可靠性強化試驗技術在平板電視電源模塊研發中的應用

尚彥波

（四川長虹電器股份有限公司可靠性技術中心，綿陽 621000）

可靠性強化試驗技術在平板電視電源模塊研發中的應用

尚彥波

（四川長虹電器股份有限公司可靠性技術中心，綿陽 621000）

簡要介紹了可靠性強化試驗技術原理與特點，總結了其在平板電視電源模塊研發階段中的應用方法，著重闡述了試驗過程和五個類型的試驗剖面；引述了激發應力范圍的統計學方法，并給出了部分產品應用實施可靠性強化試驗技術的典型案例，說明其在激發暴露產品設計、工藝缺陷等方面的突出效果。

可靠性強化試驗；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成主要包括機芯板、屏模組和電源模塊，系統為串聯可靠性模型。

根據串聯系統可靠性模型，系統的失效率水平λ：

因此，電源模塊的失效率水平對整機產品影響較大。根據對若干機型的可靠性指標進行預計分析，電源模塊的可靠性指標約占系統可靠性指標的三分之一，比如對于MTBF門限值是15000小時的平板電視產品而言，電源模塊的可靠性指標考核值要達到45000小時。按傳統的可靠性鑒定試驗方法對電源模塊的可靠性指標進行鑒定，需要耗費4.3倍的MTBF門限值，約等于193500小時。意味著269個電源產品連續工作一個月的時間，若發生關聯故障的數量小于等于2才能判斷產品滿足設計要求。這么長時間的試驗，費用和時間的消耗將十分巨大，對于研發周期及成本強約束的家電產品而言幾乎是不可接受的，必須要研究解決產品可靠性增長與成本和周期嚴格限制的突出矛盾。

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

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

本文重點就平板電視電源模塊應用可靠性強化試驗技術的經驗展開論述，詳細闡述可靠性強化試驗技術原理，在電源模塊中應用可靠性強化試驗技術需要解決的關鍵技術指標，包括試驗剖面的參數取值，激發應力范圍等，重點介紹了激發暴露的兩個典型產品設計缺陷以及設計上采取的解決措施等，以期拋磚引玉引起廣大設計人員共鳴，進一步轉變理念由傳統的過與不過的研發試驗思想轉變為主動找問題的設計思想，共同推動可靠性強化試驗技術在公司乃至于行業內更大范圍產品領域的推廣應用，帶動產品可靠性水平持續提升，創造更大的價值。

1 理論依據

可靠性強化試驗技術的主要理論依據是依據載荷-強度干涉模型及材料的疲勞損傷累積原理。

1.1 載荷-強度干涉模型

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

1.2 疲勞損傷理論

可靠性強化試驗技術采用溫度、振動、溫變、電壓等作為強化應力，應力作用在產品上累積的疲勞損傷與應力的關系遵從Miner法則：

其中ni為載荷量級為Si下施加的次數，Ni為與之對應的達到疲勞破壞的應力循環次數。其中Si、Ni對應關系可根據材料的疲勞S-N曲線得知。

由于缺陷導致的局部應力集中，疲勞損傷會加速累積，通常缺陷引起的應力集中系數可達到2或3，因而可使疲勞壽命降低幾個數量級，加速產品缺陷的暴露。

疲勞S-N曲線關系如下：

式中：d是累積疲勞損傷；N為應力循環的次數；S是應力水平，β是材料常數，對于電子產品β一般取10。

圖1 載荷-強度干涉原理

圖2 產品強度衰減

圖3 增強環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，縱軸是應力量級，橫軸是疲勞循環的次數。在給定的應力量級下，都可以在材料的疲勞S-N曲線上求得產品的疲勞壽命次數。如當應力S為40KSI時，產品的疲勞壽命次數為2×106，而當應力增大至60KSI時，產品的疲勞壽命次數縮短至4×104 ，即應力提高了1.5倍時，產品的疲勞壽命縮短至原來的1/50，可見通過提高載荷應力能夠大幅度縮短產品疲勞壽命。

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

2 可靠性強化試驗技術在電源模塊研發階段中的應用

2.1 試驗剖面

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

1）低溫步進應力試驗

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

2）高溫步進應力試驗

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

3）快速溫變應力試驗

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

4）振動步進應力試驗

試驗開始于4 Grms ，振動步進步長為4Grms，每個振動量值保持10min，最大振動量級為32Grms，當振動量級達到20Grms時，增加一個4Grms的擾動振動。

5） 振動步進應力試驗

低溫應力點為-32℃，高溫應力點為+92℃，作為快速溫變應力試驗的上下限溫度值，循環次數為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 ，振動步進步長為6Grms，每個振動量值保持10min，最大振動量級為28Grms，當振動量級達到20Grms時，增加一個4Grms的擾動振動。

2.2 激發應力范圍

國外的HALT技術方法強調要找出產品的工作極限和破壞極限。產品的工作極限定義為產品不能正常工作的溫度或振動應力量值，當應力撤消后產品還能夠恢復到正常工作狀態；破壞極限定義為當應力撤消后，產品仍然無法恢復至正常工作狀態的應力量值。產品的工作極限和破壞極限的分布狀態如圖5所示。

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

圖5 產品的工作極限和破壞極限

一般產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有關經驗，工程上可以粗略地判定產品的工作極限和破壞極限近似為正

態分布，并將產品的各類極限劃定為圖6所示的狀態，在外場對產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，將該部分區域稱之為故障分布危險區，是必須要采取糾正解決措施的激發應力范圍，而超出部分則不強求采取糾正措施。

按上述的正態分布的假設以及規劃激發應力區間的想法，設定幾種標注差σ范圍以及標準差量值，對比分析不同的參數取值得到的激發應力量值，如表1所示。

圖6 溫度應力激發量值規劃圖

圖7 電源紋波波形

圖6中溫度應力激發量級范圍取值為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，達到了0.135%，對于百萬量級的產品而言，遺留缺陷的風險比例還是太高了，而取值達到 6σ，對產品成本要求又過高。綜合衡量4σ取值對于家電類產品而言是較為合理的，根據實際經驗，這樣的處理方法既能夠保證充分激發暴露產品設計缺陷，又能夠更好地節約試驗成本，提高試驗效率，綜合衡量激發應力的取值范圍與家電類產品的實際特點（市場競爭、利潤率）相符合；當然在利潤率較高，可靠性要求更高的通訊產品，采用6σ的激發應力范圍，效果也許更佳。

2.3 典型案例分析

下面列舉幾個典型案例，說明可靠性強化試驗激發暴露產品缺陷的效果。

2.3.1 電容器潛在缺陷

故障現象：在低溫-32℃應力下，某型號PDP電視無法開機工作。

原因分析：采用排除法分析判定PDP電視無法開機的原因是由于電源模塊無法工作導致。進一步分析發現電源板中原國產某型號的C325和C353濾波電容，低溫下ESR（等效串聯阻抗）迅速增大，導致電源紋波電壓過大，不能滿足主板供電要求。在低溫-32℃應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，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，發現后者紋波很小，電容器的低溫特性要優異很多。進一步對比國產電容器與國外一線品牌的

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

表1 HALT試驗激發應力范圍取值方法

-20℃開始，國產電容器的ESR急劇增大，而日本紅寶石電容器沒有顯著變化，兩者雖然在自然環境溫度下容值相當，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格書，就確認參數、性能、可靠性是一致性的。建議設計師充分考察了解器件的各種參數特性，在與供應商家簽訂技術協議時，了解器件的各種參數性能與溫度、濕度、電壓等環境載荷應力之間的關系，做到心中有數，方能保證良好的產品設計。

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計缺陷。

2.3.2 電源模塊的參數設計缺陷

故障現象：某液晶電視在高溫應力+65℃下工作時，出現黑屏故障。

原因分析：經分析該液晶電視的電源模塊在+65℃應力下工作時出現過流保護，高溫應力激發作用下大電解電容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置偏小。

糾正措施：原電路中的限流點設置為原邊峰值電流2.6A，穩態工

圖8 更換電容后的紋波波形

圖9 某國產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，可靠性強化試驗能夠激發暴露出產品設計中潛藏較深的設計缺陷，也能夠激發暴露元器件自身不可靠的各種因素。

3 結束語

大量的實踐經驗證實可靠性強化試驗技術是提高電子產品可靠性的強有力手段，能夠在較短時間內實現產品可靠性水平快速增長，非常適用于成本和周期嚴格約束的家用電子產品，在行業內具有廣闊的應用推廣價值。此外，可靠性強化試驗對于提升設計師自身理論修養，對增進產品的認知和了解都有積極的作用，值得設計師和可靠性工程師們努力增強工程實踐，挖掘其在節約產品成本，提高研發效率等方面的潛藏價值。

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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，從事環境與可靠性試驗技術研究與應用。

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