可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)在平板電視電源模塊研發(fā)中的應(yīng)用

尚彥波

（四川長虹電器股份有限公司可靠性技術(shù)中心，綿陽 621000）

可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)在平板電視電源模塊研發(fā)中的應(yīng)用

尚彥波

（四川長虹電器股份有限公司可靠性技術(shù)中心，綿陽 621000）

簡要介紹了可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)原理與特點，總結(jié)了其在平板電視電源模塊研發(fā)階段中的應(yīng)用方法，著重闡述了試驗過程和五個類型的試驗剖面；引述了激發(fā)應(yīng)力范圍的統(tǒng)計學(xué)方法，并給出了部分產(chǎn)品應(yīng)用實施可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)的典型案例，說明其在激發(fā)暴露產(chǎn)品設(shè)計、工藝缺陷等方面的突出效果。

可靠性強(qiáng)化試驗；疲勞S-N曲線；工作極限；破壞極限

引言

平板電視電子線路部分的構(gòu)成主要包括機(jī)芯板、屏模組和電源模塊，系統(tǒng)為串聯(lián)可靠性模型。

根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型，系統(tǒng)的失效率水平λ：

因此，電源模塊的失效率水平對整機(jī)產(chǎn)品影響較大。根據(jù)對若干機(jī)型的可靠性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)計分析，電源模塊的可靠性指標(biāo)約占系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的三分之一，比如對于MTBF門限值是15000小時的平板電視產(chǎn)品而言，電源模塊的可靠性指標(biāo)考核值要達(dá)到45000小時。按傳統(tǒng)的可靠性鑒定試驗方法對電源模塊的可靠性指標(biāo)進(jìn)行鑒定，需要耗費(fèi)4.3倍的MTBF門限值，約等于193500小時。意味著269個電源產(chǎn)品連續(xù)工作一個月的時間，若發(fā)生關(guān)聯(lián)故障的數(shù)量小于等于2才能判斷產(chǎn)品滿足設(shè)計要求。這么長時間的試驗，費(fèi)用和時間的消耗將十分巨大，對于研發(fā)周期及成本強(qiáng)約束的家電產(chǎn)品而言幾乎是不可接受的，必須要研究解決產(chǎn)品可靠性增長與成本和周期嚴(yán)格限制的突出矛盾。

可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)是解決上述問題的優(yōu)秀技術(shù)方法之一。一般而言，電子產(chǎn)品生命周期承受的環(huán)境載荷有溫度、濕度、振動、電應(yīng)力、沙塵、鹽霧等，影響最大的應(yīng)力包括溫度、振動、電應(yīng)力等?？煽啃詮?qiáng)化試驗技術(shù)是一種環(huán)境應(yīng)力激發(fā)試驗，其主要采用了溫度、振動以及電應(yīng)力作為激發(fā)暴露產(chǎn)品缺陷的手段，試驗的應(yīng)力遠(yuǎn)高于實際環(huán)境載荷，能夠加速產(chǎn)品缺陷暴露時機(jī)，試驗的效率較傳統(tǒng)模擬環(huán)境試驗提升了成千上萬倍。據(jù)國外文獻(xiàn)資料，在可靠性強(qiáng)化試驗中短短幾個小時暴露的產(chǎn)品缺陷，可能是產(chǎn)品在外場工作一年甚至更長時間暴露的問題，因此可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)的出現(xiàn)有效解決

了傳統(tǒng)的可靠性試驗方法周期長、見效慢等突出問題，其先進(jìn)、高效的技術(shù)特點，越來越受到可靠性工程師的青睞，并普遍應(yīng)用到通信、航空、航天等電子產(chǎn)品研發(fā)階段，取得了巨大的成功。

本文重點就平板電視電源模塊應(yīng)用可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)的經(jīng)驗展開論述，詳細(xì)闡述可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)原理，在電源模塊中應(yīng)用可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，包括試驗剖面的參數(shù)取值，激發(fā)應(yīng)力范圍等，重點介紹了激發(fā)暴露的兩個典型產(chǎn)品設(shè)計缺陷以及設(shè)計上采取的解決措施等，以期拋磚引玉引起廣大設(shè)計人員共鳴，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變理念由傳統(tǒng)的過與不過的研發(fā)試驗思想轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃诱覇栴}的設(shè)計思想，共同推動可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)在公司乃至于行業(yè)內(nèi)更大范圍產(chǎn)品領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，帶動產(chǎn)品可靠性水平持續(xù)提升，創(chuàng)造更大的價值。

1 理論依據(jù)

可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)的主要理論依據(jù)是依據(jù)載荷-強(qiáng)度干涉模型及材料的疲勞損傷累積原理。

1.1 載荷-強(qiáng)度干涉模型

產(chǎn)品故障的主要原因是承受的載荷超過了強(qiáng)度，即遵從載荷-強(qiáng)度干涉原理（圖1所示）。載荷可能一次性超過產(chǎn)品強(qiáng)度或者在較低應(yīng)力水平下，通過磨損、疲勞等機(jī)理使得產(chǎn)品強(qiáng)度隨著使用時間的延長變得愈加脆弱，出現(xiàn)圖2所示情形。換而言之，可以通過增大環(huán)境載荷獲得強(qiáng)度衰減后相同的故障模式（圖3所示）。一般而言，一定范圍內(nèi)提高環(huán)境載荷并不改變產(chǎn)品的故障機(jī)理，因此理論上可靠性強(qiáng)化試驗激發(fā)暴露出的產(chǎn)品缺陷在外場引發(fā)產(chǎn)品故障的可能性是必然的。

1.2 疲勞損傷理論

可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)采用溫度、振動、溫變、電壓等作為強(qiáng)化應(yīng)力，應(yīng)力作用在產(chǎn)品上累積的疲勞損傷與應(yīng)力的關(guān)系遵從Miner法則：

其中ni為載荷量級為Si下施加的次數(shù)，Ni為與之對應(yīng)的達(dá)到疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。其中Si、Ni對應(yīng)關(guān)系可根據(jù)材料的疲勞S-N曲線得知。

由于缺陷導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中，疲勞損傷會加速累積，通常缺陷引起的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)到2或3，因而可使疲勞壽命降低幾個數(shù)量級，加速產(chǎn)品缺陷的暴露。

疲勞S-N曲線關(guān)系如下：

式中：d是累積疲勞損傷；N為應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)；S是應(yīng)力水平，β是材料常數(shù)，對于電子產(chǎn)品β一般取10。

圖1 載荷-強(qiáng)度干涉原理

圖2 產(chǎn)品強(qiáng)度衰減

圖3 增強(qiáng)環(huán)境載荷可獲取相同的故障模式

圖4 7075鋁的疲勞S-N曲線

圖4是7075鋁的疲勞S-N曲線，縱軸是應(yīng)力量級，橫軸是疲勞循環(huán)的次數(shù)。在給定的應(yīng)力量級下，都可以在材料的疲勞S-N曲線上求得產(chǎn)品的疲勞壽命次數(shù)。如當(dāng)應(yīng)力S為40KSI時，產(chǎn)品的疲勞壽命次數(shù)為2×106，而當(dāng)應(yīng)力增大至60KSI時，產(chǎn)品的疲勞壽命次數(shù)縮短至4×104 ，即應(yīng)力提高了1.5倍時，產(chǎn)品的疲勞壽命縮短至原來的1/50，可見通過提高載荷應(yīng)力能夠大幅度縮短產(chǎn)品疲勞壽命。

可靠性強(qiáng)化試驗正是基于上述理論，通過給產(chǎn)品施加遠(yuǎn)大于實際承受的應(yīng)力來提高缺陷激發(fā)暴露效率的，而一定范圍內(nèi)提高試驗應(yīng)力并沒有改變產(chǎn)品的失效機(jī)理，因此激發(fā)暴露的問題往往在自然環(huán)境載荷（低載荷水平）下需要更長的時間才能夠暴露。

2 可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)在電源模塊研發(fā)階段中的應(yīng)用

2.1 試驗剖面

參考平板電視機(jī)芯的可靠性強(qiáng)化試驗方法，我們研究制定了電源模塊可靠性強(qiáng)化試驗剖面，具體包含如下五個試驗剖面：

1）低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗

開始溫度0℃，降溫步進(jìn)步長為-10℃，溫變率為20℃/min，開始試驗時對受試產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時間一般取2兩分鐘，每個溫度臺階停留時間30分鐘。試驗一直持續(xù)降溫至-40℃ 。同時給產(chǎn)品施加交流電應(yīng)力，下面幾個試驗剖面中均需給產(chǎn)品施加電應(yīng)力。

2）高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗

開始溫度40℃，升溫步進(jìn)步長為10 ℃，溫變率20℃/min，每個溫度臺階停留時間為30分鐘，試驗一直持續(xù)升溫至100℃。

3）快速溫變應(yīng)力試驗

低溫應(yīng)力點為-32℃，高溫應(yīng)力點為+92℃，作為快速溫變應(yīng)力試驗的上下限溫度值，循環(huán)次數(shù)為5次，溫度變化速率60℃/min，溫度極值處，停留時間30分鐘。

4）振動步進(jìn)應(yīng)力試驗

試驗開始于4 Grms ，振動步進(jìn)步長為4Grms，每個振動量值保持10min，最大振動量級為32Grms，當(dāng)振動量級達(dá)到20Grms時，增加一個4Grms的擾動振動。

5） 振動步進(jìn)應(yīng)力試驗

低溫應(yīng)力點為-32℃，高溫應(yīng)力點為+92℃，作為快速溫變應(yīng)力試驗的上下限溫度值，循環(huán)次數(shù)為5次，溫度變化速率60℃/min，溫度極值處，停留時間10分鐘。試驗開始于6 Grms ，振動步進(jìn)步長為6Grms，每個振動量值保持10min，最大振動量級為28Grms，當(dāng)振動量級達(dá)到20Grms時，增加一個4Grms的擾動振動。

2.2 激發(fā)應(yīng)力范圍

國外的HALT技術(shù)方法強(qiáng)調(diào)要找出產(chǎn)品的工作極限和破壞極限。產(chǎn)品的工作極限定義為產(chǎn)品不能正常工作的溫度或振動應(yīng)力量值，當(dāng)應(yīng)力撤消后產(chǎn)品還能夠恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；破壞極限定義為當(dāng)應(yīng)力撤消后，產(chǎn)品仍然無法恢復(fù)至正常工作狀態(tài)的應(yīng)力量值。產(chǎn)品的工作極限和破壞極限的分布狀態(tài)如圖5所示。

由于溫度應(yīng)力包含高溫應(yīng)力和低溫應(yīng)力，因此對于溫度應(yīng)力而言，工作極限和破壞極限都有兩個，即低溫應(yīng)力工作極限、低溫破壞應(yīng)力極限、高溫應(yīng)力工作極限和高溫應(yīng)力破壞極限；振動應(yīng)力包括振動應(yīng)力工作極限和振動應(yīng)力破壞極限。

圖5 產(chǎn)品的工作極限和破壞極限

一般產(chǎn)品的工作極限和破壞極限呈一定分布，并不是一個確定的量值。借鑒HARRY.Mclean有關(guān)經(jīng)驗，工程上可以粗略地判定產(chǎn)品的工作極限和破壞極限近似為正

態(tài)分布，并將產(chǎn)品的各類極限劃定為圖6所示的狀態(tài)，在外場對產(chǎn)品可靠性影響較大的缺陷往往分布在工作極限的分布范圍，將該部分區(qū)域稱之為故障分布危險區(qū)，是必須要采取糾正解決措施的激發(fā)應(yīng)力范圍，而超出部分則不強(qiáng)求采取糾正措施。

按上述的正態(tài)分布的假設(shè)以及規(guī)劃激發(fā)應(yīng)力區(qū)間的想法，設(shè)定幾種標(biāo)注差σ范圍以及標(biāo)準(zhǔn)差量值，對比分析不同的參數(shù)取值得到的激發(fā)應(yīng)力量值，如表1所示。

圖6 溫度應(yīng)力激發(fā)量值規(guī)劃圖

圖7 電源紋波波形

圖6中溫度應(yīng)力激發(fā)量級范圍取值為4個σ的原因是因為于3σ或3.5σ的取值范圍遺留缺陷的可能性較高，達(dá)到了0.135%，對于百萬量級的產(chǎn)品而言，遺留缺陷的風(fēng)險比例還是太高了，而取值達(dá)到 6σ，對產(chǎn)品成本要求又過高。綜合衡量4σ取值對于家電類產(chǎn)品而言是較為合理的，根據(jù)實際經(jīng)驗，這樣的處理方法既能夠保證充分激發(fā)暴露產(chǎn)品設(shè)計缺陷，又能夠更好地節(jié)約試驗成本，提高試驗效率，綜合衡量激發(fā)應(yīng)力的取值范圍與家電類產(chǎn)品的實際特點（市場競爭、利潤率）相符合；當(dāng)然在利潤率較高，可靠性要求更高的通訊產(chǎn)品，采用6σ的激發(fā)應(yīng)力范圍，效果也許更佳。

2.3 典型案例分析

下面列舉幾個典型案例，說明可靠性強(qiáng)化試驗激發(fā)暴露產(chǎn)品缺陷的效果。

2.3.1 電容器潛在缺陷

故障現(xiàn)象：在低溫-32℃應(yīng)力下，某型號PDP電視無法開機(jī)工作。

原因分析：采用排除法分析判定PDP電視無法開機(jī)的原因是由于電源模塊無法工作導(dǎo)致。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)電源板中原國產(chǎn)某型號的C325和C353濾波電容，低溫下ESR（等效串聯(lián)阻抗）迅速增大，導(dǎo)致電源紋波電壓過大，不能滿足主板供電要求。在低溫-32℃應(yīng)力下測試的紋波波形如圖7所示。

將濾波電容更換為相同容量的臺灣某品牌電容器，該型號電視在-32℃下冷卻0.5小時后能正常開機(jī)，并測試其電源輸出的紋波波形，如圖8所示。對比圖7和圖8的紋波波形，發(fā)現(xiàn)后者紋波很小，電容器的低溫特性要優(yōu)異很多。進(jìn)一步對比國產(chǎn)電容器與國外一線品牌的

內(nèi)在差異，我們將相同容量的原國產(chǎn)電容器與日本紅寶石電源的ESR特性進(jìn)行了對比，分析結(jié)果如圖9所示（取五個樣品平均值，計算電容器的等效串聯(lián)阻抗ESR）。

表1 HALT試驗激發(fā)應(yīng)力范圍取值方法

-20℃開始，國產(chǎn)電容器的ESR急劇增大，而日本紅寶石電容器沒有顯著變化，兩者雖然在自然環(huán)境溫度下容值相當(dāng)，但低溫特性差異明顯，說明不同廠家同型號器件的可靠性差異是隱含的，不能簡單通過審查規(guī)格書，就確認(rèn)參數(shù)、性能、可靠性是一致性的。建議設(shè)計師充分考察了解器件的各種參數(shù)特性，在與供應(yīng)商家簽訂技術(shù)協(xié)議時，了解器件的各種參數(shù)性能與溫度、濕度、電壓等環(huán)境載荷應(yīng)力之間的關(guān)系，做到心中有數(shù)，方能保證良好的產(chǎn)品設(shè)計。

糾正措施：通過提高電容器的低溫特性，解決了該電源模塊的設(shè)計缺陷。

2.3.2 電源模塊的參數(shù)設(shè)計缺陷

故障現(xiàn)象：某液晶電視在高溫應(yīng)力+65℃下工作時，出現(xiàn)黑屏故障。

原因分析：經(jīng)分析該液晶電視的電源模塊在+65℃應(yīng)力下工作時出現(xiàn)過流保護(hù)，高溫應(yīng)力激發(fā)作用下大電解電容380V輸出的紋波電壓增大，引起電路中較大的反激電流，而原電路方案中大反激過流點設(shè)置偏小。

糾正措施：原電路中的限流點設(shè)置為原邊峰值電流2.6A，穩(wěn)態(tài)工

圖8 更換電容后的紋波波形

圖9 某國產(chǎn)電容器與紅寶石電容特性對比

圖10 反激電流檢測電路圖

作時原邊最大檢測峰值為2.2A，限流點設(shè)置偏小，需增大過流限制點，將：

1）EC14電解電容器取值由68UF/450V更改為82UF/450V；

2）大反激電流的檢流電阻R108由10R/1206更改為4.7R/1206；如圖10所示。

上述兩個案例說明，可靠性強(qiáng)化試驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)暴露出產(chǎn)品設(shè)計中潛藏較深的設(shè)計缺陷，也能夠激發(fā)暴露元器件自身不可靠的各種因素。

3 結(jié)束語

大量的實踐經(jīng)驗證實可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)是提高電子產(chǎn)品可靠性的強(qiáng)有力手段，能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性水平快速增長，非常適用于成本和周期嚴(yán)格約束的家用電子產(chǎn)品，在行業(yè)內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用推廣價值。此外，可靠性強(qiáng)化試驗對于提升設(shè)計師自身理論修養(yǎng)，對增進(jìn)產(chǎn)品的認(rèn)知和了解都有積極的作用，值得設(shè)計師和可靠性工程師們努力增強(qiáng)工程實踐，挖掘其在節(jié)約產(chǎn)品成本，提高研發(fā)效率等方面的潛藏價值。

[1] 姜同敏.可靠性強(qiáng)化試驗[J].環(huán)境技術(shù), 2000(1)：3-6.

[2] 尚彥波.可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)在家電產(chǎn)品研發(fā)階段中的應(yīng)用[J].長虹科技, 2009年多媒體專刊： 304-310.

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[4] Parick D.T.O’Connor著.實用可靠性工程（第四版）[M].李莉,王勝開,陸汝玉,等譯.北京：電子工業(yè)出版社, 2004.

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[6] Harry Mclean. A Statistical Approach for the Disposition of HALT Issues.

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尚彥波(1981年10月)，男，漢族，籍貫：四川省綿陽市，工程師，本科，從事環(huán)境與可靠性試驗技術(shù)研究與應(yīng)用。

The Application of Reliability Enhancement Testing in Flat Panel TV Power Supply Module Developing Stage

SHANG Yan-Bo
（The Institute of Reliability Technology, Sichuan ChangHong Electric Co., Ltd, Mianyang 621000）

This paper briefly introduces the reliability principle and technical characteristics of reliability enhancement test; summarizes its application in the flat panel TV power supply module development method; and emphatically expounds the test process and five types of test profile. What’s more, it cites the stimulating stress range of statistical methods, and gives part of the product application the typical cases of implementing reliability enhancement test technique; and finally, it states the obviously effect on stimulating exposed defects such as product design and defective workmanship.

reliability enhancement test; fatigue s-n curve; operational limit; destruct limit

TP802+.1

A

1004-7204（2015）02-0035-06