CN105572498A - 一种电子产品可靠性加速试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子产品可靠性加速试验方法，属于可靠性设计、试验领域。所述方法包括首先根据所述原电子产品可靠性常规试验所得的工作应力极限预置加速试验温度变化曲线边界，并仿真计算温度加速因子，根据所述温度加速因子修改并确定初步加速试验温度应力变化曲线；其次，根据所述初步加速试验温度应力变化曲线及原电子产品可靠性常规试验的试验剖面计算振动加速因子，根据所述振动加速因子计算加速试验振动应力变化曲线，并根据所述加速试验振动应力变化曲线确定最终温度应力变化曲线，确定加速试验时间。本发明采用超产品工作应力的试验考核思路，通过适当的提高试验应力水平，缩短试验时间，对电子产品的可靠性试验进行加速，实现加速因子的多样、可控。

Description

一种电子产品可靠性加速试验方法

技术领域

本发明属于可靠性试验、设计领域，具体涉及一种电子产品可靠性加速试验方法。

背景技术

基于环境模拟的传统可靠性统计试验方法和评估技术已经不能满足可靠性要求高、更新换代速度快、研制周期短的装备研制的需要，电子设备日益加快的发展步伐也迫切需要高效率可靠性试验技术来支持，电子产品的可靠性水平也越来越高，很多产品的指标已经超过3000小时，传统的可靠性环境模拟试验已经远远不能满足现代飞机系统发展的要求。为了有效解决现代电子设备可靠性和复杂性之间的矛盾、提高可靠性试验效率、最大程度的降低电子设备全寿命周期费用，必须研究新的可靠性试验技术和方法，可靠性加速试验就是为了接受可靠性这种挑战应运而生的一项新技术。

在传统的可靠性工程中，电子设备的寿命被认为是“无限”的(即远远大于设备的服役期)，同时认为电子设备的故障是随机“偶然”发生的、是不可预知的，因此只要故障发生在规定的故障数之内，就认为满足要求，而不必追溯故障发生的根源。这种认识只有在产品集合上、在统计意义上可以近似成立。显然，根据传统可靠性理念，故障是随机发生的，无法追究其根源和加速关系，也就无法进行加速性质的试验。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种能在保持产品失效机理不变的基础上，通过适当的提高试验应力水平，缩短试验时间，对电子产品的可靠性试验进行加速，来考核产品是否达到规定的可靠性要求。

为此，本发明电子产品可靠性加速试验方法包括以下步骤：

步骤一、获取所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面，所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面包括在同一循环周期内的原温度应力变化曲线、原振动应力变化曲线、原湿度应力变化曲线以及原电应力变化曲线；

步骤二、根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面预置加速试验温度变化曲线，并计算温度加速因子，根据所述温度加速因子修改并确定初步加速试验温度应力变化曲线。

步骤三、根据所述初步加速试验温度应力变化曲线及原电子产品可靠性常规试验的试验剖面计算振动加速因子，根据所述振动加速因子计算加速试验振动应力变化曲线，并根据所述加速试验振动应力变化曲线确定最终温度应力变化曲线，确定加速试验时间。

步骤四、在所述加速试验时间内，按产品规范的要求施加加速电应力变化曲线以及加速湿度应力变化曲线。

优选的是，在所述步骤二中，所述确定初步加速试验温度变化曲线包括：

根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面预置加速试验温度变化曲线，通过所述加速试验温度变化曲线计算电子产品的多个故障点的第一首发故障循环次数，并根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面计算电子产品相同故障点的第二首发故障循环次数，对任一相同的故障点，计算所述第二故障循环次数与所述第一首发故障循环次数的比值，计算所述所有故障点的比值的第一平均值；

将所述第一平均值作为温度加速因子，计算加速试验时间，如果所述加速试验时间不在时间阈值内，则重新调整加速试验温度变化曲线，直至最终加速试验时间位于时间阈值内。

在上述方案中优选的是，所述时间阈值的上限低于所述原电子产品可靠性常规试验的试验时间。

优选的是，在所述步骤三中，所述计算加速试验振动应力变化曲线包括：

根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面内的最大振动量值及随机振动疲劳模型计算多个故障点的第一首发故障时间，根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面内的最小振动量值及随机振动疲劳模型计算多个相同故障点的第二首发故障时间，对任一相同的故障点，计算所述第二首发故障时间与所述第一首发故障时间的比值，计算所述所有故障点的比值的第二平均值；

将所述第二平均值作为振动加速因子，按照振动等效损伤公式计算加速试验的最大振动量值及最小振动量值，并确定加速试验振动应力变化曲线，所述振动等效损伤公式为：

$\frac{T_0}{T_1}={\left(\frac{W_1}{W_0}\right)}^b$

其中，T₀为原电子产品可靠性常规试验的最大或最小振动总时间，T₁为加速试验的最大或最小振动总时间，W₀为原电子产品可靠性常规试验的最大或最小振动量值，W₁为加速试验时间下的最大或最小振动量值，b为第二平均值。

在上述方案中优选的是，在所述步骤三中，根据所述加速试验振动应力变化曲线确定最终温度应力变化曲线，确定加速试验时间包括：当所述W₁超过原电子产品可靠性常规试验得出的振动应力工作极限的50％，则重新调整加速试验温度应力变化曲线，重复步骤二、三，直至确定最终温度应力变化曲线。

本发明的创新点在于，提出了综合可靠性加速试验和增长试验于一体的可靠性试验新方法体系，采用超工作应力的试验考核思路，结合产品设计特点，通过可靠性仿真模型，实现加速因子的多样、可控。通过适当的提高试验应力水平，缩短试验时间，对电子产品的可靠性试验进行加速。

本发明的优点在于：针对性的定制产品的可靠性加速增长试验综合应力条件，在不改变产品故障机理的基础上合理设置高量值的综合化应力时序，解决了可靠性产品难以试验鉴定指标的工程难题。本试验方法可以依据产品的耐应力条件和试验剖面时间对总试验时间进行控制，具有很强的依据产品特点定制剖面及工程实施性。

附图说明

图1为本发明电子产品可靠性加速试验方法的一优选实施例的流程图。

图2为图1所示实施例的原电子产品可靠性常规试验的试验剖面。

图3为图1所示实施例的电子产品可靠性加速试验的试验剖面。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

基于故障物理的可靠性理论认为“产品怎样失效”与“产品怎样工作”是同等重要的，它强调深入了解产品，研究故障发生的本源，探索故障机理。对于具体的受试产品来说，多数的“偶然”故障是由于产品中存在着潜在的设计与工艺缺陷引起的，随着时间的推移会必然发生的，是耗损型的。即对某一具体产品，其表面上看来“随机”的故障现象中，本质上是由于确定的耗损型故障机理造成的，因此故障是可以通过加大应力而快速激发的，这就为电子设备可靠性加速试验的开展提供了可能。

在进行可靠性加速试验前，必须对产品进行周密的故障物理分析工作，以确定产品的潜在故障情况，再根据该故障情况进行试验计划制定和试验方案设计。可靠性加速试验是围绕产品的故障模式与故障机理进行的，进行可靠性加速试验必须满足下面基本条件：“产品在加速试验环境条件下、在较短的时间里暴露出的故障，其故障模式与故障机理必须与产品在使用情况下、在较长的时间内暴露出的故障模式与故障机理完全一致”。只有满足这一条件，可靠性加速试验才是有效的，其验证的可靠性指标才是有意义的，如果在进行可靠性加速试验的过程中，发生故障偏离或故障漂移，一般认为这次加速试验是不成功的，根据这样的数据无法验证产品的可靠性。

基于上述理论，本发明提供了一种电子产品可靠性加速试验方法，如图1所示，主要包括以下步骤：

步骤一、获取所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面，所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面包括在同一循环周期内的原温度应力变化曲线、原振动应力变化曲线、原湿度应力变化曲线以及原电应力变化曲线；

步骤二、根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面预置加速试验温度变化曲线，并计算温度加速因子，根据所述温度加速因子修改并确定初步加速试验温度应力变化曲线。

步骤三、根据所述初步加速试验温度应力变化曲线及原电子产品可靠性常规试验的试验剖面计算振动加速因子，根据所述振动加速因子计算加速试验振动应力变化曲线，并根据所述加速试验振动应力变化曲线确定最终温度应力变化曲线，确定加速试验时间。

步骤四、在所述加速试验时间内，按产品规范的要求施加加速电应力变化曲线以及加速湿度应力变化曲线。

本实施例以无线电接口单元为具体实施例进行详细说明，其主要功能是分系统集中控制、数据处理及传输、参数存储功能、故障检测，综合数据处理功能，具备热备份功能，及后续增装设备的扩展功能。无线电接口单元的基本可靠性指标(MTBF)最低可接受值25000小时。

需要说明的是，加速试验的前提是在步骤一之前，确定无线电接口单元的参数，包括：

1)通过仿真得到典型剖面下首发故障循环数均值(用于加速系数计算)

2)在前期开展过可靠性强化试验，得到的工作应力极限为：温度：-75℃～110℃，振动：不高于20g²/Hz)。(用于确定加速试验边界条件)

加速试验的准备工作是在步骤一中，本实施例首先要获取所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面，如图2所示，从该图中，至少获得的数据为低温、高温、保温时间、温度变化率，最大振动量值、最小振动量值等等，具体数据参考图2，这里不再赘述。

本发明首先要根据图2来确定初步加速试验温度变化曲线，包括以下步骤：

根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面预置加速试验温度变化曲线，通过所述加速试验温度变化曲线计算电子产品的多个故障点的第一首发故障循环次数，并根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面计算电子产品相同故障点的第二首发故障循环次数，对任一相同的故障点，计算所述第二故障循环次数与所述第一首发故障循环次数的比值，计算所述所有故障点的比值的第一平均值；

将所述第一平均值作为温度加速因子，计算加速试验时间，如果所述加速试验时间不在时间阈值内，则重新调整加速试验温度变化曲线，直至最终加速试验时间位于时间阈值内。

本实施例中，具体的，预取低温+10℃和高温-25℃作为温度范围。本次加速试验时间按最低可接受值30000h(2143循环，即1.2倍的MTBF)进行规划，加速温度应力条件初步确定：

低温：-65℃，保温30min；

高温：85℃，保温90min；

温变率：15℃/min；

一个循环时间为140min(应重点考虑产品的测试时间)。

在预置速试验温度变化曲线后，主要步骤为：

a)以依据GJB899A的方法制定的可靠性常规试验剖面(图1)为输入条件，可靠性仿真试验得出10个潜在薄弱点。以可靠性加速试验剖面(图2)为输入计算加速温度应力条件下的平均故障首发时间，通过对正常条件下10个潜在薄弱点进行分析，计算各潜在故障点在图2条件下和1)中加速温度应力条件下的首发故障时间及加速因子，如表1所示；

表1无线电接口单元10个潜在薄弱点加速因子

b)根据潜在故障点的加速因子进行算术平均，获得产品应力损伤模型加速因子：

${\mathrm{\τ}}_V=\frac{1}{10}{\mathrm{\Σ\τ}}_{Vi}=\frac{1}{10}(4.6+7.0+7.8+4.3+7.4+4.5+4.6+4.4+4.2+4.0)=5.25$

c)加速试验时间计算：

$T_V=\frac{C_N}{{\mathrm{\τ}}_V}\×140/60=\frac{2143}{5.25}\×140/60=952.4h$

加速试验时间在时间阈值内，不需调整预置加速试验温度变化曲线，及该温度变化曲线为初步加速试验温度应力变化曲线。

需要说明的是，所述时间阈值的上限低于所述原电子产品可靠性常规试验的试验时间，一般而言，针对该实施例中所述的原电子产品可靠性常规试验的30000h的试验时间来说，加速试验的时间一般规划在500～1000h之间。

之后，如步骤三所述，需要计算加速试验振动应力变化曲线，所述计算加速试验振动应力变化曲线包括：

根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面内的最大振动量值及随机振动疲劳模型计算多个故障点的第一首发故障时间，根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面内的最小振动量值及随机振动疲劳模型计算多个相同故障点的第二首发故障时间，对任一相同的故障点，计算所述第二首发故障时间与所述第一首发故障时间的比值，计算所述所有故障点的比值的第二平均值；

将所述第二平均值作为振动加速因子，按照振动等效损伤公式计算加速试验的最大振动量值及最小振动量值，并确定加速试验振动应力变化曲线，所述振动等效损伤公式为

$\frac{T_0}{T_1}={\left(\frac{W_1}{W_0}\right)}^b$

其中，T₀为原电子产品可靠性常规试验的最大或最小振动总时间，T₁为加速试验的最大或最小振动总时间，W₀为原电子产品可靠性常规试验的最大或最小振动量值，W₁为加速试验时间下的最大或最小振动量值，b为第二平均值。

需要说明的是，所述振动疲劳模型为现有技术，公式为

$N_f=N_0{\[\frac{z_0}{z_{f}sin\left(\mathrm{\π}x\right)sin\left(\mathrm{\π}y\right)}\]}^b$

其中，N_f为器件的疲劳寿命，x和y为该器件在电路板上的位置坐标，N₀是根据标准试验确定的常数，对于随机振动，N₀＝2×10⁷，b＝6.4为疲劳强度指数，z₀和z_f由下两式确定，

$z_0=\frac{0.00022B}{ct\sqrt{L}},z_f=\frac{36.84\sqrt{{\mathrm{PSD}}_{max}}}{f_n^{1.25}}$

其中：PSD_max为随机振动的最大功率谱密度，f_n为随机振动的最小自然频率，B为器件4条边到电路板4条边的距离中的最大值，L为器件长度，t为电路板厚度，c为系数。

本实施例中，依据所述公式，首先，在图2所示的最大振动量值0.005g²/Hz及最小振动量值0.001g²/Hz下利用上面的随机振动疲劳模型分别计算产品在在振动耐久故障点损伤率为1时的前5个潜在薄弱点失效时间，假定其首发故障时间分别为t_v1、t_v2、…、t_v5以及t_v1′、t_v2′、…、t_v5′。

其次，对潜在故障点的加速因子进行算术平均，获得产品常数因子：

$b_V=\frac{1}{5}{\mathrm{\Σb}}_{Vi}=\frac{1}{5}(3.198+3.203+3.2+3.202+3.199)=3.2$

在图3中，依据试验要求，140min循环时间内前20min不施加振动，后120min施加两次3min的最大振动，与图3剖面运行30000h时间内的最大振动(0.005g²/Hz)损伤等效；其余114min施加最小振动，与图2剖面运行30000h时间内的最小振动(0.001g²/Hz)损伤等效。

之后，分别计算最大振动量值和最小振动量值，比如，最大振动量值的计算过程：

按照图2剖面，运行30000h(2143循环)最大振动总时间为12858分钟，即2143*6＝12858min(每循环6min0.005g²/Hz最大振动)；按照加速条件共有约952.4*60/140＝408个循环，最大振动量值总时间为408*6＝2448min，最大振动量值：

$W_1=0.005\×{\left(\frac{12858}{2448}\right)}^{\frac{1}{3.2}}=0.0084g^2/Hz$

同理，最小振动量值的计算过程：

按照图3剖面，运行30000h(2143循环)最小振动总时间为1530102分钟，即2143*714＝1530102min(每循环714min0.001g²/Hz最大振动)；按照加速条件共有约408个循环，最小振动量值总时间为408*114＝46512min，最小振动量值：

$W_1=0.001\×{\left(\frac{1530102}{46512}\right)}^{\frac{1}{3.2}}=0.003g^2/Hz$

在所述步骤三中，根据所述加速试验振动应力变化曲线确定最终温度应力变化曲线，确定加速试验时间包括：当所述W₁超过原可靠性强化试验得出的振动应力的最大值，本例中为0.01g2/Hz，则重新调整加速试验温度应力变化曲线，重复步骤二、三，直至确定最终温度应力变化曲线，本实施例中，振动边界值20g²/Hz，可以看出，经过上述步骤确定的图3即为本发明最终温度应力变化曲线，同时，也是最终的振动应力变化曲线，据图3，可以确定加速试验时间为140分钟。

然后，在所述加速试验时间内，按产品规范的要求施加加速电应力变化曲线以及加速湿度应力变化曲线。比如电应力变化曲线的确定为，在低温保持结束前进行通电，高温保持结束时断电，(除低温不通电阶段外连续施加振动，在测试时施加3min高量值振动W1，其余时间施加按照上式计算出的低量值振动)，具体如图3所示。

最后按图3剖面的试验条件，本产品完成952.4小时试验，全程未出现责任故障。依据899A中的定时截尾试验抽验方案(使用方风险β＝30％的定时试验方案30-1)，在试验进行至1.2倍的MTBF，即30000小时的等效试验时间952.4小时时试验结束，故障数为零，可以认为该产品以70％的置信度确定产品的MTBF已达到25000小时。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种电子产品可靠性加速试验方法，其特征在于：包括：

步骤一、获取所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面，所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面包括在同一循环周期内的原温度应力变化曲线、原振动应力变化曲线、原湿度应力变化曲线以及原电应力变化曲线；

步骤二、根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面预置加速试验温度变化曲线，并计算温度加速因子，根据所述温度加速因子修改并确定初步加速试验温度应力变化曲线。

步骤三、根据所述初步加速试验温度应力变化曲线及原电子产品可靠性常规试验的试验剖面计算振动加速因子，根据所述振动加速因子计算加速试验振动应力变化曲线，并根据所述加速试验振动应力变化曲线确定最终温度应力变化曲线，确定加速试验时间。

步骤四、在所述加速试验时间内，按产品规范的要求施加加速电应力变化曲线以及加速湿度应力变化曲线。

2.如权利要求1所述的电子产品可靠性加速试验方法，其特征在于：在所述步骤二中，所述确定初步加速试验温度变化曲线包括：

根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面预置加速试验温度变化曲线，通过所述加速试验温度变化曲线计算电子产品的多个故障点的第一首发故障循环次数，并根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面计算电子产品相同故障点的第二首发故障循环次数，对任一相同的故障点，计算所述第二故障循环次数与所述第一首发故障循环次数的比值，计算所述所有故障点的比值的第一平均值；

将所述第一平均值作为温度加速因子，计算加速试验时间，如果所述加速试验时间不在时间阈值内，则重新调整加速试验温度变化曲线，直至最终加速试验时间位于时间阈值内。

3.如权利要求2所述的电子产品可靠性加速试验方法，其特征在于：所述时间阈值的上限低于所述原电子产品可靠性常规试验的试验时间。

4.如权利要求1所述的电子产品可靠性加速试验方法，其特征在于：在所述步骤三中，所述计算加速试验振动应力变化曲线包括：

根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面内的最大振动量值及随机振动疲劳模型计算多个故障点的第一首发故障时间，根据所述原电子产品可靠性常规试验的试验剖面内的最小振动量值及随机振动疲劳模型计算多个相同故障点的第二首发故障时间，对任一相同的故障点，计算所述第二首发故障时间与所述第一首发故障时间的比值，计算所述所有故障点的比值的第二平均值；

将所述第二平均值作为振动加速因子，按照振动等效损伤公式计算加速试验的最大振动量值及最小振动量值，并确定加速试验振动应力变化曲线，所述振动等效损伤公式为：

$\frac{T_0}{T_1}={\left(\frac{W_1}{W_0}\right)}^b$

其中，T₀为原电子产品可靠性常规试验的最大或最小振动总时间，T₁为加速试验的最大或最小振动总时间，W₀为原电子产品可靠性常规试验的最大或最小振动量值，W₁为加速试验时间下的最大或最小振动量值，b为第二平均值。

5.如权利要求4所述的电子产品可靠性加速试验方法，其特征在于：在所述步骤三中，根据所述加速试验振动应力变化曲线确定最终温度应力变化曲线，确定加速试验时间包括：当所述W₁超过原电子产品可靠性常规试验得出的振动应力工作极限的50％，则重新调整加速试验温度应力变化曲线，重复步骤二、三，直至确定最终温度应力变化曲线。