机载电子设备高加速可靠性试验技术研究

刘晓旭

（中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 200241）

随着科学技术的进步，电子设备复杂程度越来越高，可靠性要求也越来越高，传统的可靠性环境模拟试验技术已经赶不上电子设备发展的步伐[13]。尤其是机载电子设备，可靠性指标要求平均故障间隔时间（MTBF）长达几万小时，如果采用传统的可靠性环境模拟试验，试验周期长、成本高。高加速可靠性试验是在克服可靠性环境模拟试验周期长、效率低、耗费大等缺点的基础上发展起来的一种新的可靠性试验技术。

高加速可靠性试验与传统的可靠性环境模拟试验最大的不同之处，是不模拟真实环境，而是对试件施加比真实使用条件更加残酷的环境条件和更高的工作应力，以快速激发并排除产品潜在的缺陷、提高产品可靠性、缩短产品研制周期。

最早研究高加速可靠性试验技术的国家是美国[1]，将采用强化应力来激发电子设备缺陷的方法称为高加速 寿 命 试 验（HALT：Highly Accelerated Life Test）、将能够快速有效地暴露设计薄弱环节和剔除制造工艺缺陷的试验技术称为高加速应力筛选（HASS：Highly Accelerated Stress Screening）[2]，HALT是针对产品设计的，HASS是针对产品生产过程的。

现提出一种针对电子设备的高加速可靠性试验技术，该技术将HALT和HASS有效结合，其核心是对产品逐步施加大幅度超过设计规范的应力，逐渐剔除电子设备在研发阶段的缺陷。

高加速可靠性试验方法可以广泛的应用于航空航天、电子科技、汽车工程等领域中。引入高加速可靠性环境试验技术，可缩短产品的技术迭代时间、加快提高产品可靠性水平的速度、从而节省电子设备的研制周期和成本。

高加速寿命试验（HALT）为电子设备的一种破坏性试验，在电子设备设计过程中，通过逐步提高环境应力，直至电子设备出现故障或功能失效，从而确定电子设备的工作环境边界条件、得出其对环境的耐受能力，同时，为后续的高加速应力筛选（HASS）试验剖面参数的设计提供依据。

HASS作为一种强化应力试验方法，其理论依据是故障物理学。机械应力与相关疲劳损伤的关系[5]：

式中：

D—米勒判据疲劳损伤累积；

N—应力循环数；

S—机械应力；

β—材料特性参数。

从公式（1）中可以看出，疲劳损伤累积D与机械应力S呈现指数关系，随着S的增大D快速增大。在环境激励下，产品中有缺陷部位应力容易集中，产品中有缺陷的部位容易产生比完好部位大得多的应力而迅速积累起疲劳损伤，在更短的时间内达到疲劳损伤极限而变成故障析出。HASS把故障或失效作为主要研究对象，通过激发产品缺陷，发现产品技术上的问题并进行解决，以达到提高产品可靠性的目的。HASS试验技术基于这一原理，通过试验的方式向被试件施加比正常使用条件更加严苛的环境应力，以快速激发产品缺陷、提高产品可靠性、缩短产品研制周期。

HASS试验技术效果主要由以下两方面决定：第一，环境应力的严苛程度，决定了能否激发出因潜在缺陷引发的故障；
第二，被试品的检测能力，决定了其能否检测到激发出来的故障。

高加速可靠性试验技术的核心是将HALT与HASS结合，其主要步骤是：第一，依据HALT试验结果选择HASS试验中的关键参数；
第二，确定HASS剖面；
第三，验证HASS剖面。

HASS试验剖面中的高温、低温、振动指标参数主要依据HALT的试验结果进行选择。HASS试验剖面的参数包括：高温工作极限温度值、低温工作极限温度值、高低温保持时间、温度变化速率、振动量级、振动应力施加的时机及时长。高温工作极限值（温度值）、低温工作极限值（温度值）及振动应力值可根据图1～3并采用以下方法选取：HASS试验剖面中高低温工作应力指标取值为图1和图2确定的工作温度极限值的80 %作为高低温上下限，振动步进应力最大值取值为图3确定的振动工作极限的50 %。通过图1～3所示的曲线对试验样品进行摸底试验，得到图4所示的试验曲线。

图1 低温步进试验曲线示意图

图2 高温步进试验曲线示意图

图3 振动步进试验曲线示意图

图4 温循+振动步进试验曲线示意图

其中，温度应力起始温度一般选择常温25 ℃，步进的阶段性温度取值一般为（5～10）℃，在产品规范规定的范围内可取值10 ℃，到了超过产品技术规范规定的温度指标后，可选择每阶段温度升/降5 ℃，每阶段温度稳定至少30 min，温度稳定之后在该阶段稳定温度下施加电应力进行一次功能性能测试，如产品功能性能测试正常，则依次类推直至电子设备发生故障。以低温工作极限和破坏极限的确定步骤为例进行详细说明：如图5所示，试验从起始温度开始，按一定的步进值降温。当温度降至T2时，试验产品出现失效；
再将温度恢复至T1，试验产品恢复正常；
继续将温度降至T3，试验产品又出现失效，此时将温度再次恢复至T1，试验产品又恢复正常，则确认T1为试验产品的低温工作极限。继续降温，若当温度降至T4时，试验产品出现失效，接着将温度恢复至T1，试验产品未能恢复正常，且继续升温至起始温度后，试验产品依然不能恢复正常，则确定T4为试验产品的低温破坏极限。高温和振动的工作极限和破坏极限试验方法类似。

图5 低温工作极限和破坏极限试验示意图

HASS剖面的建立遵循两大原则：有效性和经济性。选择适用的应力能够快捷、有效地激发出电子设备的缺陷，同时又不会损坏新产品或产生新的缺陷且不能消耗产品超过10 %的寿命。

4.1 HASS高、低温温度值的确定

根据第3节内容确定的高温工作极限值为UOL，低温工作极限值为LOL，可通过以下公式计算出HASS的高温温度值TH和低温温度值TL：

通过上述公式（2）和（3）计算得出HASS试验的温度范围为[TL，TH]。

4.2 HASS剖面的初步建立

根据上述要求，高温温度值和低温温度值依据公式（2）和公式（3）可确定TH和 TL，振动量级取值振动工作极限的50 %，记为ZG。

1）循环次数执行2～5次，具体的次数可参考本文4.3节要求根据验证结果来确定；

2）试验过程中，需全程施加电应力；

3）高温和低温的温度值保持时间，取值在（30～60）min范围内，具体可根据各产品实测时间进行调整；

4）温度变化速率为40 ℃/min。

根据以上条件，确定HASS的初步试验剖面，如图6所示。

图6 HASS试验曲线示意图

4.3 验证HASS剖面

验证HASS剖面的目的是对HASS试验效果进行评价，以便有效地剔除缺陷并且降低产品寿命的减少程度。评价HASS试验效果的步骤如下。

1）确认HASS的有效性：按照图6进行初步的筛选，并对筛选后的效果进行相应的分析。如发生失效，试验应立即暂停，并分析故障的根本原因，以判断故障问题。如果发生故障的根本原因是施加的应力过于严苛或产品正常寿命损耗，则需降低应力并对新的被试品重新进行试验；
对于没筛选出故障的被试品，则增大应力或增加每次筛选的周期数。

2）被试品的寿命影响评估：寿命影响评估是评估经过筛选后，经筛选后不存在潜在缺陷的被试品剩下的寿命。至少进行10次筛选而不发生故障，例如，被试品经过1次筛选后，还能够至少经过9次同样条件的筛选后不会出现故障。如果对确信度的要求高，则需要增加筛选程序试验次数，发生任何失效现象，试验应立即暂停，并对出故障的被试品进行故障的根本原因分析。

以某型电子设备为例，其HASS剖面如图7所示、传统试验剖面如图8所示。

图7 HASS试验剖面示例

按照图7所示的HASS试验剖面，试验周期约为20 h。按照图8所示的传统试验剖面，试验周期约为40 h。

图8 传统试验剖面示例

可见，按照HASS剖面开展试验、相比传统试验剖面、试验周期至少节省50 %。

可以采用经验证过的HASS剖面，作为一种快速而有效的方法，但试验还要结合用户反馈的问题、故障等信息进行适当调整。当发生设计更改时，也应修正相应的测试条件、以保证其符合产品的新要求。在开展HASS试验前，必须对所选的试验设备进行确认。确认方法是在电子设备被试品上安装传感器（如温度传感器、振动传感器等）对温度和振动应力进行监测，以便进行适当的调整，使其与筛选程序中设定的环境条件保持一致，从而避免过大的响应误差给试验带来风险。

按照上述HALT和HASS结合的方法开展试验时，必须实时监测施加在被试品上的环境响应参数，包括：温度响应、振动响应相关参数及测量装置的技术指标。

1）温度测量装置，应测量并记录被试品各关键部位的表面温度，且能够提供多通道的温度监测装置。

2）振动测量装置，应测量并记录试验样品各关键部位的振动响应，且能够提供多通道的振动测量装置，也可通过试验装置本身的振动测量系统进行监测，对于加速度传感器而言，应在响应温度范围内保持良好的工作特性，加速度监测范围可根据产品规范来规定。

作为当下新兴的试验技术，该技术的研究对型号项目而言具有重大意义。其优点总结如下。

1）高加速可靠性试验技术利用了在产品缺陷处应力集中，导致机械应力指数级增大的原理，通过施加比产品正常使用条件严苛得多的环境条件，快速地激发出缺陷，使其缺陷处迅速产生疲劳损伤的目的；

2）HASS剖面的形成是奠定在高加速度寿命试验（HALT）基础上，通过HALT得出的产品的工作极限和破坏极限，以确定出HASS剖面的参数，且最后通过验证来最终确定应力量值、估算寿命损耗比例，因此确定HASS剖面的过程也是一个探索性的试验过程；

3）高加速可靠性试验技术的实现，可从根本上提高产品的可靠性，其效率高、成本低，可大幅度缩短产品研发周期，加快型号项目研制；

4）通过对型号项目中电子设备的可靠性试验数据的积累，可进一步研究并制定电子设备行业内高加速可靠性试验技术方面的规范及指南。