彈載激光探測器加速壽命試驗與評估研究

周小燕,梁晨宇,姜 超,錢 煜,孔繁林,袁 鎏,路小龍,郭雨航

(西南技術(shù)物理研究所,四川 成都 610041)

1 引 言

彈載激光探測器的主要作用是將探測到目標(biāo)反射的激光信號轉(zhuǎn)化成電信號,供系統(tǒng)后續(xù)電路處理目標(biāo)的位置信息或距離信息,隨著作戰(zhàn)任務(wù)的結(jié)束而消亡。是系統(tǒng)的核心器件。其質(zhì)量可靠性指標(biāo)是智能彈藥系統(tǒng)質(zhì)量可靠性保障不可缺少的環(huán)節(jié)之一。對于彈載激光探測器“長期貯存、一次使用”的壽命特點,若采用常規(guī)方法,在正常應(yīng)力下,長期跟蹤產(chǎn)品貯存過程中的性能參數(shù)的變化情況,才能確定產(chǎn)品的貯存壽命規(guī)律。不僅需要消耗大量的人力、物力和時間,實際上長期跟蹤難以實現(xiàn)；且隨著光電技術(shù)的迅速發(fā)展,產(chǎn)品升級換代較為頻繁,新的替代產(chǎn)品已投入使用,同類產(chǎn)品貯存數(shù)據(jù)的可參考性受到影響。由于缺乏光電探測器貯存壽命規(guī)律的相關(guān)數(shù)據(jù),不僅影響系統(tǒng)的定壽和延壽工作,而且增加了裝備的使用風(fēng)險。

解決這一矛盾的行之有效的方法就是開展加速壽命試驗,采用加速壽命試驗的方法,獲得貯存特征參數(shù)的變化規(guī)律,通過統(tǒng)計分析等科學(xué)方法評估激光探測器的貯存壽命,為系統(tǒng)的定壽和延壽提供數(shù)據(jù)支持。

2 概 述

從1957年Levenbach發(fā)表“電容器的加速壽命試驗”開始,尤其是20世紀(jì)70年代以來,加速壽命試驗在加速模型的研究、統(tǒng)計推斷方法方面取得了長足的進(jìn)展,并在推斷電子、機(jī)械等材料和器件的使用或貯存壽命方面,發(fā)揮了重要作用。多種產(chǎn)品經(jīng)歷了研制—使用—改進(jìn)的過程,其貯存可靠性不斷提高,貯存壽命一再延長。

我國在貯存壽命方面也開展了一系列工作,各類彈藥從20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行現(xiàn)場貯存試驗,獲得了大量的貯存性能與貯存壽命數(shù)據(jù),為現(xiàn)役導(dǎo)彈的可靠使用及后續(xù)導(dǎo)彈設(shè)計積累了大量信息。電子五所曾對近萬只元器件在北京、桂林等地長期貯存試驗,估算出國產(chǎn)一般半導(dǎo)體器件的貯存壽命可達(dá)14年或14年以上。

本文研究的激光探測器主要應(yīng)用于智能彈藥領(lǐng)域,具有“長期貯存、一次使用”的特點,隨著作戰(zhàn)任務(wù)的結(jié)束而消亡。一般情況下,貯存壽命要求不小于12年。

評估長壽命高可靠產(chǎn)品的貯存壽命需要的試驗時間長、費用高。文獻(xiàn)[1]指出加速壽命試驗是解決壽命較長的產(chǎn)品壽命評估的有效途徑。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺乏和鮮有相關(guān)研究報道,本文研究適用于激光探測器的加速壽命試驗設(shè)計方法,分析敏感應(yīng)力、安全加速應(yīng)力、應(yīng)力敏感參數(shù)、試驗剖面等[2-4],以及加速壽命試驗數(shù)據(jù)分析和處理的步驟和方法。關(guān)于激光探測器,文獻(xiàn)[5]、[6]指出光電探測器的退化以暗電流增加為主要特征,文獻(xiàn)[6]給出了硅雪崩光電探測器加速工作壽命試驗的試驗方案及實施的思路和方法,文獻(xiàn)[7]對彈用激光探測器交付安裝后的失效模式和影響進(jìn)行分析,文獻(xiàn)[8]、[9]開展了探測器壽命試驗測試方法等研究,為激光探測器貯存壽命評估研究提供重要的參考價值。

3 激光探測器加速貯存壽命試驗方案

3.1 試驗原理

加速壽命試驗是在不改變失效機(jī)理的前提下,采用加大應(yīng)力的方式來縮短試驗時間的一種壽命試驗方法。加大應(yīng)力促使樣品在較短的時間內(nèi)失效,利用高應(yīng)力水平下的壽命特征外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征,從而評估出正常貯存條件下的貯存壽命。

3.2 加速應(yīng)力

激光探測器貯存過程中受到的應(yīng)力有溫度、濕度、振動和電應(yīng)力。振動應(yīng)力主要來自于轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的運(yùn)輸振動,電應(yīng)力主要來自于產(chǎn)品的定期檢測,這兩種應(yīng)力微乎其微,可以忽略不計。因此貯存過程中受到的主要應(yīng)力是溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力。濕度應(yīng)力主要是外觀銹蝕、影響其引腳的可焊性,以及密封失效時,影響探測器內(nèi)部芯片的工作氣氛,使得性能惡化。由于彈載激光探測器均為氣密封裝器件,其漏率規(guī)定不大于1×10-2Pa·cm-3/s。由于工藝技術(shù)水平的提高,庫房正常存放10年的激光探測器漏率滿足規(guī)定的要求,所以濕度應(yīng)力不是影響其貯存壽命的主要應(yīng)力。

綜上所述,影響氣密封裝的激光探測器貯存壽命的主要應(yīng)力是溫度應(yīng)力。

在進(jìn)行加速壽命試驗方案設(shè)計時,采用綜合應(yīng)力會加快性能參數(shù)的變化過程,但是引入過多應(yīng)力會給試驗實施和數(shù)學(xué)建模帶來較大困難,綜合以上分析,對激光探測器貯存壽命的加速試驗設(shè)計,以溫度為加速應(yīng)力。

3.3 加速模型

以溫度為加速應(yīng)力時,常用阿倫尼斯模型描述產(chǎn)品內(nèi)部物理化學(xué)變化過程與溫度間關(guān)系,其特征壽命與溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

ξ=AeEa/KT

(1)

其中,ξ為壽命特征參數(shù),如中位壽命、平均壽命等；A為常數(shù),由試驗確定,且A>0；Ea為激活能,與材料有關(guān),單位是eV；K為玻爾茲曼常數(shù)8.617×10-5eV/K；T為熱力學(xué)溫度，K。

從式(1)可以看出,溫度升高,特征壽命減小,即失效過程被加速,溫度T1相對于溫度T0的加速系數(shù)見式:。

(2)

3.4 應(yīng)力水平

綜合效費比,一般情況下,采用三個應(yīng)力水平進(jìn)行加速壽命試驗。在保證失效機(jī)理不變的情況下,盡可能的選取最高的溫度,最高溫度受工藝用主料和輔料、以及工藝制程的限制。

一般來說,激光探測器產(chǎn)品規(guī)范中規(guī)定85 ℃為最高貯存溫度,考慮工藝因素,推薦三個加速應(yīng)力水平:90～100 ℃、100～110 ℃、120 ℃。

3.5 應(yīng)力施加方式

應(yīng)力施加方式有恒定應(yīng)力、序進(jìn)應(yīng)力和步進(jìn)應(yīng)力三種方式,一般情況下,樣品數(shù)量充足、試驗設(shè)備充分的條件下,優(yōu)先采用恒定應(yīng)力加速壽命試驗。激光探測器為長壽命高可靠產(chǎn)品,為提高試驗效率,可采用步進(jìn)應(yīng)力步降施加方式進(jìn)行加速試驗[10]。

3.6 試驗時間

在試驗時間設(shè)計上,按照高應(yīng)力下試驗時間短、低應(yīng)力下試驗時間長的原則,定時截尾和定數(shù)截尾相結(jié)合的方式進(jìn)行,每個應(yīng)力下試驗時間不小于2000 h或出現(xiàn)不少于3只樣品失效,轉(zhuǎn)入下一階段的試驗。

3.7 樣本量

樣品數(shù)量為不小于10只。

3.8 測試要求

根據(jù)GJB548B-2005規(guī)定,并結(jié)合實際情況,設(shè)計測試間隔時間為(200±40)h,測試為常溫測試。

激光探測器的敏感參數(shù)為暗噪聲和響應(yīng)度,為全面檢測樣品性能的變化情況,加速壽命試驗過程中中間測試的參數(shù)包括:響應(yīng)度、暗噪聲等技術(shù)規(guī)范規(guī)定的光電參數(shù)。

3.9 失效判據(jù)

不滿足產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)要求或變化率大于30 %,則判定不合格。

4 加速壽命試驗數(shù)據(jù)分析與處理方法

4.1 壽命分布類型

激光探測器屬于半導(dǎo)體光電子器件,具有高可靠性長壽命特點,壽命一般服從指數(shù)分布。本文假設(shè)激光探測器貯存壽命分布為指數(shù)分布,后續(xù)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)檢驗,驗證貯存壽命分布類型檢驗?zāi)芊裢ㄟ^。

4.2 確定特征參數(shù)

由于試驗方案采用步進(jìn)應(yīng)力步降施加方式,除了最高試驗應(yīng)力,其他應(yīng)力下的試驗數(shù)據(jù)為非全壽命試驗數(shù)據(jù),不能直接用于計算,為求解加速模型的參數(shù),采用極大似然法。極大似然法是一種非常重要的加速壽命試驗數(shù)據(jù)分析方法,由于極大似然法無法直接得到顯示解,需借助數(shù)值計算求得未知參數(shù)。

求解加速模型特征參數(shù)的步驟如下:

1) 試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

基于Nelson累積失效假定,在應(yīng)力Ti下工作ti時間,相當(dāng)于在應(yīng)力Tj下工作tj時間:

λiti=λjtj

(3)

(4)

(5)

(6)

2)建立似然方程

似然函數(shù)見式(7)～式(10)。

l(λ1,λ2,…,λk)=

(7)

(8)

(9)

(10)

3) 求解加速模型參數(shù)

將加速模型作如下變換,如式(11)所示:

ln(θ)=a+b/T

(11)

λ=1/θ

(12)

式中,θ為平均壽命；a,b為待估系數(shù)；T為溫度應(yīng)力,熱力學(xué)溫度；λ為失效率。

將式(11)和式(12)代入式(7),可采用牛頓法和模擬退火法對似然函數(shù)進(jìn)行綜合最優(yōu)化數(shù)值計算,得到a、b。

4.3 計算加速因子

將a、b代入式(11)求出溫度T下的平均壽命θ,T1對T0的加速因子為:

AF=θ0/θ1

(13)

4.4 壽命分布類型檢驗

指數(shù)分布檢驗采用χ2檢驗法。如果原假設(shè)H0:λ(t)=λ(常數(shù))成立,則檢驗函數(shù)為:

(14)

式中,T(t(i))為在t(i)失效時刻前的累積總試驗時間；T*為總試驗時間；r為失效數(shù)。

如果顯著性水平為α,即:

(15)

則拒絕H0,即認(rèn)為不服從指數(shù)分布。

激光探測器最高加速應(yīng)力下的全壽命試驗數(shù)據(jù)可直接采用χ2檢驗法進(jìn)行指數(shù)分布檢驗；同時,基于加速因子,可將三個應(yīng)力下的試驗數(shù)據(jù)折合到某一應(yīng)力下(折合原理見圖1),再進(jìn)行指數(shù)分布檢驗。

圖1 試驗數(shù)據(jù)折合方法

如果能通過指數(shù)分布檢驗,表明貯存壽命服從指數(shù)分布,且加速壽命試驗未改變產(chǎn)品失效機(jī)理[11]。否則表示壽命分布不服從指數(shù)分布或加速壽命試驗改變了產(chǎn)品失效機(jī)理。

4.5 貯存壽命評估

激光探測器貯存壽命一般指正常貯存溫度25 ℃下的壽命。評估時,基于加速因子將試驗數(shù)據(jù)折合到25 ℃下,再根據(jù)式(16)[12]計算25 ℃下可靠壽命單側(cè)置信下限:

(16)

式中,R為可靠度；tL(R)為可靠壽命置信下限；T為累積試驗時間；1-α為置信度；r為失效數(shù)。

若tL(R)≥指標(biāo)要求,則表明產(chǎn)品貯存壽命能夠滿足系統(tǒng)要求。

5 結(jié) 論

本文研究了彈載激光探測器的加速壽命試驗與壽命評估方法,提出了加速試驗方案中應(yīng)力水平、應(yīng)力施加方式、試驗時間等因素設(shè)計準(zhǔn)則,為激光探測器加速貯存壽命試驗設(shè)計提供了依據(jù)?；跇O大似然法、加速模型、數(shù)值分析等,給出了彈載激光探測器加速壽命試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的系統(tǒng)方法,實現(xiàn)了加速模型參數(shù)估計和可靠貯存壽命評估,為智能彈藥系統(tǒng)的可靠性、維修性和保障性提供數(shù)據(jù)支持,對同類激光探測器貯存壽命評估方法研究具有重要的參考價值。