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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-09-11 10:13
在激烈的市場競爭與產(chǎn)品迭代加速的當(dāng)下，可靠性已成為產(chǎn)品核心競爭力的基石。加速壽命試驗(yàn)（ALT）作為高效評(píng)估產(chǎn)品長期可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，其核心在于通過施加高于正常使用條件的應(yīng)力水平，在合理時(shí)間內(nèi)激發(fā)并觀測產(chǎn)品的失效行為。如何科學(xué)地選取加速應(yīng)力值并嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卮_定其上限，直接決定了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性與外推預(yù)測的準(zhǔn)確性。 這一過程不僅需要深厚的理論基礎(chǔ)，更需要工程實(shí)踐的智慧。
一、 加速應(yīng)力值的選?。浩胶饧铀傩逝c機(jī)理保真
1. 應(yīng)力類型選擇：失效機(jī)理的鑰匙
識(shí)別主導(dǎo)失效模式： 深入分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、工藝及預(yù)期使用環(huán)境，明確可能導(dǎo)致產(chǎn)品功能喪失的關(guān)鍵失效模式（如電子元器件的電遷移、絕緣材料的熱老化、機(jī)械部件的疲勞斷裂、電化學(xué)腐蝕等）。
匹配關(guān)鍵應(yīng)力因子： 根據(jù)主導(dǎo)失效模式的內(nèi)在物理化學(xué)過程，選擇最能激發(fā)該過程的應(yīng)力類型。例如：
溫度 (T)： 對基于化學(xué)反應(yīng)速率（如氧化、擴(kuò)散、聚合物降解）或某些物理過程（如蠕變）的失效至關(guān)重要。阿倫尼烏斯(Arrhenius)模型是其理論基礎(chǔ)。
電壓/電流 (V/I)： 針對電應(yīng)力相關(guān)的失效，如介電擊穿、電遷移、熱電子注入等。逆冪律模型或指數(shù)模型常用。
濕度 (H)： 對吸濕膨脹、電解腐蝕、導(dǎo)電陽極絲(CAF)生長、某些材料水解等失效敏感。常與溫度結(jié)合（溫濕度模型，如Peck模型）。
機(jī)械應(yīng)力 (S)： 包括振動(dòng)、沖擊、循環(huán)載荷（疲勞）、恒定應(yīng)力（蠕變）等，用于評(píng)估機(jī)械結(jié)構(gòu)的耐久性。S-N曲線（應(yīng)力-壽命）、Miner線性累積損傷理論等是基礎(chǔ)。
綜合應(yīng)力： 現(xiàn)實(shí)中失效常由多種應(yīng)力協(xié)同作用引發(fā)（如溫度+濕度+電壓）。選取應(yīng)力組合需更復(fù)雜模型（如廣義艾林模型）和試驗(yàn)設(shè)計(jì)。
2. 應(yīng)力水平數(shù)量與梯度：信息密度與成本效益
最少應(yīng)力水平數(shù)： 通常至少需要3個(gè)不同的加速應(yīng)力水平（不包括正常使用應(yīng)力水平）。這是擬合大多數(shù)加速模型（至少包含兩個(gè)參數(shù)，如Arrhenius的活化能Ea和比例因子A）并驗(yàn)證其線性/非線性關(guān)系的基本要求。
梯度設(shè)置原則：
覆蓋性： 應(yīng)力范圍應(yīng)能產(chǎn)生可測量的失效時(shí)間（明顯短于正常壽命），且失效時(shí)間在試驗(yàn)計(jì)劃的時(shí)間框架內(nèi)可接受。
區(qū)分度： 相鄰應(yīng)力水平之間應(yīng)有足夠差距，使得不同應(yīng)力水平下觀測到的失效時(shí)間分布能夠清晰區(qū)分，避免數(shù)據(jù)重疊導(dǎo)致模型擬合困難。
線性驗(yàn)證（若適用）： 對于預(yù)期為線性的加速模型（如Arrhenius在單對數(shù)坐標(biāo)下），應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)盡量均勻分布在所選范圍內(nèi)，以利于檢驗(yàn)線性假設(shè)是否成立。對于非線性模型，點(diǎn)選取需根據(jù)模型特性。
工程經(jīng)驗(yàn)與預(yù)試驗(yàn)： 參考?xì)v史數(shù)據(jù)、類似產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)或進(jìn)行小規(guī)模探索性預(yù)試驗(yàn)（如步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)），初步了解產(chǎn)品對目標(biāo)應(yīng)力的敏感程度，為正式試驗(yàn)的應(yīng)力水平設(shè)定提供依據(jù)。
3. 應(yīng)力水平間距：優(yōu)化信息獲取
對數(shù)空間 vs. 線性空間： 對于許多加速模型（尤其是反應(yīng)速率類），失效時(shí)間與應(yīng)力常呈對數(shù)關(guān)系（如L(T) ∝ exp(Ea/kT)）。此時(shí)，在應(yīng)力（或應(yīng)力的倒數(shù)，如1/T）的對數(shù)空間上均勻設(shè)置應(yīng)力水平，往往能獲得更均衡的失效時(shí)間分布和更優(yōu)的模型參數(shù)估計(jì)精度。例如，在溫度加速中，選擇溫度點(diǎn)使得1/T（絕對溫度K的倒數(shù)）均勻間隔通常優(yōu)于溫度T本身均勻間隔。
實(shí)際約束： 需考慮試驗(yàn)設(shè)備的精度、控制能力以及成本。過于密集的應(yīng)力水平增加試驗(yàn)復(fù)雜度和成本，過于稀疏則可能損失信息或無法驗(yàn)證模型。
4. 考慮正常使用應(yīng)力
基準(zhǔn)點(diǎn)： 如果資源允許且試驗(yàn)?zāi)康陌ň_外推，強(qiáng)烈建議包含一個(gè)接近或等于正常使用條件（或設(shè)計(jì)規(guī)格書規(guī)定的額定條件） 的應(yīng)力水平。這提供了一個(gè)關(guān)鍵的基準(zhǔn)點(diǎn)：
直接驗(yàn)證產(chǎn)品在預(yù)期使用條件下的可靠性是否達(dá)標(biāo)。
顯著提高加速模型外推至使用條件的精度和置信度。如果沒有這個(gè)點(diǎn)，外推完全依賴于加速模型的假設(shè)，風(fēng)險(xiǎn)更高。
二、 加速應(yīng)力上限的確定：守護(hù)失效機(jī)理不變的邊界
確定加速應(yīng)力上限是ALT設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性也最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。其核心目標(biāo)是：在保證產(chǎn)品在加速應(yīng)力下發(fā)生的失效機(jī)理與在正常使用應(yīng)力下預(yù)期發(fā)生的失效機(jī)理完全一致的前提下，盡可能提高應(yīng)力水平以獲得最大的加速效果。 突破這一上限，試驗(yàn)將失去意義，甚至產(chǎn)生誤導(dǎo)性結(jié)論。
1. 基于物理/化學(xué)失效模型的理論極限
材料相變點(diǎn)/玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)： 對于聚合物材料，當(dāng)溫度超過Tg時(shí)，分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力劇增，材料從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)或粘流態(tài)，物理機(jī)械性能（模量、強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性等）發(fā)生突變，失效機(jī)理（如脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂或蠕變失效）完全不同。因此，溫度加速上限通常應(yīng)遠(yuǎn)低于關(guān)鍵材料的Tg（例如，T < Tg - 15°C 到 -25°C，具體取決于應(yīng)用和安全裕度）。
材料熔點(diǎn)/軟化點(diǎn)： 對于金屬或陶瓷，溫度上限需遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)或再結(jié)晶溫度，避免發(fā)生不可逆的冶金學(xué)變化。
介質(zhì)擊穿強(qiáng)度： 對于電應(yīng)力加速（電壓、電場強(qiáng)度），上限必須低于材料（如絕緣層、氣隙）的本征擊穿強(qiáng)度，避免發(fā)生災(zāi)難性擊穿，這種失效模式通常不是長期退化失效的代表。需留有充分的安全裕度。
材料屈服強(qiáng)度/極限強(qiáng)度： 對于機(jī)械應(yīng)力加速（靜態(tài)載荷、循環(huán)應(yīng)力幅），上限必須低于材料的屈服強(qiáng)度（避免塑性變形）或疲勞極限（避免高周疲勞機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榈椭芷冢⒖紤]應(yīng)力集中等因素。
飽和蒸汽壓/凝露點(diǎn)： 在溫濕度試驗(yàn)中，溫度上限需確保試驗(yàn)箱內(nèi)相對濕度對應(yīng)的水汽分壓低于該溫度下的飽和蒸汽壓，避免出現(xiàn)凝露。凝露形成液態(tài)水膜，會(huì)引入電解腐蝕、漏電等常溫常濕下不會(huì)發(fā)生或程度完全不同的失效機(jī)理。使用露點(diǎn)計(jì)算器或濕度圖可輔助設(shè)定。
2. 基于失效機(jī)理分析的極限
失效物理 (PoF) 分析： 這是最根本的方法。深入研究產(chǎn)品在預(yù)期使用條件下和潛在加速條件下的失效物理和化學(xué)過程。通過理論分析、仿真模擬（如有限元分析FEA、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD、電熱耦合仿真）和材料特性測試，識(shí)別：
正常使用條件下的主導(dǎo)失效機(jī)理及其驅(qū)動(dòng)應(yīng)力。
當(dāng)加速應(yīng)力提高到何種水平時(shí)，會(huì)引入新的、非典型的失效機(jī)理（如過高溫導(dǎo)致焊料重熔、過電壓導(dǎo)致瞬時(shí)擊穿而非長期TDDB、過高機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致一次性斷裂而非疲勞裂紋擴(kuò)展）。
當(dāng)加速應(yīng)力提高到何種水平時(shí)，會(huì)導(dǎo)致原有主導(dǎo)失效機(jī)理的速率控制步驟發(fā)生改變（如溫度過高使得反應(yīng)從動(dòng)力學(xué)控制轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散控制）。
專家知識(shí)與歷史經(jīng)驗(yàn)： 借鑒領(lǐng)域?qū)＜乙庖?、公司?nèi)部歷史失效數(shù)據(jù)庫、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如JEDEC, IPC, MIL-STD, AEC-Q100等）以及公開文獻(xiàn)中關(guān)于同類產(chǎn)品或材料在加速應(yīng)力下的失效模式轉(zhuǎn)變報(bào)告。
3. 預(yù)試驗(yàn)方法：實(shí)踐出真知
步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn) (Step-Stress Testing, SST)：
方法： 選取少量樣品，從較低應(yīng)力開始，按預(yù)設(shè)步長逐步增大應(yīng)力水平，并在每個(gè)應(yīng)力水平保持一段時(shí)間（通常較短）。密切監(jiān)測產(chǎn)品性能參數(shù)或失效發(fā)生。
目的： 快速探測產(chǎn)品對目標(biāo)應(yīng)力的響應(yīng)范圍，直觀地觀察失效模式何時(shí)開始發(fā)生變化（如從正常退化失效突然轉(zhuǎn)變?yōu)闊龤?、熔斷、結(jié)構(gòu)崩潰等）。發(fā)生失效模式轉(zhuǎn)變的應(yīng)力點(diǎn)之前的一個(gè)或兩個(gè)應(yīng)力水平，常被視為加速上限的候選值。SST是確定上限非常高效且常用的手段。
高加速壽命試驗(yàn) (HALT)：
方法： 對少量樣品施加遠(yuǎn)超預(yù)期規(guī)格的、單軸或多軸的步進(jìn)遞增的極端應(yīng)力（如快速溫變率、寬溫度范圍、多軸振動(dòng)、高電應(yīng)力組合），目的是快速暴露產(chǎn)品的所有設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)和工藝缺陷，找出操作極限和破壞極限。
應(yīng)用： 雖然HALT的主要目的是設(shè)計(jì)裕度摸底和快速改進(jìn)，但其發(fā)現(xiàn)的工作極限 (Operating Limit) 和破壞極限 (Destruct Limit) 為后續(xù)定量ALT的加速應(yīng)力上限設(shè)定提供了極其重要的參考。通常，ALT的上限應(yīng)設(shè)定在HALT工作極限之下，并留有安全裕度。
4. 退化量監(jiān)測與模型診斷
原位/在線監(jiān)測： 在ALT過程中，除了記錄失效時(shí)間，持續(xù)監(jiān)測能反映產(chǎn)品健康狀態(tài)或退化進(jìn)程的關(guān)鍵性能參數(shù)（如電阻值漂移、漏電流增大、電容損耗變化、機(jī)械位移量、振動(dòng)特性變化、光學(xué)性能衰減等）。繪制這些退化參數(shù)隨時(shí)間和應(yīng)力的變化曲線。
診斷不一致性：
比較退化軌跡： 觀察不同加速應(yīng)力水平下，退化參數(shù)隨時(shí)間變化的軌跡形狀（線性、指數(shù)、冪律等）是否相似。如果高應(yīng)力下的退化曲線形狀與低應(yīng)力或正常應(yīng)力下的形狀發(fā)生顯著偏離，可能預(yù)示著失效機(jī)理的改變。
檢查模型擬合： 用預(yù)設(shè)的加速模型（如Arrhenius）擬合不同應(yīng)力水平下的失效時(shí)間或退化速率數(shù)據(jù)。如果高應(yīng)力水平的數(shù)據(jù)點(diǎn)顯著偏離模型擬合曲線（尤其在單對數(shù)或雙對數(shù)坐標(biāo)下），這通常是失效機(jī)理在高應(yīng)力下發(fā)生改變或模型本身不適用的強(qiáng)烈信號(hào)。這種不一致性是設(shè)定上限的重要依據(jù)。
5. 加速模型適用范圍的限制
固有假設(shè)： 任何加速模型都有其成立的前提假設(shè)。例如，Arrhenius模型假設(shè)活化能Ea恒定且失效機(jī)理單一不變；逆冪律模型假設(shè)指數(shù)恒定。這些假設(shè)只在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)成立。
文獻(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)指南： 查閱相關(guān)研究文獻(xiàn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，了解特定類型產(chǎn)品/材料/失效模式所推薦的加速因子和應(yīng)力上限的經(jīng)驗(yàn)范圍。例如，半導(dǎo)體結(jié)溫加速通常建議上限不超過最大結(jié)溫(Tjmax) + 40°C；電容器電壓加速通常建議不超過額定電壓的1.3-2.0倍（具體取決于類型和廠商規(guī)范）。
三、 綜合策略與最佳實(shí)踐建議
1.始于機(jī)理： 應(yīng)力類型和初步范圍的選取必須根植于對產(chǎn)品主導(dǎo)失效物理/化學(xué)機(jī)理的深刻理解。這是整個(gè)ALT設(shè)計(jì)的基石。
2.預(yù)試驗(yàn)先行： 務(wù)必進(jìn)行步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)(SST)或利用HALT結(jié)果。這是識(shí)別失效模式轉(zhuǎn)變點(diǎn)、確定加速應(yīng)力上限最直接、最可靠、最常用的工程手段。不要僅憑理論或猜測。
3.多維度交叉驗(yàn)證： 將基于物理模型的理論極限分析、失效物理(PoF)分析、預(yù)試驗(yàn)結(jié)果以及退化監(jiān)測/模型診斷的結(jié)果進(jìn)行交叉比對和驗(yàn)證。只有當(dāng)多個(gè)獨(dú)立方法指向相似的應(yīng)力上限范圍時(shí)，結(jié)論才更可信。
4.保守原則： 在存在不確定性的情況下，優(yōu)先選擇相對保守（即略低）的應(yīng)力上限。確保機(jī)理不變性比追求更高的加速因子更重要。“過猶不及”在ALT中體現(xiàn)得淋漓盡致。
5.包含基準(zhǔn)點(diǎn)： 如果目標(biāo)包含精確外推，強(qiáng)烈建議包含正常使用應(yīng)力（或接近）水平作為試驗(yàn)點(diǎn)。
6.應(yīng)力水平與間距優(yōu)化： 在確定的加速范圍內(nèi)（從略高于正常應(yīng)力到確定的上限），設(shè)置至少3個(gè)（推薦4-5個(gè)）應(yīng)力水平。對于反應(yīng)速率模型，優(yōu)先考慮在驅(qū)動(dòng)力的對數(shù)空間上（如1/T）均勻分布。
7.持續(xù)監(jiān)控與診斷： 試驗(yàn)過程中密切監(jiān)測失效模式和退化路徑。一旦發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力水平下出現(xiàn)異常失效或退化軌跡顯著偏離，應(yīng)及時(shí)分析原因，必要時(shí)調(diào)整試驗(yàn)方案或重新評(píng)估上限。
8.記錄與迭代： 詳細(xì)記錄應(yīng)力選取和上限確定的依據(jù)、過程、結(jié)果以及試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象。這些經(jīng)驗(yàn)對于后續(xù)產(chǎn)品迭代和試驗(yàn)方案優(yōu)化至關(guān)重要。
四、 結(jié)論
加速壽命試驗(yàn)中應(yīng)力值的選取與上限的確定，絕非簡單的數(shù)值設(shè)定，而是一項(xiàng)融合了失效物理理論、材料科學(xué)知識(shí)、加速模型原理、精密試驗(yàn)技術(shù)和豐富工程經(jīng)驗(yàn)的綜合性決策過程。其核心挑戰(zhàn)與最高準(zhǔn)則是：在施加的加速應(yīng)力下，必須確保激發(fā)出的失效機(jī)理與產(chǎn)品在預(yù)期使用壽命和環(huán)境條件下自然發(fā)生的失效機(jī)理嚴(yán)格一致。 任何違背這一準(zhǔn)則的加速，無論其產(chǎn)生的“壽命數(shù)據(jù)”多么誘人，都是無效甚至有害的。
通過系統(tǒng)地應(yīng)用基于物理化學(xué)模型的理論極限分析、深入透徹的失效機(jī)理研究、必不可少的預(yù)試驗(yàn)（尤其是步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)或HALT）探索、結(jié)合試驗(yàn)過程中的退化監(jiān)測與模型診斷，工程師可以科學(xué)、穩(wěn)健地劃定加速應(yīng)力的安全操作空間。選取合適的應(yīng)力梯度并包含基準(zhǔn)點(diǎn)，則能最大化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值，為精確外推產(chǎn)品在正常使用條件下的可靠性提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
在可靠性的征途上，加速試驗(yàn)如同穿越時(shí)間隧道的飛船，而應(yīng)力上限的確定便是確保飛船不偏離航線的關(guān)鍵導(dǎo)航儀。唯有在科學(xué)邊界的守護(hù)下，速度才真正具有通向未來的意義。 對失效機(jī)理的敬畏和對邊界條件的審慎，是每一位可靠性工程師設(shè)計(jì)有效ALT時(shí)必須秉持的核心理念。這需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和豐富的工程判斷力，也是加速壽命試驗(yàn)技術(shù)最核心的“藝術(shù)”所在。
來源：可靠性工程學(xué)
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