎo)出，由于能夠很好地描述許多電子元件與機(jī)械設(shè)備的壽命分布，故得到了廣泛的應(yīng)用。

威布爾分布的分布函數(shù)表達(dá)式為

記作W（m，η），其中m為形狀參數(shù)，并且m＞0；η為特征壽命，η=te-1。不同的形狀參數(shù)m對威布爾分布有很大影響：m＜1時(shí)，早起失效較多；當(dāng)m=1時(shí)，威布爾分布即為指數(shù)分布；當(dāng)m＞1時(shí)，分布的密度函數(shù)呈單峰狀；當(dāng)m≥3時(shí)，威布爾分布的密度函數(shù)漸進(jìn)呈對稱狀，近似于正態(tài)分布。許多產(chǎn)品和材料的形狀參數(shù)m值范圍為0.5～5。

本文將2.1中得到的偽失效壽命數(shù)據(jù)視為完全壽命數(shù)據(jù)，利用Weibull分布進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，結(jié)果表明壽命數(shù)據(jù)基本符合Weibull分布（各組應(yīng)力下優(yōu)度檢驗(yàn)圖如圖2所示），形狀參數(shù)m和特征壽命參數(shù)η的估計(jì)如表3所示。

表3 分布參數(shù)估計(jì)

按照威布爾分布統(tǒng)計(jì)分析時(shí)的基本假定，必須保證在各應(yīng)力條件下形狀參數(shù)相同，但在實(shí)際試驗(yàn)中求得的形狀參數(shù)m不一定相同，這主要是由于試驗(yàn)的偶然誤差及數(shù)據(jù)處理中的誤差所造成，因此需要對形狀參數(shù)m進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

根據(jù)巴特利特檢驗(yàn)的方法，首先假設(shè)H0：m1=m2=…=m6進(jìn)行檢驗(yàn)。

構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量：

取顯著性水平α=0.05，查表可知由于故在此顯著水平下該假設(shè)H0成立，因而可以認(rèn)為6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)在不同應(yīng)力水平下的威布爾分布的形狀參數(shù)相同，即為同族的威布爾分布。

3 加速退化模型研究

3.1 加速模型假設(shè)

加速試驗(yàn)的基本思想就是利用加速應(yīng)力下的退化規(guī)律外推得到正常應(yīng)力下的壽命特征，關(guān)鍵在于建立壽命與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，即加速模型[7]。當(dāng)電應(yīng)力（如電壓、電路、功率等）作為加速試驗(yàn)中的加速應(yīng)力時(shí)，一般采用逆冪律模型，即

圖2 威布爾分布的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)

式中：ξ——某壽命特征；

A——正常數(shù)；

c——與激活能有關(guān)的正常數(shù)；

ν——應(yīng)力，一般取電壓。

當(dāng)某些產(chǎn)品操作頻率比較低時(shí)，可以通過增加使用率作為加速的方法，使用率的增加對失效時(shí)間有著很大的影響，循環(huán)數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)、里程等都可作為使用率[8-9]。壽命-使用率模型為

式中：ξ——某壽命特征；

A，B——與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、失效準(zhǔn)則相關(guān)的常數(shù)；

f——使用率。

當(dāng)樣品處于電源通/斷工作模式下時(shí)，由表2不難發(fā)現(xiàn)，電源的通/斷頻率f是影響產(chǎn)品性能退化的一個(gè)重要因素。在電應(yīng)力-電源通/斷加速退化試驗(yàn)中，隨著電源通斷頻率的增加，樣品的性能退化加劇。文獻(xiàn)[10]對高使用率下產(chǎn)品的加速模型進(jìn)行分析研究，本文以該模型為基礎(chǔ)，結(jié)合電沖擊退化試驗(yàn)實(shí)際情況，做出如下假設(shè)：式中a，b，c為模型參數(shù)。當(dāng)加速試驗(yàn)處于持續(xù)工作狀態(tài)時(shí)，使用率f=0，此時(shí)加速模型為逆冪律模型；而當(dāng)f＞0時(shí)，表示處于加速通斷情況下。

3.2 模型參數(shù)估計(jì)

對式（5）取對數(shù)得：

簡化后可得：

式中：μV——僅在電壓V作用下的平均壽命；

μV，f——在電壓V、開關(guān)頻率f共同作用下平均壽命數(shù)據(jù)；

α，β，γ——待估計(jì)模型參數(shù)。

將表3中的樣本特征壽命分別帶入式（8）和式（9）中得：

按照多元線性回歸的方法得到模型參數(shù)的估計(jì)值為a=9823，b=-1884，α=2375，β=-303.0，γ=46.03帶入式（11）即可得到產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間的關(guān)系，即加速模型為

4 實(shí)例分析

分析該電路板電路原理圖，可得電路正常工作電壓為48V；經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，了解到該電路板所在雷達(dá)日常使用頻率約為30次/月，折算為0.000 694次/min。故取工作電壓V0=48 V及正常開關(guān)通斷頻率f0= 0.000694次/min，根據(jù)在3.2節(jié)中求出的加速模型，可以得到兩種加速模式下的形狀參數(shù)m和尺度參數(shù)η。

將兩組參數(shù)分別帶入式（14）中威布爾分布下的可靠度函數(shù)，可得到正常應(yīng)力下兩種試驗(yàn)的可靠度曲線，如圖3所示。

圖3 不同模式下的可靠度曲線

假設(shè)產(chǎn)品超過額定閾值的10%即為失效，在工作電壓48V、正常開關(guān)頻率0.000694次/min的條件下，令P（t）=0.5則可以得到樣本在兩種模式下的平均壽命分別為5.4501×104h、2.5893×104h。分析兩種試驗(yàn)方式下得到的評估結(jié)果，可以看出電源通斷電下電路板的退化曲線過早進(jìn)入了衰減期，并且與僅存在電應(yīng)力的電路板相比壽命明顯縮短，表明電源通斷加速了電路板性能的退化，即電源開關(guān)循環(huán)電沖擊是影響電子產(chǎn)品可靠性的重要因素。因而可以根據(jù)雷達(dá)所完成任務(wù)的需要切換不同電路板的工作狀態(tài)，從而延長電路板的使用壽命[11]。

試驗(yàn)中的電沖擊是以一定頻率對電路板連續(xù)施加的，然而實(shí)際工作過程中的電源開關(guān)則是間歇的，所以評估結(jié)果可能會(huì)比實(shí)際壽命偏保守。因此，接下來還需進(jìn)一步考慮通斷頻數(shù)和通斷次數(shù)共同作用下的加速模型，對電路板進(jìn)行更加貼近實(shí)際、更準(zhǔn)確的可靠性評估。

5 結(jié)束語

本文選取電源加速電壓應(yīng)力、電源通斷電瞬間高壓為加速應(yīng)力，對功能電路板進(jìn)行了歷時(shí)3個(gè)多月的電沖擊加速試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得到了基于退化軌跡的偽失效壽命，并在Weibull分布下進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)。針對電子裝備在實(shí)際工作環(huán)境中受到的電應(yīng)力影響，建立了電源連續(xù)工作和電源通斷電情況下的加速模型，完成了對雷達(dá)某電路板的可靠性評估，表明電源通斷是影響電子產(chǎn)品可靠性的重要因素，為后續(xù)電應(yīng)力加速試驗(yàn)的開展及進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。同時(shí)也為電子裝備的日常工作、訓(xùn)練提供了參考。

[1]Loon D S C，TangC.Reliability prediction using nondestructive accelerated-degradation data：case study on power supplies[J].IEEE Transactions on Reliability，1995，44（4）：562-566.

[2]Tomasi T，Lista V，Villa M.Passive optical components: from degradation data to reliability assessment[J]. Reliability of Optical Fiber Components，Devices，Systems and Networks，2003（4940）：186-195.

[3]Kaczer B，Pangon N，Groeseneken G.The influence of elevated temperature on degradation and lifetime prediction ofthin silicon-dioxide films[J].IEEE Transactions on Reliability，2000，47（7）：1514-1521.

[4]孔凡志.電磁脈沖沖擊下無緣結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)點(diǎn)熱力耦合一體化分析[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[5]張芳.電子產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性分析研究[D].石家莊：軍械工程學(xué)院，2010.

[6]方開泰，馬長興.正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2001：78-80.

[7]鄧愛民，陳循，張春華，等.基于性能退化數(shù)據(jù)的可靠性評估[J].宇航學(xué)報(bào)，2006（3）：546-552.

[8]峁詩松，王玲玲.加速壽命試驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，1997：30-34.

[9]趙宇.可靠性數(shù)據(jù)分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011：105-107.

[10]胡斌.基于反應(yīng)論模型的環(huán)境因子確定方法研究[D].綿陽：中國工程物理研究院，2007.

[11]Yang G G.Accelerated life tests at higher usage rates[J]. IEEE Transactions on reliability，2005（54）：53-57.

Research on electrical-stress accelerated degradation test technique and reliability assessment method

SUN Zhi-wang，LIANG Yu-ying，PAN Gang，ZHANG Guo-long，LI Wei
（Department of Electronic and Optical Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In order to explore the impact of electric shock to electronic equipment lifetime，high voltage which generates instantaneously in switching power was selected as the accelerated stress of electric shocks and accelerated degradation test was conducted taking PCB of certain type radar as the experimental subject.The pseudo-failure lifetime based on analysis of degradation path of performance degradation was obtained by the experiment，and parameter estimation was carried out in the Weibull distribution.The acceleration model under the power on-off mode based on electrical-stress was proposed，and an example of a radar circuit board was provided to complete reliability assessment of electronic products.

electric shock；accelerated degradation test；pseudo-failure lifetime；reliability assessment

TB114.3；TM834；TP206+.3；TN95

：A

：1674-5124（2014）05-0140-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.036

2014-01-23；

：2014-04-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61271153）

孫志旺（1990-），男，河北衡水市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)橄到y(tǒng)性能檢測與故障診斷。