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嘉峪檢測網(wǎng) 2020-02-06 12:47
可靠性強化試驗是一種采用加速應力的可靠性研制試驗，其目的是使產(chǎn)品設計得更為“健壯”?；痉椒ㄊ峭ㄟ^施加步進應力，不斷地加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，并進行改進和驗證，使產(chǎn)品的可靠性不斷提高，并使產(chǎn)品耐環(huán)境能力達到最高，直到現(xiàn)有材料、工藝、技術和費用支撐能力無法作進一步改進為止。
可靠性強化試驗已在國外得到較為廣泛的應用，國內(nèi)已經(jīng)開展了研究，并已開始逐步應用于型號研制中。
可靠性強化試驗是一種激發(fā)試驗，它將強化環(huán)境引入到試驗中，解決了傳統(tǒng)的可靠性模擬試驗的試驗時間長、效率低及費用大等問題。產(chǎn)品通過基于可靠性強化試驗，可以獲得更快的增長速度、更高的固有可靠性水平、更低的使用維護成本、更好的環(huán)境適應能力和更短的研制周期。
1、可靠性強化試驗技術特點
（1）可靠性強化試驗不要求模擬環(huán)境的真實性，而是強調(diào)環(huán)境應力的激發(fā)效應，從而實現(xiàn)研制階段產(chǎn)品可靠性的快速增長；
（2）可靠性強化試驗是一種加速應力試驗，采用步進應力方法，施加的環(huán)境應力是變化的，而且是遞增的，可以超出規(guī)范極限甚至到破壞極限；
（3）可靠性強化試驗對產(chǎn)品施加三軸六自由度振動（以下簡稱全軸振動）和高溫變率；
（4）為了試驗的有效性，可靠性強化試驗必須在能夠代表設計、元器件、材料和生產(chǎn)中所使用的制造工藝都已基本落實的樣件上進行，并且應盡早進行，以便進行改進
2、試驗時間
總試驗時間包括低溫步進應力試驗、高溫步進應力試驗、快速溫變循環(huán)試驗、振動步進應力試驗和綜合應力試驗的時間。具體試驗時間取決于試驗的實際情況。
3、試驗剖面
可靠性強化試驗的試驗剖面包括低溫步進應力試驗剖面、高溫步進應力試驗剖面、快速溫變循環(huán)試驗剖面、振動步進應力試驗剖面和綜合應力試驗剖面。
4、試驗應力極限
各類試驗應力極限（即：技術規(guī)范極限、設計極限、工作極限和破壞極限等）的范圍均分為上限、下限。環(huán)境壓力篩選（ESS）應力極限應在技術規(guī)范極限與設計極限之間。在某種意義上，根本不存在RET極限，因為它是作為一種試驗進程而確定的。RET顯然不會超過破壞極限（如圖1所示）。
圖 1 產(chǎn)品的各種應力極限的定義
5、可靠性強化試驗實施
（1）試驗設備溫控能力測試
可靠性強化試驗前，應先測試試驗設備對溫度應力的控制能力，如：溫度超調(diào)、穩(wěn)定時間、控制誤差以及溫度場的空間分布情況等。以便確定受試產(chǎn)品在試驗設備中的安裝位置。
a） 溫度場測試方法
為了得到試驗設備內(nèi)部空間溫度場的真實數(shù)據(jù)，將整個試驗設備沿橫、縱方向各截取幾個面，通過分析這些平面的溫度分布來分析整個試驗設備的溫度場。從節(jié)約成本的角度考慮，可以不必測量整個試驗箱的溫度場，只需要對可安裝受試產(chǎn)品的部分測量溫度場，就可以確定受試產(chǎn)品周圍的溫度場空間分布情況；
b） 試驗設備溫控能力測試剖面
為了解試驗設備的技術指標能否達到試驗的截止溫度和溫變率的要求，并確定控溫過程中的溫度超調(diào)、穩(wěn)定時間、控制誤差以及溫度場的空間分布等情況，需要對試驗設備的空載特性進行測試?？筛鶕?jù)試驗設備和受試產(chǎn)品的具體情況制定一個空載測試的溫度步進剖面，如圖2所示。
圖2 試驗設備溫控能力測試剖面
（2）受試產(chǎn)品溫度分布特性測試
受試產(chǎn)品溫度分布測試過程中應注意：
a）測試前拆下受試產(chǎn)品外殼。在箱內(nèi)安裝試件處附近測量環(huán)境溫度，并測量受試產(chǎn)品的表面溫度，比較表面溫度和環(huán)境溫度的差異；
b）重點考察試件中發(fā)熱量大的部分的溫度特性。利用溫度傳感器進行重點監(jiān)測受試產(chǎn)品重要的元器件；
c）試驗過程中需要在受試產(chǎn)品溫度穩(wěn)定后才能進行功能、性能測試，而不同的受試產(chǎn)品溫度穩(wěn)定的時間也各不相同，應在試驗前測量受試產(chǎn)品中最大熱慣性部件（元器件）在達到設定溫度后的溫度穩(wěn)定時間。
6、預試驗
受試產(chǎn)品在試驗設備上安裝完畢后，首先應進行全面的功能、性能檢測，以確保施加試驗應力前受試產(chǎn)品是完好的。在正式試驗前，還需進行短時間的小量級振動預試驗，以確認受試產(chǎn)品被牢固地安裝在臺面上，并能有效地傳遞能量。
7、正式試驗
按照預先設定的試驗剖面進行試驗，并嚴格按照測試方案進行檢測，記錄試驗應力數(shù)據(jù)和受試產(chǎn)品所有信息。
試驗過程中如出現(xiàn)故障，則停止試驗，記錄故障模式及應力水平，并進行故障定位，然后再進行故障原因分析。對于暫時無法分析的故障，可留待進一步的分析，繼續(xù)其他試驗步驟以發(fā)現(xiàn)其它故障。
8、應力施加
可靠性強化試驗施加的主要環(huán)境應力有：低溫、高溫、快速溫變循環(huán)、振動以及快速溫變循環(huán)與振動綜合環(huán)境應力。
試驗所選取的試驗應力應結(jié)合產(chǎn)品實際使用環(huán)境，由產(chǎn)品設計人員與試驗人員共同商定。具體選擇原則如下：
a）應力種類的選擇以產(chǎn)品實際使用環(huán)境為基礎；
b）在盡可能短試驗時間內(nèi)暴露盡可能多的產(chǎn)品缺陷并且所施加應力不應改變產(chǎn)品故障機理；
c）選擇綜合應力時，要綜合考慮各應力的相互影響關系，如快速溫變和濕度不宜同時施加；
d）選擇的試驗應力應該能在實驗室實現(xiàn)；
e）滿足一定的效/費比要求。
（1）步進應力
可靠性強化試驗采用步進應力試驗方法。圖3是典型步進應力試驗示意圖。圖3中的應力可以是振動、溫度等應力中之一或其綜合。試驗從某一初始應力（一般低于技術規(guī)范極限應力）開始，以一定的步長進行，每步停留時間從幾分鐘到20min，一般不超過30min（視產(chǎn)品中最大熱慣性部件熱穩(wěn)定時間而定）。試驗過程中最好實時連續(xù)監(jiān)控產(chǎn)品。
圖3 典型步進應力試驗示意圖
（2）應力施加順序
可靠性強化試驗一般按以下順序施加環(huán)境應力：低溫步進、高溫步進、快速溫變循環(huán)、振動步進、快速溫變循環(huán)與振動綜合應力。
（3）應力施加方法
高/低溫步進應力施加方法
a） 起始點溫度
高/低溫步進應力試驗在室溫或某一接近室溫的溫度條件下進行，通常取+20℃～+30℃；
b） 每步保持時間
每步的保持時間應考慮元器件及其零部件完全熱透/冷透的時間和產(chǎn)品檢測所需時間。不同的試驗設備其升降溫速率不同，通常使用測溫儀器在整個試驗過程中監(jiān)測最大熱慣性部件的溫度。因此，每個溫度水平的保持時間根據(jù)測溫結(jié)果達到試驗設定值并穩(wěn)定后開始功能和性能測試，熱透/冷透時間通常在幾分鐘到20min或30min之間甚至更長，具體時間可以通過測溫結(jié)果來確定的熱透/冷透時間。功能和性能檢測在受試產(chǎn)品熱透/冷透之后進行，具體時間由受試產(chǎn)品的檢測要求決定；
c）步長
步長通常為10℃，但是某些時候也可以增加到20℃或減小到5℃。建議在到達高/低溫設計極限前步長設定為10℃，到達高/低溫設計極限后視產(chǎn)品具體情況調(diào)整步長，大多調(diào)整步長為5℃，到達高/低溫工作極限后視產(chǎn)品具體情況再調(diào)整步長，大多調(diào)整步長為2～3℃，這樣適當減小步長繼續(xù)試驗至破壞極限；
d）高/低溫工作極限和高/低溫破壞極限
在高/低溫步進的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)異常，立即將溫度恢復至上一量級，然后進行全面檢測；如果產(chǎn)品恢復正常，則判定產(chǎn)品出現(xiàn)異常的溫度應力為產(chǎn)品的高/低溫工作極限；如仍然不正常，則判定產(chǎn)品出現(xiàn)異常的溫度為產(chǎn)品的高/低溫破壞極限；
e）試驗終止判據(jù)
如果確認試驗出現(xiàn)的故障在產(chǎn)品使用中不可能出現(xiàn)就沒有必要進行改進，或者出現(xiàn)故障的應力水平遠高于產(chǎn)品技術規(guī)范，即產(chǎn)品已有足夠的安全余量，也可不采取改進措施，終止本次試驗。根據(jù)目前技術水平，如無特殊情況一般對電子產(chǎn)品來說，如果試驗到高溫125℃或低溫-70℃時產(chǎn)品依然沒有出現(xiàn)故障，就可停止試驗。
快速溫變循環(huán)應力施加方法
在完成高/低溫步進應力試驗后進行快速溫變循環(huán)應力試驗。
a）上下限溫度
溫度循環(huán)中的溫度上下限溫度值決定了試驗強度。溫度范圍（高低溫之差）表明了受試產(chǎn)品在每一個循環(huán)中經(jīng)受的應力/應變。為使缺陷發(fā)展為故障所需的循環(huán)數(shù)最少，應選擇最佳上下限溫度值；
選擇上下限溫度值的關鍵是給受試產(chǎn)品施加適當應力以析出缺陷又不損壞好的受試產(chǎn)品。通?？焖贉刈冄h(huán)的上、下限不超過受試產(chǎn)品破壞極限的80%；
b） 溫變率
在試驗中應根據(jù)實際情況來設定溫度變化率的大小，以達到激發(fā)產(chǎn)品缺陷、縮短試驗時間、節(jié)約試驗費用的目的，其溫度變化率一般在15℃/min到30℃/min之間；
c） 上下限溫度持續(xù)時間
上下限溫度持續(xù)時間包括兩部分：產(chǎn)品包括元器件（零部件）溫度達到熱穩(wěn)定所需時間和在上下限溫度浸泡時間；
當受試產(chǎn)品中響應最慢部分（最大熱慣性部件）的溫度與最終設定溫度之差在規(guī)定值之內(nèi)時，就認為實現(xiàn)了穩(wěn)定；
浸泡時間用于兩個目的，一是保證材料發(fā)生蠕變，二是完成功能測試。材料發(fā)生蠕變所需時間一般為5min左右，因此浸泡時間一般不小于5min。浸泡時間可延長至測試完成。在通常情況下，受試產(chǎn)品在上下限溫度保持時間為20～30min；
d） 溫度循環(huán)次數(shù)
溫度循環(huán)次數(shù)影響試驗的有效性和總試驗時間，從而影響試驗費用；
在可靠性強化試驗中，無論產(chǎn)品的復雜程度和施加應力的大小，以及循環(huán)次數(shù)有無固定限制，都應以激發(fā)出產(chǎn)品的潛在缺陷為準。通常在試驗中采用溫變速率為15-30℃/min。若要達到相同的缺陷激發(fā)效果，則不同的溫度變化率需要的循環(huán)次數(shù)不同，盡可能采用高溫變率。本指南提供表1數(shù)據(jù)以供參考。
e） 試驗終止判據(jù)
試驗在以下情況終止：
1) 受試產(chǎn)品發(fā)生不可修復故障；
2) 修復受試產(chǎn)品出現(xiàn)的故障所需費用超過修復所帶來的效益；
3) 達到所需循環(huán)次數(shù)。
表 1 溫變率與循環(huán)次數(shù)的關系
|
溫度變化速率（℃/min） |
大約所需循環(huán)次數(shù)（次） |
|
10 |
16. |
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15 |
11 |
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20 |
9 |
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25 |
7 |
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30 |
6 |
振動步進應力施加方法
本指南采用普通的電振動臺或三軸六自由度振動臺來實施振動步進應力試驗。
a） 振動應力初始值
電振動臺振動步進應力試驗的初始值應為2grms（總均方根值），具體選擇應該根據(jù)不同試件決定，一般從2 grms開始試驗；為了提高效率也可以從3 grms～5 grms開始。
三軸六自由度振動臺試驗的初始值應為3 grms～5 grms，具體選擇應該根據(jù)不同試件決定，一般從5 grms開始試驗，為了提高效率也可以從為6 grms～8 grms開始；
b） 每步停留時間
每個振動水平的停留時間包括受試產(chǎn)品振動穩(wěn)定后的駐留時間以及功能和性能檢測時間。振動穩(wěn)定后駐留時間一般為5～10min，功能和性能檢測應該在振動穩(wěn)定后進行，所需時間視具體產(chǎn)品而定；
c） 振動步進應力步長
電振動臺振動步進應力步長一般為2 grms到3 grms，一般不超過3 grms，三軸六自由度振動臺振動步進應力步長一般為3 grms到5 grms，一般不超過5 grms。具體選擇依據(jù)產(chǎn)品能夠承受的最大應力和受試產(chǎn)品的實際使用情況。在試驗過程中，可以根據(jù)實際情況適當調(diào)整。
當應力到達受試產(chǎn)品工作極限后，應適當減小步長繼續(xù)試驗以找到破壞極限；
d） 振動應力工作極限和破壞極限
在振動應力步進試驗過程中，如果發(fā)現(xiàn)受試產(chǎn)品出現(xiàn)異常，立即將應力恢復至下一量級，進行全面檢測；如果受試產(chǎn)品又恢復正常，則判定受試產(chǎn)品出現(xiàn)異常的振動應力為受試產(chǎn)品的振動應力工作極限；如果仍不正常則判定當前應力為振動應力破壞極限；
e） 試驗終止判據(jù)
如果確認試驗出現(xiàn)的故障在產(chǎn)品使用中不可能出現(xiàn)就沒有必要進行改進，或者出現(xiàn)故障的應力水平遠高于產(chǎn)品技術規(guī)范，即產(chǎn)品已有足夠的安全余量，也可不采取改進措施，終止本次試驗。根據(jù)目前技術水平，如果電振動臺振動應力試驗到26 grms或三軸六自由度振動臺振動應力試驗到45 grms時產(chǎn)品依然沒有出現(xiàn)故障，可停止試驗。
綜合應力施加方法
a） 溫度循環(huán)
綜合應力試驗中的溫度變化率一般取快速溫變循環(huán)應力的量值，循環(huán)次數(shù)一般推薦5次；
b） 振動應力
振動應力施加方法一般分為恒定振動應力和步進振動應力。
1）恒定振動應力前幾個循環(huán)按破壞極限的50%施加，最后一個循環(huán)施加微振動應力，微振動應力一般為三軸六自由度臺5 grms±3 grms，電振動臺2 grms±1 grms；
2）步進振動應力，根據(jù)已完成試驗獲得的振動應力破壞極限和設定的循環(huán)次數(shù)確定步長。假如：在振動應力步進試驗中，35 grms為產(chǎn)品振動工作極限，設定的溫度循環(huán)次數(shù)是5，那么最初的試驗循環(huán)應該以7 grms水平開始。每一個循環(huán)之后，應該以振動水平為7 grms的步長增加，則具體的剖面參數(shù)為：循環(huán)1振動量級為7 grms，循環(huán)2振動量級為14 grms；循環(huán)3振動量級為21 grms；循環(huán)4振動量級為28 grms；循環(huán)5振動量級為35 grms；
c） 試驗終止判據(jù)
1) 受試產(chǎn)品發(fā)生不可修復故障；
2) 修復受試產(chǎn)品出現(xiàn)的故障所需費用超過修復所帶來的效益；
3) 達到所需循環(huán)次數(shù)。
9、試驗改進措施與驗證
故障根本原因分析和改進措施是可靠性強化試驗的核心。因此，在可靠性強化試驗過程中不能放過任何一個被激發(fā)出的故障，是設計問題就要改進設計，是工藝問題就要改進工藝。只有采用有效的糾正措施，才能加速設計和工藝的成熟，才能充分發(fā)揮可靠性強化試驗的長處。
改進措施落實后，還應對改進后的受試產(chǎn)品再進行可靠性強化試驗，以確認改進措施的有效性，以及采取的改進措施是否引進新的問題。繼續(xù)進行可靠性強化試驗不一定按照原試驗剖面全部執(zhí)行，對于故障前的步驟可省略。若出現(xiàn)新的問題，應進行故障分析，采取改進措施，然后根據(jù)需要，也可以重新設計試驗剖面，繼續(xù)進行試驗驗證。如此重復試驗—分析—改進—再試驗的過程，直到受試產(chǎn)品固有可靠性水平得到顯著提高，達到“健壯”的目的。
10、實施要點
實施可靠性強化試驗，應注意以下問題：
（1）重視所有故障
強化試驗的目的是提高產(chǎn)品可靠性，試驗本身只能發(fā)現(xiàn)缺陷，要提高產(chǎn)品可靠性，必須對出現(xiàn)的所有故障進行分析，采取改進措施并驗證。
（2）團隊協(xié)作的重要性
試驗期間需要試驗、設計和制造等各方面人員的相互協(xié)作，共同設計試驗，進行故障分析，討論是否需要采取改進措施及確定改進措施的方案。
（3）不是所有缺陷都需要采取改進措施
試驗中可能會出現(xiàn)很多故障，重視所有故障并不意味著要對所有故障采取改進措施。如果確認試驗出現(xiàn)的故障在產(chǎn)品使用中不可能出現(xiàn)就沒有必要進行改進，或者出現(xiàn)故障的應力水平遠高于產(chǎn)品設計規(guī)范，即產(chǎn)品已有足夠的安全余量，也可不采取改進措施。雖然不是所有的故障都需要采取改進措施，但所有促成故障的原因都應很清楚并有資料存檔。決定是否采取改進措施，主要由成本、時間、風險等因素決定。
（4）可靠性強化試驗應用的產(chǎn)品層次
可能進行可靠性強化試驗的產(chǎn)品層次有：電路板、組（部）件、產(chǎn)品、系統(tǒng)。隨著產(chǎn)品越來越復雜，進行可靠性強化試驗的難度也越來越大。
來源：質(zhì)量與可靠性學堂
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