電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

摘" 要：隨著電子產(chǎn)品之間的競爭愈演愈烈，其產(chǎn)品的可靠性水平將越來越受人們關(guān)注。可靠性試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性水平的重要手段，其多種類型的可靠性試驗(yàn)技術(shù)可以從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、制造工藝和批量生產(chǎn)等環(huán)節(jié)為產(chǎn)品提供技術(shù)支撐。該文論述電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的基本概況，詳細(xì)闡明可靠性研制試驗(yàn)、環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)和可靠性仿真試驗(yàn)的研究進(jìn)展，同時(shí)展望可靠性加速試驗(yàn)和可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)這2種可靠性試驗(yàn)新技術(shù)的發(fā)展前景，并提出促進(jìn)可靠性試驗(yàn)新技術(shù)應(yīng)用的解決方案，為業(yè)界提供參考。

關(guān)鍵詞：可靠性；環(huán)境應(yīng)力；可靠性試驗(yàn)；壽命試驗(yàn)；加速試驗(yàn)；可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TN114.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）10-00６６-0５

Abstract： With the increasingly intense competition between electronic products， the reliability level of their products will receive more and more attention. Reliability test is an important means to check the reliability level of products. Its various types of reliability test technologies can provide technical support for products from product design， material selection， manufacturing process and batch production. In this paper， the general situation of reliability test of electronic products is discussed， and the research progress of reliability development test， environmental stress screening test， MTBF （Mean Time Between Failure） test， reliability verification test and reliability simulation test is expounded. At the same time， the development prospects of two new technologies of reliability test， reliability accelerated test and reliability enhancement test， are prospected， and the solutions to promote the application of new technology of reliability test are put forward， so as to provide reference for the industry.

Keywords： reliability; environmental stress; reliability test; MTBF test; accelerated test; reliability enhancement test

在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，信息技術(shù)產(chǎn)品已滲透到世界各地，并逐漸融入到人們的日常生活中。信息技術(shù)的發(fā)展，使各類電子設(shè)備之間的競爭愈演愈烈。高品質(zhì)、高性價(jià)比的電子產(chǎn)品，將成為主流與消費(fèi)者的第一選擇。因此，對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行檢測，是電子產(chǎn)品的重要組成部分。可靠性是指產(chǎn)品在一定的試驗(yàn)應(yīng)力條件下滿足要求功能的能力，是產(chǎn)品性能隨著時(shí)間的保持能力，是衡量產(chǎn)品質(zhì)量特性的重要指標(biāo)之一，其概率度量稱為可靠度。同時(shí)產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)可以較好地反映出產(chǎn)品壽命、無故障性、可用性等參數(shù)屬性。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活要求越來越高，與之息息相關(guān)的電子產(chǎn)品的功能要求越來越多，其使用環(huán)境也更加復(fù)雜、廣泛，因此產(chǎn)品的可靠性性能要求也日益提高[1]。

為了幫助廣大消費(fèi)者更加容易對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性性能有個(gè)清晰的了解，本文結(jié)合電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的特點(diǎn)，全面介紹了各項(xiàng)可靠性試驗(yàn)方法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以期為業(yè)界提供參考。

1" 電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)概況

1.1" 可靠性試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，可靠性是指一組試驗(yàn)結(jié)果或試驗(yàn)設(shè)備的一致性。可靠性試驗(yàn)是為了測定、評(píng)價(jià)、分析和提高產(chǎn)品可靠性而進(jìn)行的各類試驗(yàn)的總稱，其可分為工程試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)。可靠性試驗(yàn)是通過規(guī)定環(huán)境應(yīng)力、時(shí)間和工作負(fù)載的方式，暴露產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等過程中存在的各種缺陷，檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)，并采取改進(jìn)措施提高產(chǎn)品可靠性能力的一種有效手段[2]。

電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)主要有以下3個(gè)方面的作用：①發(fā)現(xiàn)并剔除產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、研發(fā)、試產(chǎn)及量產(chǎn)等生產(chǎn)過程中關(guān)于材料、元器件，以及制造工藝方面的各種缺陷；②驗(yàn)證產(chǎn)品的使用壽命、無故障時(shí)間等可靠性指標(biāo)是否已經(jīng)滿足了產(chǎn)品規(guī)定的要求；③為產(chǎn)品的失效分析提供有效的驗(yàn)證數(shù)據(jù)支撐，可以幫助生產(chǎn)廠家中對(duì)產(chǎn)品的可靠性性能樹立信心，并幫助建立產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的基準(zhǔn)[3]。

1.2" 可靠性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)

我國當(dāng)前電子產(chǎn)品可靠性標(biāo)準(zhǔn)有2大類型，一類是以國軍標(biāo)為主的系列標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》、GJB 150A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》為主的可靠性標(biāo)準(zhǔn)和測試方法；另一類是以國標(biāo)GB/T 2423系列（溫度、振動(dòng)、沖擊、防護(hù)）為主的商用可靠性標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法[4-5]。

1.3" 可靠性試驗(yàn)的分類

從當(dāng)前的可靠性試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的趨勢看，可靠性試驗(yàn)按照試驗(yàn)產(chǎn)品的應(yīng)用階段、試驗(yàn)適用對(duì)象以及試驗(yàn)的目的等不同的分類原則，可將可靠性試驗(yàn)大概分為環(huán)境應(yīng)力篩選、研制、增長、鑒定、驗(yàn)收及壽命等試驗(yàn)[6]，具體試驗(yàn)類型及差異詳見表1。

2" 電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展

2.1" 可靠性研制試驗(yàn)

可靠性研制試驗(yàn)主要用于產(chǎn)品的早期研制設(shè)計(jì)階段，其是一個(gè)典型的有計(jì)劃的試驗(yàn)-分析-改進(jìn)（TAAF）過程。由于其試驗(yàn)條件沒有明確的定量的要求，其主要是通過施加應(yīng)力來提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部的零部件和工藝的缺陷，從而采取相應(yīng)的改善措施以提高產(chǎn)品的可靠性性能指標(biāo)的一種試驗(yàn)。因此，可靠性研制試驗(yàn)的試驗(yàn)方法隨意性較大，并適用于所有的研制產(chǎn)品[7]。

由于可靠性研制試驗(yàn)具有實(shí)用性和廣泛性，因此，在2004年發(fā)布的GJB 450A標(biāo)準(zhǔn)要求中，可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)系列中專門增加了可靠性研制試驗(yàn)這一工作項(xiàng)目，為國內(nèi)這種試驗(yàn)提供理論依據(jù)。可靠性研制試驗(yàn)的實(shí)施過程如圖1所示。

2.2" 環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)

環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)（ESS）對(duì)產(chǎn)品施加規(guī)定的環(huán)境應(yīng)力（如溫度、濕度、振動(dòng)等）和電應(yīng)力的一種試驗(yàn)。其可以對(duì)產(chǎn)品潛在的缺陷進(jìn)行激活，形成故障表征，并通過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和剔除生產(chǎn)制造過程中的不良品，以降低電子產(chǎn)品的生產(chǎn)故障率，提高產(chǎn)品的可靠性水平[8]。

當(dāng)前國內(nèi)外環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)可分為常規(guī)篩選、定量篩選和高加速應(yīng)力篩選3種類型。①常規(guī)篩選，是一種應(yīng)用最廣泛的篩選方式。其以能剔除產(chǎn)品早期故障為目標(biāo)，所選的應(yīng)力是憑試驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的，國內(nèi)其所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為GJB 1032—90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》。②定量篩選，是環(huán)境應(yīng)力篩選的高級(jí)階段，其要求在試驗(yàn)效果、試驗(yàn)成本、可靠性目標(biāo)之間建立定量關(guān)系的試驗(yàn)。使產(chǎn)品經(jīng)過定量篩選后達(dá)到產(chǎn)品故障特征曲線（浴盆曲線）中的偶然失效期階段。國內(nèi)主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為 GJB/Z 34—93《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》等一系列標(biāo)準(zhǔn)。③高加速應(yīng)力篩選（HASS），是在高加速壽命試驗(yàn)（HALT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的篩選技術(shù)，其與可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）技術(shù)一樣，理論依據(jù)是故障物理學(xué)。這種篩選主要是通過在短時(shí)間內(nèi)快速激發(fā)并消除產(chǎn)品的潛在缺陷，從而達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性水平的目的[9-10]。目前這種篩選方法技術(shù)還不太成熟，國內(nèi)應(yīng)用較少，還未標(biāo)準(zhǔn)化。

2.3" 壽命試驗(yàn)

產(chǎn)品壽命試驗(yàn)是一種為了評(píng)價(jià)產(chǎn)品壽命特征的試驗(yàn)，試驗(yàn)的主要目的是提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中可能過早發(fā)生損耗的元器件從而進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的使用壽命、儲(chǔ)存壽命是否達(dá)到規(guī)定要求。本試驗(yàn)適用于有使用壽命、儲(chǔ)存壽命要求的產(chǎn)品，通過壽命試驗(yàn)可以了解產(chǎn)品壽命分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[11]。按照試驗(yàn)產(chǎn)品的工作狀態(tài)、儲(chǔ)存狀態(tài)和試驗(yàn)時(shí)間等條件可以分為貯存壽命試驗(yàn)、工作壽命試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)，具體各試驗(yàn)間的目的與方法差異詳見表2。

2.4" 可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)

目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)是可靠性鑒定試驗(yàn)，其可以分為可靠性設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)和可靠性生產(chǎn)定型試驗(yàn)。兩者最大的區(qū)別在于其試驗(yàn)產(chǎn)品的目的，可靠性設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)主要目的是對(duì)新產(chǎn)品生產(chǎn)出來的樣機(jī)的可靠性能力進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠性水平指標(biāo)是否滿足要求；可靠性生產(chǎn)定型試驗(yàn)主要目的是對(duì)已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段的產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，判斷其生產(chǎn)的穩(wěn)定性是否達(dá)到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。兩者的試驗(yàn)方法都是依照可靠性鑒定試驗(yàn)的方法來進(jìn)行[12-13]。

本文所述的可靠性鑒定試驗(yàn)適用于系統(tǒng)或設(shè)備級(jí)的產(chǎn)品，其方案為統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，可分為定時(shí)截尾試驗(yàn)、定數(shù)截尾試驗(yàn)、序貫截尾試驗(yàn)等。其國內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)是GB 5080標(biāo)準(zhǔn)系列和GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)可靠性鑒定試驗(yàn)的具體實(shí)施流程，可按照試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作、試驗(yàn)執(zhí)行、試驗(yàn)后工作等步驟來進(jìn)行，如圖2所示。

2.5" 可靠性仿真試驗(yàn)

可靠性仿真試驗(yàn)是指將故障物理的可靠性理論體系和仿真分析技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，為解決快速提升復(fù)雜產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)的一種試驗(yàn)方法。從本質(zhì)上說，其目的和其他傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)一樣，都是為了提高產(chǎn)品的可靠性水平。兩者的主要區(qū)別在于試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)周期、試驗(yàn)成本等試驗(yàn)因素不同，詳見表3。

目前可靠性仿真試驗(yàn)主要包括熱仿真、振動(dòng)仿真和故障預(yù)計(jì)仿真。其中，熱仿真和振動(dòng)仿真都是基于有限元法的，故障預(yù)計(jì)仿真是基于故障物理及應(yīng)力累積損傷方法的。這3種仿真試驗(yàn)均是通過仿真模型來反映產(chǎn)品的某種特性，其基本原理就是利用軟件來建立可靠性仿真試驗(yàn)時(shí)所需的試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)條件等試驗(yàn)因素[14]。目前業(yè)內(nèi)的仿真建模軟件有CAD模型、CFD模型、FEA模型和故障預(yù)計(jì)模型等類型，具體詳見表4。

所有的可靠性仿真試驗(yàn)均按照產(chǎn)品信息收集、數(shù)字樣機(jī)建模、應(yīng)力仿真分析、故障預(yù)計(jì)仿真分析和可靠性評(píng)價(jià)等幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)施，其具體流程圖如圖3所示。

3" 前景展望

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和日益激烈的市場，人們對(duì)現(xiàn)代電子產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性要求越來越高，而產(chǎn)品的研制和產(chǎn)生周期卻要求越來越短，成本要越來越低，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的可靠性試驗(yàn)已經(jīng)無法完全滿足要求。因此，快速有效的可靠性試驗(yàn)技術(shù)已成為當(dāng)前可靠性工作的瓶頸。可靠性加速試驗(yàn)技術(shù)和強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

3.1" 可靠性加速試驗(yàn)

按照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 451—90《可靠性維修性術(shù)語》給出的定義，可靠性加速試驗(yàn)是一種為了縮短產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)間而采用比產(chǎn)品在正常使用環(huán)境更加嚴(yán)酷的試驗(yàn)環(huán)境的試驗(yàn)。

加速試驗(yàn)的主要目的有以下幾點(diǎn)：①剔除產(chǎn)品的早期缺陷；②快速激發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝缺陷；③快速評(píng)估與驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性水平。同時(shí)加速試驗(yàn)是一種實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)，從試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)結(jié)果處理來看可以分成工程加速試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)加速試驗(yàn)、定量加速試驗(yàn)和定性加速試驗(yàn)，詳見表5。

根據(jù)表5所示，國內(nèi)外對(duì)加速試驗(yàn)技術(shù)的使用最多的試驗(yàn)是高加速壽命試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)和加速退化試驗(yàn)。其中，高加速試驗(yàn)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，它通過短時(shí)間內(nèi)激發(fā)產(chǎn)品的早期缺陷，并采取糾正措施對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到提高產(chǎn)品的可靠性水平的目的；加速壽命試驗(yàn)是一種采用了超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)且通過合理的工程以及與物理故障失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型轉(zhuǎn)換得到產(chǎn)品壽命水平的試驗(yàn)方法，在縮短產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品可靠性性能和降低產(chǎn)品試驗(yàn)成本的要求下，加速壽命試驗(yàn)將是一種新的可靠性技術(shù)趨勢[15]；加速退化試驗(yàn)也稱加速方程，是通過提高試驗(yàn)應(yīng)力條件來加速產(chǎn)品性能退化并利用退化數(shù)據(jù)推測產(chǎn)品壽命的一種試驗(yàn)。其主要試驗(yàn)對(duì)象是某些高可靠、長壽命的電子產(chǎn)品，很好地解決了無失效數(shù)據(jù)的問題。

綜上所述，為了進(jìn)一步滿足人們的需求，確認(rèn)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷或驗(yàn)證產(chǎn)品的壽命，還需要更加深入地研究加速試驗(yàn)技術(shù)。

3.2" 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）是一種激發(fā)性可靠性試驗(yàn)，在航空、航天及其他軍民領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其通過提高產(chǎn)品試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力來快速激發(fā)和暴露產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝缺陷，通過故障失效模式分析，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝，從而加強(qiáng)產(chǎn)品可靠性能力[16]。

目前，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)有步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)和高加速壽命試驗(yàn)。其中，步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)是通過不斷提高產(chǎn)品試驗(yàn)的應(yīng)力條件，使產(chǎn)品故障失效并分析找到故障原因，從而采用改進(jìn)措施不斷修復(fù)故障缺陷，直到在現(xiàn)行的技術(shù)基礎(chǔ)上無法再改善為止，從而達(dá)到提升產(chǎn)品的工作極限的目的[10]。HALT試驗(yàn)是步進(jìn)試驗(yàn)的一種強(qiáng)化形式，其試驗(yàn)原理和步進(jìn)試驗(yàn)類似， 其試驗(yàn)的目標(biāo)是改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而不是進(jìn)行產(chǎn)品壽命或可靠性的定量預(yù)計(jì)[17]。HASS試驗(yàn)是加速環(huán)境應(yīng)力篩選的一種形式，其通過在持續(xù)很有限的一段時(shí)間內(nèi)對(duì)產(chǎn)品施加最嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力，達(dá)到快速地激發(fā)并消除產(chǎn)品的潛在缺陷，從而提高產(chǎn)品的可靠性的目的。

目前，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中試驗(yàn)應(yīng)力種類繁多，如何選擇合適的應(yīng)力種類和大小來激發(fā)產(chǎn)品中的全部缺陷是其中一個(gè)急需解決的難題，類似問題還存在許多。這需要不斷的深入研究可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)，逐步提高電子產(chǎn)品的可靠性，促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

4" 結(jié)束語

可靠性試驗(yàn)作為一種檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性能力的重要試驗(yàn)手段，在提高電子產(chǎn)品可靠性質(zhì)量方面具有著廣闊的應(yīng)用前景。目前可靠性試驗(yàn)技術(shù)在國內(nèi)外已得到大范圍的推廣和應(yīng)用，形成了一系列的可靠性試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可靠性試驗(yàn)方法得到極大的完善和規(guī)范，取得了顯著效果。同時(shí)，面對(duì)越來越高的可靠性指標(biāo)要求，亟需可靠性試驗(yàn)新技術(shù)來突破瓶頸。因此，還需要可靠性專業(yè)人員更加深入的研究，提高我國的可靠性試驗(yàn)技術(shù)水平。本文闡述了國內(nèi)外常用的幾種可靠性試驗(yàn)的方法，展望其未來的發(fā)展情況，以期為廣大可靠性技術(shù)人員提供參考。

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