一種基于溫度循環應力施加的加速壽命試驗模型應用

摘 要：市場時效性及顧客可靠性意識需求的提高促進產品質量可靠性及其量化評價要求更加迫切，加速壽命試驗日益普及，而對于戶外使用產品，溫度循環變化對產品實際影響化日趨明顯，故溫度循環加速壽命試驗的應用現極為普遍，本文旨在從實際應用方法出發，以電鎖為例，基于其指數分布特點，介紹一種適用于溫度循環應力施加的組合加速因子計算及試驗應用模型，以有效指導試驗及實現受試品的可靠性指標的評價、計算。

關鍵詞：加速因子AF；活化能Ea；Arrhenius模型；Norris-Landzberg模型；MIL-HDBK-344A的加速模型

中圖分類號：TB114.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0000-00

1加速壽命試驗ALT

在對受試品進行可靠性指標（如MTBF--平均無故障時間、MTTF--平均失效時間、R（t）—可靠度）的統計、驗證、對比時，考慮到驗證周期等因素，需要對其施加應力或增大其使用頻率，從而加速完成試驗。ALT的試驗模型設計則成為試驗結果估計有效性的決定因素，直接影響組織產品市場效益，包括上市時效、可靠度判斷。

本文以應用示例為線索，闡述基于對受試品施加溫度循環應力的組合試驗模型，包括組合模型加速因子的計算、使用，試驗統計，可靠性指標計算。

2溫度循環組合模型

2.1模型組成

受試品參數模型基于指數分布。

物理-試驗組合模型加速因子的組成成分為：

Arrhenius模型----常用溫度應力施加模型，受試品工作在恒定溫度或接近恒定溫度時， Arrhenius加速因子起主導作用，記為AF1。

Norris-Landzberg模型----根據經驗數據擬合觀察，在低頻熱循環時延長的停留時間加速了疲勞損壞，增加Norris-Landzberg加速因子，記為AF2。

MIL-HDBK-344A加速模型----熱循環中的合成退化和失效機理，增加MIL-HDBK-344A加速因子，記為AF3。

組合循環次數加速因子：AF= AF1+ AF2+ AF3。

2.2溫度循環應力參數選擇

溫度循環應力參數涉及：加速環境中最高溫度（oK）、最低溫度（oK）、溫度變化速率（oK/min），其需根據受試品預測使用環境溫度范圍等距拉寬，如圖1所示：試驗高低溫及溫度變化速率需考慮試驗設備條件。以電鎖為例，使用溫度范圍為10℃--30℃，選取試驗溫度范圍為-20℃--60℃，溫度變化取2 oK/min。

2.3加速因子計算

2.3.1 Arrhenius加速因子

公式：AF1=exp[Ea（1/Tu-1/TA）/k]

其中：k為玻爾茲曼常數（8.623*10-5eV/K）。

Ea為激活能，指使晶體原子離開平衡位置遷移到另一個新的平衡或非平衡位置所需要的能量，決定反應速率—溫度曲線的斜率因素，不同受試品激活能由試驗統計得出，如多數通信消費類取為0.67eV，工業通信類取0.8eV，半導體取0.5-0.7 eV，這里根據電鎖的經驗數據取為0.8 eV。

Tu為使用環境高溫度值，如這里電鎖取（273+30）K；TA為加速試驗環境下高溫度值，如這里電鎖取（273+60）K；因為等距拉寬，其低溫與高溫倒數差相等，Arrhenius加速因子相同。

Exp為指數計算公式。

如帶入公式計算門鎖AF1=15.77。

2.3.2 Norris-Landzberg加速因子

公式：AF2=（△TA/△Tu）1.9（fu/fA）1/3e1414（1/ Tu-1/ TA）

其中：△TA為加速環境下的熱循環溫度變化。

△Tu為使用環境下的熱循環溫度變化。

fu為使用環境熱循環頻率（cycles/day）。

fA為加速環境熱循環頻率（cycles/day）。

如帶入公式計算門鎖AF2=10.60，此為循環次數加速因子，其持續時間加速因子需在次數加速因子基礎上乘以fu/fA。

2.3.3 MIL-HDBK-344A加速因子

AF3=（KTC）A/（KTC）u= （ ΔTu+0.6）0.6[ln（Ru+2.718）]3/ （ ΔTA+0.6）0.6[ln（RA+2.718）]3

其中（KTC）u為使用環境下累計失效指數率。

（KTC）A為加速環境下累計失效指數率。

Ru為使用環境溫度變化速率（oK/min）。

RA為加速環境溫度變化速率（oK/min）。

如帶入公式計算門鎖AF3=5.53。

2.3.4組合加速因子計算

電鎖AF= AF1+ AF2+ AF3=31.9

組合持續時間加速因子：AF= AF1+ （fA/fu）AF2+ AF3=102.3。

3溫度循環加速壽命試驗實施

3.1試驗條件策劃

以電鎖為例進行溫度循環加速壽命試驗條件策劃如圖二所示。

截至循環周期：

定義NAcycle為加速壽命試驗溫度循環周期數，NUcycle為正常工作溫度循環周期數。則：

NAcycle<（NUcycle/AF=365*10/31.9=114cycle）；

故可取NAcycle=33.33cycle=100h。

工裝控制門鎖動作頻率：

fAcycle= 12S；

其中fUcycle為電鎖有效壽命動作頻次5000000；

動作頻率設備可滿足，采取試驗。

3.2 示例電鎖試驗實施

3.2.1試驗過程要求

受試電鎖數量：n=20只；

試驗機制：定時結尾，100小時；

試驗統計項目如表一所示。

表一 試驗中跟蹤統計項目

統計項目 字母代號

發生可修復故障的運行時間 tBi

可修復故障次數 rB

發生失效運行時間 tTi

發生失效數量 rT

3.2.2加速環境下可靠性指標公式代入

加速環境下故障率及平均無故障運行時間計算：

加速λAB=rB/ ；

加速 MTBFA=1/λAB；

加速環境下失效率及平均失效時間計算：

加速 λAT=rAT/（ ）；

加速 MTTFA=1/λAT；

3.2.3 換算實際使用環境可靠性指標

換算實際使用環境下故障率及平均無故障運行時間計算：

實際λB=λAB/AF；

實際 MTBF= MTBFA*AF；

換算實際使用環境下失效率及平均失效時間計算：

實際λT=λAT/AF；

實際 MTTF= MTTFA*AF；

示例門鎖同步進行開關動作ALT，其運行動作次數的可靠性指標計算同時間。

4溫度循環加速壽命試驗結論

4.1溫度循環加速壽命試驗統計

對電鎖按上述試驗策劃進行試驗，數據統計見表二所示。

4.2數據計算

代入公式3.2.3公式，如下：

時間MTBF=11105h；

次數MTBF=1038877次；

時間MTTF=66631h；

次數MTTF=6633260次；

滿足受試品既定指標。

4.3可靠度

基于指數分布加速模型可靠度計算如下：

R（t）=e-λt，

實現根據需要計算不同時間或不同次數的產品可靠度，如計算產品運行至10000小時其失效可靠度R（10000）=e-λTt=0.86，可作為產品在不同使用時間的可靠性水平評價。

5結語

目前國內多數涉及溫度的試驗都直接選擇了Arrhenius模型，而基于試驗統計，該模型主要基于試驗溫度恒定的條件，本文參考電子器件工程聯合會出具JEDEC 標準，使用Norris-Landzberg模型MIL-HDBK-344A加速模型與傳統Arrhenius模型組合使用，從試驗對可靠性參數的效果查看，更具指導性。

參考文獻

[1]ELSAYED A.ELSAYED.可靠性工程[M].第二版.北京：電子工業出版社，2013.

[2]張斌，孫麗濱，蔡玲玲.電子設備環境應力篩選試驗研究[J].計算機測量與控制，2014，22（02）：456-459.

收稿日期：2018-06-19

作者簡介：劉娜娜（1982—），女，漢族，山東青島人，本科，中級工程師，研究方向：質量可靠性工程。