航天电子产品加速寿命试验技术研究

第25卷第6期 航 天 器 环 境 工 程 2008年12月 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 571 航天电子产品加速寿命试验技术研究 冯 颖 （电子工程总体研究所，北京 100854） 摘要：文章应用加速寿命试验理论和技术，对加速寿命试验的类型、参数模型以及加速方程的线性化等问题进行了分析，针对航天某电子产品的特点以及寿命分布假定，进行了加速寿命试验技术应用的研究，选择了以温度为应力的恒定应力加速寿命试验方案，并给出了应力水平，阐述了基于阿伦尼斯模型的加速寿命试验数据统计分析方法。 关键词: 加速寿命试验；恒定应力；可靠性；电子产品 中图分类号：V416.6 文献标识码：A 文章编号：1673-1379(2008)06-0571-04 1 前言 对于高可靠的航天电子产品，其贮存寿命和使用寿命通常都比较长。要获得此类产品的寿命数据，按照传统的寿命试验方法就是通过自然环境贮存、长期监测和数据统计来得到。虽然这种试验技术获得的数据比较真实，得到的结论也比较可信，但试验周期长。加速寿命试验是在保证不改变产品失效机理的前提下，通过强化试验条件（如增大应力，提高温度、电压和转速等）使受试产品加速失效，以便在较短时间内获得必要信息，以评估产品在正常条件下的可靠性或寿命指标。因此加速寿命试验可以大大提高试验效率，降低试验耗损。 加速寿命试验方法很多，要针对产品特点、试验经费、试验时间等确定比较合理可行的加速寿命试验方案和参数模型，并运用其寿命模型，估计出产品在正常工作应力下的可靠性特征。本文结合在本单位开展的某航天电子产品加速寿命试验方案的研究与设计工作，探讨几点加速寿命试验的技术问题。 常工作条件下的应力水平。试验做到各组受试产品均有一定数量的产品发生失效为止（如图1所示）。 (2) 步进应力加速寿命试验。它对受试产品施加的应力是以阶梯形式逐步提高，一直到全部试品失效（如图2所示）。 (3) 序进应力加速寿命试验。它对受试产品施加的应力是以等速直线上升，一直到全部试品失效（如图3所示）。 图1 恒定应力 图2 步进应力 图3 序进应力 Fig. 1 Constant stress Fig. 2 Step stress Fig. 3 Sequence stress （注：图中 ×表示失效；S表示应力；t表示时间） 在上述三种类型的加速寿命试验中，以恒定应力加速寿命试验的理论与方法更为成熟。它的优点是统计分析精度高，工程应用中得到的验证最为充分；缺点是试验所需时间不是最短。步进应力试验在工程实现上比恒定应力试验复杂，统计分析方法不如恒定应力试验成熟，并且统计分析算法比较复 杂。序进应力试验对设备的要求较高，需要专门的应力控制设备来产生符合要求的应力函数。 2.2 加速寿命试验常用的模型[1] 加速寿命试验的基本思想是利用高应力水平 2 加速寿命试验基本原理 2.1 加速寿命试验类型及选择 加速寿命试验类型通常分为以下3种[1]： (1) 恒定应力加速寿命试验。它是将一定数量的受试产品分为几组，每组固定在一定的应力水平下进行寿命试验，要求选取的各应力水平都高于正 ———————————— 收稿日期：2008-07-08；修回日期：2008-10-02 作者简介：冯 颖（1958-），女，高级工程师，主要从事可靠性工程研究。E-mail: fengying_0301@yahoo.com.cn。 572 航 天 器 环 境 工 程 2008年第25卷 下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征。实现这个基本思想的关键在于建立寿命特征与应力水平之间的关系。这种关系称为加速模型，或称为加速方程。在选用模型时，最关键的准则是所选用的模型能精确地把加速条件下的寿命模拟成正常使用条件下的寿命。最常用的加速模型有以下3种。 2.2.1 阿伦尼斯（Arrhenius）模型 当用温度作为加速应力时，其评估模型采用阿伦尼斯模型θ=AeE/kS，式中：θ 表示温度为T时的寿命特征；A表示对于受试产品，由实验决定的常数，A>0；E为激活能，与材料有关，eV；k为玻耳兹曼常数，为8.617×10-5 eV/°C[1]；S为温度应力。 2.2.2 逆幂律模型 当用电压、电流、功率等作为加速应力时，则A采用逆幂律模型θ=B，式中：θ为寿命特征；A、SB为常数；S为电应力。 2.2.3 广义艾林模型 当温度与电压同时作为加速应力时，则采用广义艾林模型θ=产品分成若干组，每组产品在某一恒定应力水平下进行寿命试验。选取的应力水平数越多，则对加速方程中两个系数的估计越精确。但应力水平数越多，投入试验样品数就要增加，试验设备、试验费用也要增加。出于航天产品研制费用较高、数量较少的原因，一般确定应力水平为4档至6档即可。 对于步进应力加速寿命试验类型，是选定一组加速应力水平，比如S1、S2、S3，然后将一定数量的试样全部置于最低应力水平S1下进行试验，当检测到一定数量的失效数（或者达到一定的试验时间）以后再将试验应力提高到下一应力水平继续试验。如此继续下去，直到最高应力水平也检测到足够的失效数时（或者达到一定的试验时间）为止。 如果选用序进应力加速寿命试验类型，它的试验方法与步进应力加速寿命试验方法基本相似，主要区别在于加载的应力水平是随时间继续升高。它的加速效率大大提高了，但同时对试验设备要求也比较高，需要专门的应力控制设备。 2.5 试验产品的类型及数量 每一应力水平下，试验样品数可以相等也可以不等，但一般每个应力水平下样品数均不宜少于5 个。 DS2AB式中：exp()exp(CS2+)，S1kS1kS1θ为寿命特征；A、B、C、D为待估常数；k为玻耳 兹曼常数，为8.617×10-5 eV/°C[1]；S1、S2为应力。2.2.4 参数模型选择与加速方程的线性化 为了简化统计分析，对阿伦尼斯模型作对数变换，则对应的加速方程就变为线性模型，从而易于对加速方程中的待估常数（a、b）进行统计推断。其线性化形式可写为 3 加速寿命试验技术研究 3.1 以产品可靠性设计为基础 航天产品是由多种设备组成来实现其各不相同的任务功能。由于设备组成类型多、功能各不相同，因而选择的元器件、材料等也有所不同。这些不同的元器件、材料等的失效模式也各不相同。而对于航天产品，一般要求其必须保证数年的贮存寿命和使用寿命。为此，必须以可靠性设计为基础，选择可靠性高的、受环境影响小的元器件和材料，并通过可靠性设计和加工工艺保证，确保产品的可靠性设计满足贮存寿命和使用寿命等各项指标要求。 3.2 加速寿命试验产品的选择 航天产品上设备比较多，由于各产品数量少、造价高，因此不可能对所有产品都进行加速寿命试验，所以只能通过可靠性分析找出可靠性指标偏低、不能满足贮存寿命和使用寿命的产品进行分析 lnθi=a+bϕ(Si)， (1) 式中：a、b为待估常数；ϕ(S)是应力为S的已知函数，当S 为温度应力时，ϕ(S)=1/S 。 2.3 加速应力种类 加速寿命试验通常所指的应力主要有机械应力（如压力、振动、撞击等）、热应力（温度）、电应力（如电压、电流、功率等）。当遇到多种失效机理的情况下，就应当选择对产品失效机理起促进作用最大的应力作为加速应力。 2.4 加速应力水平 对于恒定应力加速寿命试验类型，需要将试验 冯 颖：航天电子产品加速寿命试验技术研究 573 和试验，发现薄弱环节，然后有针对性地实施改进方案，提高产品的贮存寿命和使用寿命。 航天产品在贮存期间受自然环境影响的因素主要有高温、低温、湿热等。如橡胶、塑料类的非金属产品受到高温或低温因素的影响后容易产生断裂、膨胀、硬化；电子产品受到高温或低温因素的影响后容易产生电路接点金属氧化，使得接触电阻增大、金属表面材料锈蚀等，久而久之，设备就会失效，造成贮存寿命缩短。 航天产品在使用期间会受到各种工作应力的影响。如果产品的可靠性设计不过关，则容易很快发生故障，降低了产品的使用寿命。 在我们研制的航天产品中，对所有产品进行了可靠性预计、故障模式分析和产品的环境应力筛选试验。通过这些工作，我们发现某一产品可靠性偏低，因此将焦点集中在了这个产品上，认真分析了这个产品的薄弱环节，并选用该产品做加速寿命试验。 3.3 试验类型与应力种类的选择 考虑到加速寿命试验是一项新的试验技术，而恒定应力加速寿命试验的理论与方法更为成熟，综合考虑该产品的特点，所以采用恒定应力作为加速寿命试验方案。 该产品在工作状态下，主要是温度应力对它的影响比较大，特别是高温，容易造成产品性能指标漂移，最终导致产品失效。因此我们选用温度作为加速应力。 3.4 加速应力水平与试验产品数量的确定 加速寿命试验应力水平选取的原则是不改变产品的失效机理，即在加速应力条件下的失效机理与使用条件下的失效机理要保持一致。如果选择过高的应力，将受试产品的温度升高到超过器件或材料性能改变的温度点时，就会导致产品在使用过程中发生不正常的失效。在这种情况下，解决这种失效只会增加产品的费用，可靠性却不会有丝毫的提高。考虑该产品的特点，分析该产品所能承受的最高温度为80 °C，所以确定应力水平为4档，选择4种温度应力水平，每档温度步长为10 °C。每个应力水平选择5个产品，共选择20个产品进行加速寿命试验。 3.5 确定试验截尾时间 试验最好能做到所有试验样品都失效，这样统计分析的精度高。但是大部分产品要做到全部失效，其试验时间会很长，此时可采用定数截尾或定时截尾寿命试验。定数截尾试验一般要求每一应力水平下样品达到50％以上失效数为宜。 3.6 试验实施与测定失效时间 试验期间最好采用自动监测设备进行监测，或采用定周期的测试方法，即预先确定若干个测试时间，开始时测试周期稍长些，以后逐渐缩短，但尽量要使产品在任何一个测试周期内的失效数不要过多或过于集中在几个测试周期内，否则对失效时间的估计将有较大的误差，影响分析的精度。试验最好能做到所有试验样品都失效；或者采用定数截尾或定时截尾寿命试验确定试验截尾时间，至少做到有40%以上样品失效。 4 数据的统计分析 试验结束后，根据加速寿命试验的结果进行数据统计分析，可以得到产品的可靠性分布参数。采用统计推断方法来确定失效数据的分布类型。 一般分析常用的分布类型有指数分布、威布尔分布和对数正态分布。试验的产品其寿命分布服从哪种分布类型，就按照该分布类型分别计算出各应力水平下的寿命参数。 对于所研究的航天电子产品，假如其寿命分布类型服从指数分布，它的分布函数表示为[2]： (2) Fi(t)=1−e−t/θi=1−e−λit,(t>0;i=0,1,⋯,k)，式中：θi、λi分别为产品在应力水平Si下的平均寿命及失效率，且λi=1/θi。 对试验的产品分别计算出每一应力水平下的可靠性参数结果，常用的参数结果包括： (1) 给定时间的可靠度：在正常使用的条件下，在一个特定的时刻，一个产品能够成功工作的概率； (2) 给定时间的失效概率：在正常使用的条件下，在一个特定的时刻，一个产品发生故障的概率； (3) 平均寿命：在一个给定的应力条件下，产品在失效前平均能工作多少时间； (4) 失效率：在一个给定的应力条件下，产品 574 航 天 器 环 境 工 程 2008年第25卷 在某时刻后单位时间内发生失效的概率； (5) 保证时间：在一个给定的应力条件下，可靠度等同于一个目标值时所估计的时间。 采用极大似然估计法（MLE）可以获得在应力水平Si下的似然函数，即Li=(1/θi)riexp(−Ti/θi)；在应力水平Si下的总试验时间Ti为5 结束语 无论在民用领域还是在军事领域，新产品研制日益呈现周期紧、费用控制严格的局面，这对可靠性工程研究提出了明确的高效性和经济性要求。为了提高试验效率、缩短试验周期、减少试验费用，加速寿命试验已经成为可靠性试验技术领域一个无可置疑的发展方向。随着研究的进一步深入，加速寿命试验技术将具有更广的应用前景。 参考文献 (References) [1] 龚庆祥, 等. 型号可靠性工程手册[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007 [2] 贺国芳, 等. 可靠性数据的收集与分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 1995 ˆ在应力水平Si下的平均寿命θTi=∑tij+(ni−ri)τi；ij=1riˆ=Ti,(i=1,2,⋯,k) 。 为θiri按照公式(1)，用Newton-Raphson迭代法求出a和b的极大似然估值，就可以得到电子产品在正常应力水平下对数平均寿命lnθ0的估计。 ～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～ 解读美国空军新准则：解读美国空军新准则：AFDD 2-3《非正规战争》非正规战争》 2007年8月1日发布了美国空军新准则AFDD 2-3《非正规战争》。 该文件由空军参谋长迈克尔 · 莫斯利上将作序，其中写道：“作为航空兵，我们经历了对占领和控制高空阵地的百年追求，形成了与众不同的作战观。非正规战争（IW）有独特的性质和要求，我们必须明确展示空军在这种战争中的能力和贡献。空中力量（包括天空、太空和网空能力）只要使用合理，必能产生非对称作战优势，供联合部队司令官在非正规战争的各个领域善加运用。” 新的准则文件指出：“美国在近年常规战争中占据压倒性优势，使大多数对手极少可能继续选用传统的、常规的方式来与美国对抗。因此，对比较而言力量较弱小的国家（包括非国家实体）来说，非正规战争已经成为更具吸引力的（即使不是更必要的）选择。IW是空军和我们整个军队面临的全面挑战，它也将使航空兵对这种战争所固有的不同性质有更深的了解。” AFDD 2-3从联合作战角度，把IW定义为“国家和非国家势力之间为在相关人口中争取合法性和影响力而进行的暴力斗争” ，并补充说：“IW不是内容减少了的传统战争，而是一种性质和特征与传统战争有着重要区别的全谱战争。传统战争和IW互不排斥，这两种形式的战争也许都会出现在同一个冲突中。” AFDD 2-3着重展现空军在非正规战争中的能力，阐述空军运用这些能力的观点和立场。它与AFDD 1《空军基本准则》（2003年11月17日版本）中的空军职能相挂钩。 《非正规战争》这份文件的作战准则虽具有权威性，但并不具强制性。因此，指挥官在执行任务时，既要考虑准则的指导，也要考虑具体的形势。另外，尽管文件的主题是空军准则，但IW在本质上要求联合作战及跨机构作战。 （摘自美国《空天力量杂志》）