一種基于振動(dòng)應(yīng)力變換的加速試驗(yàn)方法研究

張曉潔，李政

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司通信技術(shù)研究所，江蘇 南京 210014）

一種基于振動(dòng)應(yīng)力變換的加速試驗(yàn)方法研究

張曉潔，李政

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司通信技術(shù)研究所，江蘇 南京 210014）

隨著電子元器件壽命的延長(zhǎng)，電子設(shè)備的壽命也越來越長(zhǎng)。為了適應(yīng)高可靠產(chǎn)品的要求，評(píng)估、鑒定驗(yàn)收電子設(shè)備的可靠性水平時(shí)，越來越多地應(yīng)用加速試驗(yàn)。介紹一種應(yīng)用改變振動(dòng)應(yīng)力的方法來加速整個(gè)試驗(yàn)過程。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析方法參照了GJB 150A.16A-2009的規(guī)定。在此標(biāo)準(zhǔn)中，不同振動(dòng)環(huán)境的疲勞等價(jià)關(guān)系可以通過公式進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換，可以確定所累計(jì)的各種振動(dòng)環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)疲勞損傷和振動(dòng)耐久試驗(yàn)的加速試驗(yàn)量值。在實(shí)驗(yàn)室條件下，該方法可以方便地、可操作地評(píng)價(jià)出電子產(chǎn)品的可靠性水平。

可靠性鑒定；電子產(chǎn)品；加速試驗(yàn)；振動(dòng)應(yīng)力

0 引言

為了評(píng)價(jià)電子產(chǎn)品目前的可靠性水平，一般采用可靠性鑒定或者驗(yàn)收試驗(yàn)來完成[1]。這類試驗(yàn)大都是在模擬環(huán)境的試驗(yàn)室條件下，對(duì)受試設(shè)備施加由任務(wù)剖面轉(zhuǎn)化而來的環(huán)境應(yīng)力條件，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)上的 “一次抽樣檢驗(yàn)”方案進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出結(jié)論。目前國內(nèi)在軍用電子類裝備研制過程中，一般參照GJB 899《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》進(jìn)行試驗(yàn)[2]。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品的可靠性水平越來越高。對(duì)于可靠性較高的產(chǎn)品來說，往往需要很長(zhǎng)的試驗(yàn)周期和大量的樣品。例如：為了鑒定產(chǎn)品的失效率是否達(dá)到10-8/h，在失效分布類型為指數(shù)分布，置信度為0.9，允許失效數(shù)r=0時(shí)，需要抽取23萬個(gè)樣品試驗(yàn)1 000 h，或是抽取1 000個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，那么試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)26年以上，這就意味著試驗(yàn)尚未完成，產(chǎn)品可能已經(jīng)被淘汰了。加速壽命試驗(yàn)可以解決上述問題。所謂的加速壽命試驗(yàn)就是用加大應(yīng)力的方法促使試驗(yàn)品在短期內(nèi)失效，從而預(yù)測(cè)產(chǎn)品在正常儲(chǔ)存條件或工作條件下的可靠性[3]。

加速壽命試驗(yàn)按照施加的壓力，必須在一定的范圍內(nèi)，以保證做到以下3點(diǎn)要求：

1）失效機(jī)理不變，失效機(jī)理要與加速前保持一致性；

2）存在有規(guī)律的加速過程，這有利于統(tǒng)計(jì)學(xué)的處理分析數(shù)據(jù)；

3）退化或失效的分布模型應(yīng)具有統(tǒng)一性或規(guī)律性。

理論上，施加高應(yīng)力后產(chǎn)品退化方式與正常應(yīng)力水平下相同，試驗(yàn)時(shí)間卻能相應(yīng)地縮短。這種試驗(yàn)可以大大地縮短試驗(yàn)周期，滿足產(chǎn)品進(jìn)度和費(fèi)用的要求。

加速壽命試驗(yàn)的基本原理就是產(chǎn)品的壽命與所加應(yīng)力的大小有關(guān)，應(yīng)力越大，產(chǎn)品壽命就越短。如圖1所示，對(duì)某一產(chǎn)品施加5種高于正常水平的恒定應(yīng)力Si就得到5種不同的壽命數(shù)據(jù)ti，將圖示加速壽命曲線延長(zhǎng)，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力S0為正常應(yīng)力水平，t0為正常應(yīng)力水平下產(chǎn)品壽命的預(yù)測(cè)值。

圖1 加速壽命曲線示意圖

在圖1中，其他各點(diǎn)與A點(diǎn)積累了相同的失效概率。由圖可知，施加的應(yīng)力越大，到達(dá)相同失效概率所需要的時(shí)間越短。在不同的應(yīng)力條件下，積累到相同的失效概率所用的時(shí)間可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換。

可以改變的應(yīng)力有許多，例如：電應(yīng)力、溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力等。通過大量的試驗(yàn)樣本和試驗(yàn)實(shí)踐的研究，各國的研究人員得出了各種應(yīng)力的加速數(shù)學(xué)模型。比較成熟的現(xiàn)有模型有：Arrhenius模型、Coffin2Manson模型和Norris2Lanzberg模型等。本文重點(diǎn)介紹GJB 150A.16-2009中附錄B2.2[4]提出的、通過變換振動(dòng)應(yīng)力方法進(jìn)行加速的方法，以及應(yīng)用這種方法進(jìn)行試驗(yàn)的具體流程，并介紹了一個(gè)實(shí)踐應(yīng)用的案例。

1 原理介紹

GJB 150A.16-2009中附錄B2.2提出了隨機(jī)振動(dòng)條件下改變振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行加速的方法。數(shù)學(xué)關(guān)系公式 （1）用于確定不同振動(dòng)環(huán)境的疲勞等價(jià)關(guān)系，積累各種疲勞環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)疲勞損傷和確定振動(dòng)耐久試驗(yàn)的加速試驗(yàn)量值。

式 （1）中：W0——規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)量值 （加速度譜密度），

W1——施加的隨機(jī)振動(dòng)量值 （加速度譜密度），

T0——規(guī)定的時(shí)間，h；

T1——施加的時(shí)間，h。

這是線形疲勞損傷積累的簡(jiǎn)化表達(dá)式，指數(shù)是材料常量 （log/log疲勞曲線的斜率或者S/N曲線的斜率），給出的值適用于航空電子裝備，不適用于其他類型的裝備。指數(shù)值的變化范圍與所要求的保守程度，以及材料特性有關(guān)。必要時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體材料的疲勞數(shù)據(jù) （S/N曲線）進(jìn)行分析。注意：裝備上不同部件用材料的S/N曲線可得到不同的等價(jià)關(guān)系，應(yīng)確定采用哪個(gè)等價(jià)關(guān)系來確定試驗(yàn)條件。

2 案例應(yīng)用

某航空電子設(shè)備，受試產(chǎn)品只有1套，MTBF最低可接收值為4 500 h，目標(biāo)值為9 000 h，需要進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。

若采用最常用的GJB 899中表3標(biāo)準(zhǔn)是定時(shí)試驗(yàn)的方案17，則需要19 350 h，約806天，也就是2.2年，顯然是不合適的，因此，我們考慮加速的方式進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過供貨方和使用方的協(xié)調(diào)，采用GJB 899中圖A23的方案30-1，在此方案中，供貨方風(fēng)險(xiǎn)α=30%，使用方風(fēng)險(xiǎn)β=30%，出現(xiàn)一個(gè)故障即為不合格，累積試驗(yàn)時(shí)間為1.2倍θ1的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案。方案的時(shí)間如表1所示。把試驗(yàn)時(shí)間分為3個(gè)階段。階段1為前10個(gè)循環(huán)，此階段可以暴露溫度濕度相關(guān)的故障；階段2的試驗(yàn)時(shí)間準(zhǔn)備進(jìn)行振動(dòng)加速；階段3的時(shí)間可以暴露老化方面的故障。

表1 方案30-1的試驗(yàn)時(shí)間表 t=h

需要說明的是，鑒別比在 30-1方案中為3.37，但是實(shí)際的鑒別比為2；若試驗(yàn)方案的鑒別比大于實(shí)際的鑒別比，由試驗(yàn)方案的OC特性曲線可知，只會(huì)增加生產(chǎn)方的風(fēng)險(xiǎn)率，因此，只要生產(chǎn)使用雙方協(xié)商一致，可以選用。OC特性曲線，此處不再詳述。加速前可靠性試驗(yàn)剖面如圖2所示[5]。

2.1 確定加速方案

此次試驗(yàn)采用加大振動(dòng)應(yīng)力的途徑進(jìn)行試驗(yàn)加速。對(duì)一個(gè)周期內(nèi)所有的振動(dòng)量值全部提高，但必須小于或等于最大的振動(dòng)量值。這種方法提高后的振動(dòng)量值沒有超過原來最大的振動(dòng)量值，以確保失效機(jī)理的一致性[6]。

2.2 試驗(yàn)時(shí)間的計(jì)算

時(shí)間計(jì)算僅對(duì)階段2部分進(jìn)行。加速半個(gè)循環(huán)周期的試驗(yàn)時(shí)間折合到最大振動(dòng)量值的等效時(shí)間如表2、3所示。等效方法根據(jù)公式 （1）。

圖2 受試設(shè)備的可靠性試驗(yàn)剖面

表2 正常應(yīng)力下半個(gè)剖面的量值對(duì)應(yīng)關(guān)系

表3 加速后半個(gè)剖面的的量值對(duì)應(yīng)關(guān)系

在正常應(yīng)力下，每個(gè)循環(huán)周期為8 h，因此，階段2所需的循環(huán)數(shù)為5 020÷8=627.5；等效到最大量值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為627.5×2×1.580 274 439= 1 983.244 421（h）；加速前后疲勞積累是相同的，因此，加速應(yīng)力的循環(huán)數(shù)為 1 983.244 421÷2÷ 66.108 147 37≈15。加速后的周期數(shù)為15個(gè)，即15×8=120（h）。

加速后的試驗(yàn)時(shí)間表如表4所示。

表4 加速后的試驗(yàn)時(shí)間表 t=h

3 結(jié)束語

由表4與表1的對(duì)比可知，加速后的時(shí)間大大地縮短了，總試驗(yàn)時(shí)間約為原來的1/10。對(duì)試驗(yàn)剖面而言，只改變了振動(dòng)應(yīng)力，其他應(yīng)力如電應(yīng)力、溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力等均未發(fā)生變化，試驗(yàn)過程在原有的試驗(yàn)設(shè)備上較容易控制和操作實(shí)現(xiàn)，不需要增加新的試驗(yàn)設(shè)備。本文介紹的方法，希望可以對(duì)廣大的工程實(shí)踐工作者有所幫助。

[1]張曉潔，王強(qiáng)，李政.一種電子產(chǎn)品的可靠性評(píng)估方法[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2014，32（1）：32-35.

[2]GJB 899-1990，可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn) [S].

[3]張?jiān)稣?以可靠性為中心的質(zhì)量設(shè)計(jì)、分析和控制 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]GJB 150.16A-2009，軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動(dòng)試驗(yàn) [S].

[5]GJB 1032-1990，電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法 [S].

[6]林震，張愛民，沈朝暉，等.談?wù)劯呒铀賶勖囼?yàn) [J].環(huán)境技術(shù)，2002，20（4）:5-9.

Accelerated Test M ethod Based on A ltering the Vibration Stress

ZHANG Xiao-jie，LIZheng
（Nanjing Panda Handa Science and Technology Ltd.，The Institute of Communication Technology，Nanjing 210014，China）

With longer life expectancy of electronic components，the life of electronic equipment is lengthening.To meet the high reliability requirements of products，accelerated tests are applied more and more in the reliability assessment and acceptance for electronics.In this paper，An accelerated testmethod by altering the vibration stress is introduced.The statics and analysis of the given data refer to the methods in GJB150A.16A-2009.In the standard，the fatigue failures caused in different vibration environments can be converted equally by formulations when vibration is the only accelerating variable.Themethod is practical and convenient for assessing the reliability level of electronics in the laboratory environment.

reliability qualification；electronics；accelerated life test；vibration stress

TB 114.37

：A

：1672-5468（2015）01-0020-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.01.005

2014-09-04

張曉潔 （1984-），女，山東濰坊人，南京熊貓漢達(dá)科技有限公司 （國營(yíng)第七一四廠）工程師，碩士，從事短波、超短波無線通信領(lǐng)域多個(gè)國家重點(diǎn)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。