加速試驗綜述

1、加速試驗綜述1概述當(dāng)今，許多產(chǎn)品都能在極端嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力下無故障地運轉(zhuǎn)上千小時，為了確認(rèn)設(shè)計缺 陷或者驗證預(yù)計的壽命，傳統(tǒng)的試驗方法已經(jīng)不再勝任。人們開始研究先進(jìn)的試驗方法與技 術(shù)。1.1加速試驗的目的與特點進(jìn)行加速試驗的目的可概括如下：為了適應(yīng)日益激烈的競爭環(huán)境；在盡可能短的時間內(nèi)將產(chǎn)品投入市場；滿足用戶預(yù)期的需要。加速試驗是一種在給定的試驗時間內(nèi)獲得比在正常條件下（可能獲得的信息）更多的信 息的方法。它是通過采用比設(shè)備在正常使用中所經(jīng)受的環(huán)境更為嚴(yán)酷的試驗環(huán)境來實現(xiàn)這一 點的。由于使用更高的應(yīng)力，在進(jìn)行加速試驗時必須注意不能引入在正常使用中不會發(fā)生的 故障模式。在加速試驗中要單獨或者綜合使

2、用加速因子，主要包括：更高頻率的功率循環(huán)；更高的振動水平；高濕度；更嚴(yán)酷的溫度循環(huán)；更高的溫度。1.2加速試驗分類加速試驗主要分為兩類，每一類都有明確的目的：加速壽命試驗估計壽命；加速應(yīng)力試驗確定（或證實）和糾正薄弱環(huán)節(jié)。這兩類加速試驗之間的區(qū)別盡管細(xì)微，但卻很重要，它們的區(qū)別主要表現(xiàn)在下述幾個方 面：作為試驗的基礎(chǔ)的基本假設(shè)、構(gòu)建試驗時所用的模型、所用的試驗設(shè)備和場所、試驗的 實施方法、分析和解釋試驗數(shù)據(jù)的方法。表1對這兩類主要的加速試驗進(jìn)行了比較。表1兩類主要的加速試驗試驗?zāi)康呐c方法注解加速壽命試驗（ALT）使用與可靠性（或者壽命）有關(guān)的模型，通過 比正常使用時所預(yù)期的更高的應(yīng)力條件下的

3、試驗來度量可靠性（或壽命），以確定壽命多 長。要求：了解預(yù)期的失效機理；了解關(guān)于加速該失效機理的大量信息，作為加速應(yīng)力的函數(shù)加速應(yīng)力試驗（AST）施加加速環(huán)境應(yīng)力使?jié)撛诘娜毕莼蛘咴O(shè)計的 薄弱環(huán)節(jié)發(fā)展為實際的失效，確認(rèn)可能導(dǎo)致使 用中失效的設(shè)計、分配或者制造過程問題。要求充分理解（至少要足夠了解）基本的 失效機理。對產(chǎn)品壽命的影響問題作出估 計。1.3加速試驗的產(chǎn)品層次（級別）要明確進(jìn)行加速試驗的產(chǎn)品層次（級別）是設(shè)備級還是零部件級，這一點很重要。某些 加速方法只適用于零件級的試驗，而有的方法只能用于較高級別的總成（設(shè)備），只有少數(shù) 方法同時適用于零件級和總成（設(shè)備）級。對零件級非常合適的基本假

4、設(shè)和建模方法在對較 高級別的設(shè)備進(jìn)行試驗時可能完全不成立，反之亦然。表2列出了在兩個主要的級別（設(shè)備 級和零部件級）上進(jìn)行試驗的信息。表2進(jìn)行加速試驗的產(chǎn)品級別級別限制（局限）注解設(shè)備級通常非常有限，很少進(jìn)行。要建立起設(shè)備在高應(yīng)力下與 正常使用條件下的失效率之 間的關(guān)系的模型是極端困難 的。而且，也很難確定不改 變設(shè)備的失效機理的應(yīng)力條 件?？梢杂行У赜糜谠O(shè)備的加速試驗的一個例子是增加工作周期，例如， 某系統(tǒng)在正常情況下僅在一個班次中運行，航空電子設(shè)備在一次飛 行前和飛行中只工作幾個小時，在這種情況下，在試驗中可以增加 工作周期，受試系統(tǒng)一天可以連續(xù)工作三個班次，可使航空電子設(shè) 備循環(huán)工作，在

5、模擬飛行之間只留出足夠使設(shè)備的溫度穩(wěn)定在非工 作狀態(tài)的時間。這樣，盡管每個工作小時的失效率沒有改變，但是 每天發(fā)生的失效數(shù)增加了。這類加速試驗通常在可靠性鑒定試驗中 采用。這實際上是加諫試驗的一種形式（盡管通常不這樣認(rèn)為）。零部 件級部（零）件的失效模式比設(shè) 備要少。因此，要確定能有 效地加速失效率而又不大改 變失效機理的應(yīng)力就容易得 多。通常用一個給定的應(yīng)力可以對一個或多個支配性失效機理進(jìn)行加速 試驗，例如，電容器的介質(zhì)擊穿是電壓的函數(shù)，腐蝕是濕度的函數(shù)。 在這種情況下要找出失效率與使用應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系的加速模型 相當(dāng)容易。因此，加速壽命試驗廣泛應(yīng)用于部件，并且極力推薦大 多數(shù)類型的零件使

6、用這一方法。2加速試驗?zāi)Ｐ图铀僭囼災(zāi)Ｐ蛯⒉考氖驶蛘邏勖c給定的應(yīng)力聯(lián)系起來，這樣，就可以用在加速 試驗中得到的度量來推斷正常使用條件下的性能。這里隱含的假設(shè)是應(yīng)力不會改變失效分布 的形式。表3總結(jié)了三種最常見的加速試驗?zāi)Ｐ?，實際中使用的模型不止這三種。在選用模型時，最關(guān)鍵的準(zhǔn)則是所選用的模型能精確地把加速條件下的可靠性或壽命模擬成正常使用條件 下的可靠性或壽命。在選擇最適用的模型和在具體應(yīng)用中為所選用的模型選擇適當(dāng)?shù)尿炞C范 圍時必須十分小心。把上述選擇的依據(jù)用文件記錄下來是很重要的。表3常見的加速試驗?zāi)Ｐ湍Ｐ兔Q公式說明逆幕率定律Inverse Power Law正常應(yīng)方下的壽命=加速應(yīng)

7、方y(tǒng) 加速應(yīng)力下的壽命止常曲力J式中N為加速因子阿列紐斯加速模型ArrheniusAcceleration Model式中，L一壽命的度量，如零件總體的中位壽命；A一對于受試零件，由實驗決定的常數(shù)；e自然對數(shù)的底；E一活化能（電子伏特一能量的一種度量），它是每一失效機理特有的量值； k玻爾茲曼常數(shù)=gEZxlCl七FFE;T一溫度（開氏度）。邁因納法則(疲勞損傷)Miners Rule(Fatigue Damage)h Q式中，CD一臨界損傷和；CSi給定的平均應(yīng)力Si作用的循環(huán)次數(shù)；N一在應(yīng)力Si下失效的循環(huán)數(shù)，可以根據(jù)該種材料的S-N曲線確定； ik一所施加的載荷數(shù)假定每個零件都有有限的有

8、用疲勞壽命，每個應(yīng)力循環(huán)都要用去該壽命的一小部 分。當(dāng)來自每一載荷的累積損傷的總和等于1時就發(fā)生失效。邁因納法則不能擴展到 無窮大，只有在材料的屈服強度以下才成立，超過屈服極限點就不再成立了。三、先進(jìn)的加速試驗方案/思想過去，大多數(shù)加速試驗都是使用單一應(yīng)力和在定應(yīng)力譜進(jìn)行的。包括周期固定的周期性 應(yīng)力（如溫度在規(guī)定的上下限之間循環(huán)，溫度的上限和下限以及溫度的變化率是恒定的）。 但是，在加速試驗中，應(yīng)力譜不必是恒定的，也可以使用多種應(yīng)力的組合。常見的非恒定應(yīng) 力譜和組合應(yīng)力包括：步進(jìn)應(yīng)力譜試驗；漸進(jìn)應(yīng)力譜試驗；高加速壽命試驗（HALT）（設(shè)備級）；高加速應(yīng)力篩選（HASS）（設(shè)備級）；高加速溫度

9、和濕度應(yīng)力試驗（HAST）（零件級）。高加速試驗系統(tǒng)性地使用大大超過產(chǎn)品使用中預(yù)期水平的環(huán)境激勵，因此需要詳細(xì)理解 試驗結(jié)果。高加速試驗用于確認(rèn)相關(guān)故障，并用來確保產(chǎn)品對高于所要求的強度有足夠的裕 度以便能經(jīng)受正常的使用環(huán)境。高加速試驗的目的是大大減少暴露缺陷所需要的時間。該方 法可用于研制試驗，也可用于篩選。HALT（高加速壽命試驗）是一個研制工具，而HASS （高加速應(yīng)力篩選）是一個篩選 工具。它們常?；ハ嗦?lián)合使用。這是兩種相對較新的方法，與傳統(tǒng)的加速試驗方法不同。 HAL與THASS的具體目標(biāo)是改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計，將制造偏差和環(huán)境效應(yīng)對產(chǎn)品性能和可靠性的 影響減至最小。通常定量的壽命或可靠性預(yù)

10、計與高加速試驗沒有聯(lián)系。步進(jìn)應(yīng)力譜試驗。使用步進(jìn)應(yīng)力譜，試驗樣本首先按事先規(guī)定的時間以某個給定的應(yīng)力 水平試驗一段，然后在高一點的應(yīng)力水平下再試驗一段時間。不斷增加應(yīng)力水平繼續(xù)上面的 過程，直到某個試驗樣本失效，或者試驗進(jìn)行到最大應(yīng)力水平時終止。這種方法能更快速地 使產(chǎn)品失效以便分析。但是，用這種方法很難正確建立加速模型，因此很難定量地預(yù)計產(chǎn)品 在正常使用條件下的壽命。每一步中應(yīng)該增加的應(yīng)力量值與許多變量有關(guān)。但是，允許在設(shè)計中進(jìn)行這樣的試驗的 一個普遍的法則是：假設(shè)產(chǎn)品沒有缺陷，如果最終能以適當(dāng)?shù)脑Ａ砍鲱A(yù)期的使用環(huán)境中的 應(yīng)力，就能保證總體中的每一個體都能經(jīng)受住使用環(huán)境和篩選環(huán)境。（從而提

11、高產(chǎn)品的壽命 或可靠性）漸進(jìn)應(yīng)力譜試驗。漸進(jìn)應(yīng)力譜或者“梯度試驗”是另一種常見的方法，試驗中應(yīng)力水平 隨時間持續(xù)增加。其優(yōu)點和缺點與步進(jìn)試驗相同，但有另外一個困難，就是很難精確地控制 應(yīng)力增加的速率。HALT （高加速壽命試驗）。HALT 一詞是Gregg K. Hobbs于1988年提出的。HALT有 時指應(yīng)力增益壽命試驗（STRIFE），是一種研制試驗，是步進(jìn)應(yīng)力試驗的一種強化形式。它 一般用來確認(rèn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)和制造過程中存在的問題，以及用來增加設(shè)計強度的富裕量， 而不用來進(jìn)行產(chǎn)品壽命或可靠性的定量預(yù)計。HASS （高加諫應(yīng)力篩選）試驗。HASS是加速環(huán)境應(yīng)力篩選的一種形式。它代表了產(chǎn)

12、品所經(jīng)歷的最嚴(yán)酷的環(huán)境，但通常持續(xù)很有限的一段時間HASS是為達(dá)到“技術(shù)的根本極 限”而設(shè)計的。此時應(yīng)力的微小增加就會導(dǎo)致失效數(shù)的大量增加。這種根本極限的一個例子 是塑料的軟化點。HAST （高加速溫度和濕度應(yīng)力試驗）。隨著近來電子技術(shù)的高諫發(fā)展，幾年前剛剛出現(xiàn)的的加速試驗可能不再適應(yīng)當(dāng)今的技術(shù)了，尤其是那些專門針對微電子產(chǎn)品的加速試驗。 例如，由于塑料集成電路包的發(fā)展，現(xiàn)在用傳統(tǒng)的、普遍被接受的85C/85%RH的溫度/濕 度試驗需要花上千小時才能檢測出新式集成電路的失效。在大多數(shù)情況下，試驗樣本在整個 試驗中不發(fā)生任何失效。不發(fā)生失效的試驗是說明不了什么問題的。而產(chǎn)品在使用中必定會 偶爾失效。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)加速試驗。HSAT就是為代替老的溫度/濕度試驗而開發(fā)的 方法。四、在加速試驗中應(yīng)當(dāng)注意的問題加速試驗?zāi)Ｐ褪菍Ξa(chǎn)品在正常應(yīng)力水平下以及一個或多個加速應(yīng)力水平下的關(guān)鍵因素 進(jìn)行試驗而導(dǎo)出的。在使用加速環(huán)境時一定要極其注意，以便識別和正確確認(rèn)在正常使用中 將發(fā)