引信系統(tǒng)電子產(chǎn)品加速壽命試驗方法研究

李晨陽

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

引信系統(tǒng)電子產(chǎn)品加速壽命試驗方法研究

李晨陽

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

針對引信系統(tǒng)電子類單機壽命長、可靠性高、試驗子樣少的特點，通過對不同試驗與數(shù)據(jù)評估的比較，提出了基于激活能預(yù)估的加速壽命試驗設(shè)計與評價方法。試驗結(jié)果表明：采用關(guān)鍵、薄弱環(huán)節(jié)激活能替代引信電子類單機產(chǎn)品激活能進行加速壽命試驗設(shè)計和評估的方法可行，有助于解決此類產(chǎn)品壽命與可靠性評估因研制周期緊湊、參試子樣少造成的困難。

0 引 言

貯存可靠性是導(dǎo)彈的一項重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標。貯存可靠性能否達標，從某種意義上直接影響導(dǎo)彈的使用進程與使用壽命[1]。作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，引信系統(tǒng)中，電子類單機的可靠性決定系統(tǒng)的壽命與可靠性指標。隨著對引信系統(tǒng)各類單機壽命與可靠性指標要求的不斷提高，對此類單機產(chǎn)品貯存期的評估與驗證必須同期開展。雖然當(dāng)前工程實踐中已逐步通過非工作失效率統(tǒng)計評估和元器件加速壽命試驗開展電子產(chǎn)品貯存壽命評估，但對于電子產(chǎn)品而言，復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)的失效機理和失效模式各不相同，元器件加速壽命試驗尚不能完全替代整機壽命試驗。電子類單機加速壽命試驗方法研究可以為工程研制單位節(jié)約大量資源，具有良好的應(yīng)用前景和實用價值。以此作為加速應(yīng)力摸索電子產(chǎn)品的加速壽命試驗?zāi)Ｐ?；最后，在不同?yīng)力水平下對一定數(shù)量的產(chǎn)品子樣進行壽命試驗，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析評估得到產(chǎn)品的壽命與可靠性指標?；玖鞒倘鐖D1所示[2]。

1 傳統(tǒng)壽命試驗設(shè)計與評估流程的應(yīng)用局限性

圖1 傳統(tǒng)加速壽命試驗設(shè)計與評估流程

1.1 傳統(tǒng)壽命試驗的設(shè)計與評估流程

開展加速壽命試驗與評估，首先需要確定對不同可靠性分布類型產(chǎn)品貯存壽命影響最大的環(huán)境應(yīng)力，

1.2 傳統(tǒng)試驗與評估方法在單機產(chǎn)品中應(yīng)用的局限性分析

傳統(tǒng)的加速壽命試驗方法與評估流程應(yīng)用在單機產(chǎn)品（尤其是軍工產(chǎn)品——包括引信系統(tǒng)產(chǎn)品）中有很大的局限性，其原因是此類產(chǎn)品的固有特點造成。電子類單機產(chǎn)品的特點如下：

a）試驗子樣少：一般情況下，電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度較高，投產(chǎn)成本相應(yīng)提升，從而導(dǎo)致無法提供足夠數(shù)量的產(chǎn)品子樣進行壽命試驗；

b）失效模式、機理復(fù)雜：電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜分析出的失效模式多樣化，與之相對應(yīng)的失效機理也多樣化；

c）失效數(shù)據(jù)獲取難度大：產(chǎn)品質(zhì)量提升促使設(shè)計壽命延長，加速壽命試驗無法按預(yù)計周期得到失效子樣。

2 電子整機加速試驗方法比較

2.1 加速退化法

對于參試子樣較少的軍工電子類單機產(chǎn)品，使用加速退化法進行試驗?zāi)軌蚪鉀Q失效數(shù)據(jù)難以獲取的問題，但試驗設(shè)計與評估中需要注意以下兩點：

a）退化趨勢的獲取：此方法的應(yīng)用必須首先掌握產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，同時加速應(yīng)力的疊加過程相對簡單且指標變化顯著；

b）加速應(yīng)力對性能退化的影響分析：不同環(huán)境應(yīng)力對單機產(chǎn)品性能參數(shù)退化的影響過程較為復(fù)雜，選取直接影響關(guān)鍵性能參數(shù)退化的加速應(yīng)力是實施試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 失效率比值法

電子類單機產(chǎn)品的可靠性大多服從指數(shù)分布，裝機元器件在不同溫度T下的失效率λ各不相同（通常，隨著溫度的提升元器件失效率也逐步升高[3]）。由此可以得到可靠性指標隨環(huán)境溫度升高而逐步降低，故將溫度選為關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)[4～6]。此類產(chǎn)品壽命試驗的加速系數(shù)計算如下：

式中 Ai為加速系數(shù)；L0為正常溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命特征量；Li為加速溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命特征量；λ0為正常溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品失效率；λi為加速溫度應(yīng)力下的產(chǎn)品失效率。

此方法的劣勢在于加速應(yīng)力的單一化，且對產(chǎn)品的參數(shù)影響反應(yīng)在可靠性指標的變化更為突出，不足以綜合評估各類使用工控下產(chǎn)品的貯存壽命指標。

2.3 轉(zhuǎn)化法

此方法基于競爭機制的“木桶原理”（也稱“短板”原理），即每種產(chǎn)品中最先出現(xiàn)貯存失效的薄弱環(huán)節(jié)稱為壽命“短板”，針對該零部（組）件或元器件的加速壽命試驗方法即可表征單機產(chǎn)品的加速壽命試驗。

可以利用以下方法尋找單機產(chǎn)品貯存薄弱環(huán)節(jié)：

a）借鑒同類型或相似產(chǎn)品信息；

b）產(chǎn)品使用信息統(tǒng)計分析；

c）排列圖法；

d）故障模式影響及其危害性分析；

e）故障樹分析法。

由于引信系統(tǒng)電子單機工況復(fù)雜，元器件在單機中需承受力、熱、電等多種應(yīng)力交變的復(fù)雜環(huán)境，誘發(fā)或影響其薄弱環(huán)節(jié)的因素較多，應(yīng)用轉(zhuǎn)化法進行加速壽命試驗同樣具有較高的技術(shù)風(fēng)險。

3 基于激活能預(yù)估的加速壽命試驗設(shè)計與評估方法

加速壽命試驗的目的是找出產(chǎn)品壽命特征量與加速應(yīng)力的關(guān)系。通過分析產(chǎn)品的貯存薄弱環(huán)節(jié)，利用元器件激活能參數(shù)統(tǒng)計預(yù)估產(chǎn)品在不同應(yīng)力下加速系數(shù)，建立產(chǎn)品加速模型。

3.1 激活能的獲取

以半導(dǎo)體元器件為例，元件晶體中晶格點陣上一個原子“躍遷”時所需要的能量即為激活能（相對于整機產(chǎn)品，激活能是以應(yīng)力疊加方式施加至產(chǎn)品導(dǎo)致失效的能量）。激活能越小，越容易失效，反之則越大[4]?！峨娮釉O(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中給出了各種硅半導(dǎo)體器件的激活能，有助于解決軍工電子產(chǎn)品（如引信系統(tǒng)電子單機）因壽命試驗子樣少、歷史試驗信息少導(dǎo)致加速模型中未知參數(shù)評估困難的問題[5]。

工程應(yīng)用中，激活能一般通過產(chǎn)品故障模式影響分析或故障模式影響及其危害性分析完成產(chǎn)品特性分類分析得到其關(guān)／重件特性，針對關(guān)／重件使用元器件非工作失效統(tǒng)計分析獲取激活能用來代替產(chǎn)品的激活能指標開展加速試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析。

3.2 建立加速模型

《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中選擇溫度作為元器件非工作失效統(tǒng)計分析的環(huán)境應(yīng)力。因而，對于電子類單機產(chǎn)品，可選擇高溫作為加速應(yīng)力。Arrhenius加速模型作為一種典型的溫度應(yīng)力加速模型，其數(shù)學(xué)表達式為

式中 L為壽命特征量；Ea為產(chǎn)品激活能；K為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；B為待定系數(shù)。

由式（2）可以得到正常使用溫度T0相對于加速溫度Ti的加速系數(shù)：

式中 Ai為加速系數(shù)；T0為使用環(huán)境溫度；Ti為加速溫度。

如前所述，在估計加速系數(shù)時若采用失效率比值法要求輸入所有元器件的失效率，計算復(fù)雜也偏于保守，而通過式（3）的簡化，產(chǎn)品的激活能可以使用貯存薄弱環(huán)節(jié)（或元件）的激活能代替，從而確定產(chǎn)品加速系數(shù)用于加速壽命試驗設(shè)計。簡化算法的有效性可通過加速壽命試驗后的數(shù)據(jù)反推進行驗證。

3.3 試驗時間的反推

電子產(chǎn)品的可靠性指標服從指數(shù)分布，即：式中 RL為產(chǎn)品可靠性下限； T*為折合后的累計試驗時間；t為壽命指標要求值；r為關(guān)聯(lián)失效數(shù)；γ為置信度。得到了累計時間 T*后，可以利用之前得到的加速系數(shù)反推出在加速應(yīng)力下需要的試驗時間：

式中 ti為加速壽命試驗時間；ni為加速壽命試驗子樣數(shù)；Ai為加速系數(shù)；tj為常態(tài)試驗與使用時間；nj為常態(tài)試驗與使用子樣數(shù)；kj為環(huán)境因子。

根據(jù)反推出加速應(yīng)力下的試驗時間，可以進行后續(xù)的試驗設(shè)計。

3.4 典型單機加速壽命試驗

以某引信系統(tǒng)的重要單機為例，產(chǎn)品采用密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)置有微處理器、目標探測和飛行環(huán)境敏感裝置，可靠性和壽命指標要求高且研制周期短，必須通過加速壽命試驗進行驗證。加速壽命試驗設(shè)計過程如下：

3.4.1 產(chǎn)品失效模式及影響分析FME（C）A

在產(chǎn)品 FME（C）A和特性分類分析基礎(chǔ)上，首先確定產(chǎn)品的關(guān)鍵與薄弱環(huán)節(jié)。因產(chǎn)品為密封結(jié)構(gòu)電子單機，故選擇高溫作為加速應(yīng)力并選取了Arrhenius加速模型，預(yù)估產(chǎn)品激活能，據(jù)此推斷不同應(yīng)力下的加速系數(shù)。

3.4.2 極限應(yīng)力試驗

極限應(yīng)力摸底過程如下：

a）將子樣置于產(chǎn)品的設(shè)計極限溫度T，停留時間

2 h或更長，待產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定后，降至常溫并恢復(fù)4 h，進行產(chǎn)品性能、功能測試，并記錄完整；

b）第1次測試完畢，將子樣置于T+10 ℃，停留時間2 h或更長，待產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定后降至常溫并恢復(fù)4 h，進行產(chǎn)品性能、功能測試，并記錄完整；

c）以后每步增加10 ℃，重復(fù)操作步驟，直至試驗箱最高溫度或者產(chǎn)品出現(xiàn)失效（失效為不可恢復(fù)性失效），產(chǎn)品出現(xiàn)失效的溫度即為產(chǎn)品破壞上限；

d）產(chǎn)品失效后進行失效模式和機理分析，并與常溫下的失效模式和機理進行對比，確保子樣的失效機理沒有改變。

圖2 溫度極限應(yīng)力試驗

3.4.3 加速應(yīng)力量級確定

步進試驗中，應(yīng)力溫度水平的確定應(yīng)根據(jù)評估精度的需要與實際可能來綜合權(quán)衡。在沒有獲得加速因子的情況下，加速壽命試驗取 4個應(yīng)力水平。測出最高應(yīng)力溫度T4及最低應(yīng)力溫度T1后，中間兩個應(yīng)力溫度按下式確定：

3.4.4 加速貯存驗證試驗

以加速因子為基礎(chǔ)，設(shè)計單機的綜合環(huán)境應(yīng)力壽命驗證試驗剖面。單機在全壽命周期內(nèi)的貯存環(huán)境應(yīng)力包括溫度（高溫和低溫）、濕度、振動和電應(yīng)力等，因此，驗證試驗剖面應(yīng)考慮到各種環(huán)境對其壽命的影響[6]。在所有的應(yīng)力中，溫度是控制系統(tǒng)的主要貯存應(yīng)力，產(chǎn)品貯存過程中長時間經(jīng)受的是常溫應(yīng)力的作用，短時間經(jīng)受的應(yīng)力有高溫應(yīng)力、低溫應(yīng)力、振動應(yīng)力、電應(yīng)力等，將產(chǎn)品的低溫應(yīng)力、振動應(yīng)力、電應(yīng)力等進行等時間等量級模擬，得到加速后的試驗剖面，將剖面進行循環(huán)試驗，從而驗證產(chǎn)品的貯存年限。

選擇不超過單機任意組件破壞極限的溫度作為加速應(yīng)力量級，統(tǒng)計單機全壽命周期的溫度和其他應(yīng)力的分布情況（包括應(yīng)力等級和每一個應(yīng)力等級下的貯存時間），將產(chǎn)品的常溫和高溫時間依據(jù)溫度加速因子轉(zhuǎn)換為加速溫度下的試驗時間。低溫取產(chǎn)品實際貯存過程中經(jīng)受的最低溫度，統(tǒng)計產(chǎn)品平均的低溫貯存時間，在高溫加速前施加低溫，形成溫度循環(huán)的試驗剖面。

統(tǒng)計產(chǎn)品平均的高濕（即濕度接近75%RH）時間，在高溫加速的后期施加75%RH濕度應(yīng)力?？紤]到導(dǎo)彈貯存過程中的定期檢測、野外待機和運輸過程等，在試驗剖面中施加產(chǎn)品平均承受的振動、小量級沖擊和電應(yīng)力時間，獲得綜合環(huán)境的加速貯存驗證試驗剖面。將1臺單機在此剖面下進行加速貯存驗證試驗，驗證單機要求的貯存年限；在每一個循環(huán)的時間點設(shè)定檢測點，等效于定期貯存后性能檢測。

若產(chǎn)品在試驗過程中性能測試滿足技術(shù)條件要求，則說明產(chǎn)品達到規(guī)定的貯存年限，并給出產(chǎn)品的壽命。

若出現(xiàn)產(chǎn)品性能測試不滿足技術(shù)條件要求，則表明產(chǎn)品壽命達不到規(guī)定的貯存年限，則應(yīng)對性能超差產(chǎn)品進行失效分析，并據(jù)此確定相關(guān)延長產(chǎn)品貯存期的措施。

4 結(jié) 論

采用關(guān)鍵、薄弱環(huán)節(jié)激活能替代引信電子類單機產(chǎn)品激活能進行加速壽命試驗設(shè)計和評估的方法合理可行，有助于解決此類產(chǎn)品壽命與可靠性評估因研制周期緊湊、參試子樣少造成的困難。

目前，引信系統(tǒng)以及其他電氣系統(tǒng)電子產(chǎn)品已逐步應(yīng)用該方法進行單機壽命試驗設(shè)計與評估，使其具有良好的應(yīng)用前景。

[1]李久祥，劉春和. 導(dǎo)彈貯存可靠性設(shè)計應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 海潮出版社, 2001.

[2]李海波, 張正平, 黃波, 張偉. 導(dǎo)彈貯存試驗技術(shù)與貯存可靠性評估方法研究[J]. 質(zhì)量與可靠性, 2006(06).

[3]張棟, 鐘培道, 陶春虎, 雷祖圣. 失效分析[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2004.

[4]楊家鏗, 等. 電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊[S]. GJB/Z 299C-2006, 2006.

[5]楊丹，恩云飛，黃云. 電子元器件的貯存可靠性及評價技術(shù)[J]. 電子元件與材料, 2005(07): 61-64.

[6]金星, 洪延姬. 系統(tǒng)可靠性與可用性分析方法[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

Research of Accelerated Life Testing Method of Fuze System Electronic Products

Li Chen-yang
(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076)

In view of the characteristics of long life, high reliability and low test sample of the electronic class of the fuze systems, the method of the accelerated life test design and evaluation based on activation energy estimation is proposed. The results show that the method is feasible for the design and evaluation of the accelerated life test design and evaluation of the electronic products of the fuze by using the key and weak links.

Fuze system; Accelerated life testing; Reliability

引信系統(tǒng)；加速壽命試驗；可靠性

TN97

A

1004-7182(2017)01-0089-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170121

2015-10-13；

2016-09-12

李晨陽(1971-)，男, 高級工程師, 主要研究方向為引信電氣系統(tǒng)設(shè)計