加速可靠性試驗方法研究

施成

（中國電科芯片技術研究院，重慶 400060）

引言

近年來，我國越來越重視武器裝備的發展，其“貯存周期長、一次性使用”的特點，要求元器件、材料、結構、工藝設計等方面具有穩定的貯存可靠性，相關方面明確要求重點型號電子元器件必須滿足“15~32 年”的貯存壽命要求。用傳統的可靠性試驗對此類產品進行可靠性評估和壽命預測會耗費大量的財力和精力，且在工程上實現也有一定挑戰，為了解決這一問題，研究者們提出了加速可靠性試驗。

國家軍用標準GJB 451-90《可靠性維修性術語》給出了可關于靠性加速試驗的定義，加速可靠性試驗是一種為了縮短產品試驗時間而采用比產品在正常使用環境更加嚴酷的試驗環境的試驗。加速可靠性試驗可以幫助制造商預測產品在使用壽命內的故障率，進而確定所需的保修期限、維修計劃和相關成本。進行加速可靠性試驗的主要原因是產品的使用壽命一般較長。在實際使用中，許多產品需要處理復雜的環境條件，如高溫、低溫、潮濕、振動、電磁干擾等，這些因素都會對產品的可靠性產生影響，導致故障率增加。通過加速試驗，可以在相對較短的時間內模擬出產品在正常使用壽命內所經歷的各種環境條件，從而獲取產品在不同情況下的可靠性數據，為設計改進、故障分析和生產決策提供依據。同時，加速試驗還可以在產品上市前，通過對產品的可靠性進行嚴格測試，避免因產品故障導致的用戶投訴和損失，保證產品質量和可靠性。

綜上所述，加速可靠性試驗的研究有著重要的意義，加速可靠性試驗主要有加速壽命試驗[1-3]（Accelerated Life Testing，ALT）、可靠性強化試驗[4,5]（Reliability Enhancement Testing，RET）和加速退化試驗[6]（Accelerated Degradation Test，ADT）。下面就加速試驗模型和三種加速可靠性試驗進行闡述。

1 加速試驗模型

加速試驗[7]可在更短時間內查明產品的失效原因，通過收集的失效數據快速評定產品的可靠性指標。加速模型[8]是一種通過放大某些物理過程的影響來研究這些過程的實驗模型。加速因子指的是用來對物理過程進行加速的工具，如微波、強磁場等。而加速試驗是指利用加速模型和加速因子進行的試驗。一般來說，加速因子越強，就能達到更高的加速效果，但同時也會產生更多的副作用和誤差。通過對加速模型和加速因子的選擇和優化，可以獲得更準確的實驗結果。在加速試驗領域，有幾種常見的加速模型，如阿倫尼斯（Arrhenius）模型、逆冪率（Coffin-Manson）模型、單應力艾林（Eyring）模型和廣義艾林（Eyring）模型。以下為幾種結合具體試驗應力的加速模型及其相關因子，如表1 所示。

表 2HALT 與HASS 對比

2 加速可靠性試驗方法

2.1 加速壽命試驗（ALT）

加速壽命試驗是一種統計試驗，是通過加大外部應力使產品在更短時間內失效，收集產品壽命與應力之間的關系數據來構建模型，然后根據模型來推測產品在正常應力水平下的壽命特點，這整個過程中產品的失效機理是不變的。由于 ALT 可以在不進行完整壽命測試的情況下對產品進行壽命估計，因此它是一種非常節省成本的方法。ALT 可以分為兩個主要的領域:定性和定量ALT。定性ALT 可以實現故障識別和失效模式的識別，而定量ALT 可以實現對產品壽命的推斷，具體可表現為產品的壽命特性，如平均無故障時間。按照施加試驗應力的差異，加速壽命試驗一般可分為恒定應力試驗[9]、步進應力試驗[10]和序進應力試驗[11]。如圖1 所示。

圖1 應力-時間關系圖

2.1.1 恒定應力加速壽命試驗

所施加的應力為一恒定值的試驗為恒定應力試驗，如圖1（a）所示。恒定應力試驗模型成熟，設備相對簡單，試驗條件容易實現，試驗結果的誤差也較小。但也有著試驗所需試樣多，試驗時間較長的缺點。恒定應力試驗應用廣泛，在試驗設計及實施時，一般首先會進行試驗應力的選擇，然后確定測量參數、每種應力的最高和最低水平及其間隔、各組應力水平下的試驗樣品數、應力水平級差、確定試驗時間、確定試驗周期、失效判據，最后對試驗數據進行整理分析。

2.1.2 步進應力加速壽命試驗

所施加的應力按一定時間間隔階梯式地增加的試驗為步進應力試驗，如圖1（b）所示。步進應力試驗可以通過短時間內試樣的失效，在保證試樣安全的前提下分析確定可承受的極限水平，從而掌握產品的失效模式和失效機理。其可取之處是試驗所用樣品數量較少，試驗周期短。但是試驗結果誤差較大，試驗數據的統計分析較為困難。

2.1.3 序進應力加速壽命試驗

所施加的應力按時間等速增加的試驗為步進應力試驗，如圖1（c）所示。該試驗效率最高，但是試驗裝置價格昂貴，需要專門的裝置產生符合要求的加速應力，相關研究和應用較少。

2.2 可靠性強化試驗（RET）

可靠性強化試驗包括高加速應力篩選[12]（Highly Accelerated Stress Screening，HASS）和高加速壽命試驗[13]（Highly Accelerated Life Testing，HALT）。對生產商來說，當一種新產品被設計和制造時，產品總希望被認為是可靠性高的，這也就意味著產品能夠抵抗由一系列已識別的壓力引起的故障，并且制造過程中生產的產品沒有缺陷。制造產品的失效一般可分為三種類型：工藝或材料缺陷等導致的早期失效，由于產品的“強度”相對于外部壓力來說太弱而導致的隨機失效，以及由于產品長期服役產生的老化失效。高加速壽命測試（HALT）旨在減輕后兩種失效，而高加速應力篩選 （HASS）旨在減輕第一種失效。圖2 顯示了一個“浴盆”曲線，表示失效率作為時間的函數。

圖2 浴盆曲線

2.2.1 高加速壽命試驗（HALT）

HALT 是一種用于評估產品可靠性和耐久性的測試方法，旨在通過短時間內對產品進行極限環境條件下的測試，加速潛在故障的產生和產品失效的過程，幫助發現和解決產品設計和制造中的潛在問題。HALT 測試通常包括環境壓力梯度測試、振動測試、溫度極限測試和功能極限測試。通過HALT 測試，制造商可以在產品開發的早期階段發現和解決潛在的設計或制造缺陷，改進產品的可靠性和耐久性，并提高產品在實際使用環境中的表現。HALT 本質上是一個 TAAF 循環迭代過程，其試驗、分析、改進流程圖如圖3 所示。

圖3 試驗、分析、改進流程圖

2.2.2 高加速應力篩選（HALT）

HASS 是一種用于篩選產品可靠性和缺陷的測試方法。HASS 測試通常包括確定應力界限、施加應力、監測和篩選。HASS 測試的目的是提前發現和排除產品制造過程中的潛在缺陷，以提高產品質量和可靠性。通過施加高強度的環境應力，HASS 可以幫助制造商篩選出在實際使用環境中可能出現問題的產品，并采取相應的措施來改進設計、制造和組裝流程，以確保交付給客戶的產品質量符合要求。HALT 與HASS 均為可靠性強化試驗，但是也有一些明顯的區別。如表2 所示。

2.3 加速退化試驗（ADT）

ADT 與其他加速可靠性試驗原理大致相同，不同的是ADT 主要是通過收集產品超出常規應力水平下的有關性能退化的數據去推導和預估一般水平下產品的壽命特點。ADT 是 ALT 的替代方案，在 ALT 中，產品在各種環境條件下進行測試，收集的數據要么是項目失敗的時間，要么是測試結束的時間點(審查時間)。 相比之下，ADT 更關注的是導致物品隨時間退化、導致故障的實際物理過程。ADT 通常將失效定義為硬失效或軟失效。在硬失效的狀態下產品會停止工作，而在軟失效的狀態下，產品性能降低至某個定義的閾值。大多數 ADT 應用程序在測試中使用軟失效。對于高可靠性的項目，在正常使用條件下觀察到的退化率將非常低，以至于項目在測試過程中幾乎不會出現退化。通過在加速條件下對產品進行測試，增加產品性能下降的概率，可以更好地收集退化數據。ADT 與ALT 明顯的區別如表3 所示。

表3 ADT 與ALT 對比

3 結束語

本文主要介紹了幾種加速壽命方法及其相互關系，ALT 的目標是收集能夠預測產品使用壽命的數據，為估計或預測可靠性提供了定量數據。HALT 的目標是強制失敗，以便識別和糾正產品設計中的弱點，為識別設計缺陷提供了失效模式的定性數據。HASS 目標是識別和糾正制造過程中的問題，并在產品發貨給客戶之前剔除有缺陷的產品。ADT 則是通過加強應力獲得產品的退化數據來外推和預估可靠性。因此，加速可靠性方法的研究對提高產品可靠性有著重要的意義。