加速試驗(yàn)
目錄
1.加速試驗(yàn)概述
加速試驗(yàn)是指在保證不改變產(chǎn)品失效機(jī)理的前提下,通過強(qiáng)化試驗(yàn)條件,使受試產(chǎn)品加速失效,以便在較短時(shí)間內(nèi)獲得必要信息,來評(píng)估產(chǎn)品在正常條件下的可靠性或壽命指標(biāo).通過加速試驗(yàn),可迅速查明產(chǎn)品的失效原因,快速評(píng)定產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。
2.加速試驗(yàn)的目的與特點(diǎn)
進(jìn)行加速試驗(yàn)的目的可概括如下：
（1）為了適應(yīng)日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境；
（2）在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)品投入市場(chǎng)；
（3）滿足用戶預(yù)期的需要。
加速試驗(yàn)是一種在給定的試驗(yàn)時(shí)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(yàn)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的。由于使用更高的應(yīng)力，在進(jìn)行加速試驗(yàn)時(shí)必須注意不能引入在正常使用中不會(huì)發(fā)生的故障模式。在加速試驗(yàn)中要單獨(dú)或者綜合使用加速因子，主要包括：
- 更高頻率的功率循環(huán)；
- 更高的振動(dòng)水平；
- 高濕度；
- 更嚴(yán)酷的溫度循環(huán)；
- 更高的溫度。
3.加速試驗(yàn)分類
加速試驗(yàn)主要分為兩類，每一類都有明確的目的：
（1）加速壽命試驗(yàn)--估計(jì)壽命；
（2）加速應(yīng)力試驗(yàn)--確定（或證實(shí)）和糾正薄弱環(huán)節(jié)。
這兩類加速試驗(yàn)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(gè)方面：作為試驗(yàn)的基礎(chǔ)的基本假設(shè)、構(gòu)建試驗(yàn)時(shí)所用的模型、所用的試驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)所、試驗(yàn)的實(shí)施方法、分析和解釋試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。表1對(duì)這兩類主要的加速試驗(yàn)進(jìn)行了比較。
| 試驗(yàn) | 目的與方法 | 注解 |
| 加速壽命試驗(yàn)（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(shí)所預(yù)期的更高 的應(yīng)力條件下的試驗(yàn)來度量可靠性（或壽命），以確定壽命多長(zhǎng)。 | 要求： 了解預(yù)期的失效機(jī)理； 了解關(guān)于加速該失效機(jī)理的大量信息，作為加速應(yīng)力的函數(shù) |
| 加速應(yīng)力試驗(yàn)（AST） | 施加加速環(huán)境應(yīng)力使?jié)撛诘娜毕莼蛘咴O(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)展為實(shí)際的失效， 確認(rèn)可能導(dǎo)致使用中失效的設(shè)計(jì)、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(jī)理。 對(duì)產(chǎn)品壽命的影響問題作出估計(jì)。 |
4.加速試驗(yàn)的產(chǎn)品層次
要明確進(jìn)行加速試驗(yàn)的產(chǎn)品層次（級(jí)別）是設(shè)備級(jí)還是零部件級(jí)，這一點(diǎn)很重要。某些加速方法只適用于零件級(jí)的試驗(yàn)，而有的方法只能用于較高級(jí)別的總成（設(shè)備），只有少數(shù)方法同時(shí)適用于零件級(jí)和總成（設(shè)備）級(jí)。對(duì)零件級(jí)非常合適的基本假設(shè)和建模方法在對(duì)較高級(jí)別的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)可能完全不成立，反之亦然。表2列出了在兩個(gè)主要的級(jí)別（設(shè)備級(jí)和零部件級(jí)）上進(jìn)行試驗(yàn)的信息。
| 級(jí)別 | 限制（局限） | 注解 |
| 設(shè)備級(jí) | 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?cè)O(shè)備的失效機(jī)理的應(yīng)力條件。 | 可以有效地用于設(shè)備的加速試驗(yàn)的一個(gè)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(gè)班次中運(yùn)行，航空電子設(shè)備在一次飛行前和飛行中只工作幾個(gè)小時(shí)，在這種情況下，在試驗(yàn)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(gè)班次，可使航空電子設(shè)備循環(huán)工作，在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(shí)間。這樣，盡管每個(gè)工作小時(shí)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(yàn)通常在可靠性鑒定試驗(yàn)中采用。這實(shí)際上是加速試驗(yàn)的一種形式（盡管通常不這樣認(rèn)為）。 |
| 零部件級(jí) | 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(jī)理的應(yīng)力就容易得多。 | 通常用一個(gè)給定的應(yīng)力可以對(duì)一個(gè)或多個(gè)支配性失效機(jī)理進(jìn)行加速試驗(yàn)，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(yàn)廣泛應(yīng)用于部件，并且極力推薦大多數(shù)類型的零件使用這一方法。 |
5.先進(jìn)的加速試驗(yàn)
過去，大多數(shù)加速試驗(yàn)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(yàn)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)力試驗(yàn)；
- 漸進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)；
- 高加速壽命試驗(yàn)（HALT）（設(shè)備級(jí)）；
- 高加速應(yīng)力篩選（HASS）（設(shè)備級(jí)）；
- 高加速溫度和濕度應(yīng)力試驗(yàn)（HAST）（零件級(jí)）。
高加速試驗(yàn)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(lì)，因此需要詳細(xì)理解試驗(yàn)結(jié)果。高加速試驗(yàn)用于確認(rèn)相關(guān)故障，并用來確保產(chǎn)品對(duì)高于所要求的強(qiáng)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(yàn)的目的是大大減少暴露缺陷所需要的時(shí)間。該方法可用于研制試驗(yàn)，也可用于篩選。
HALT（高加速壽命試驗(yàn)）是一個(gè)研制工具，而HASS（高加速應(yīng)力篩選）是一個(gè)篩選工具。它們常?；ハ嗦?lián)合使用。這是兩種相對(duì)較新的方法，與傳統(tǒng)的加速試驗(yàn)方法不同。HAL與THASS的具體目標(biāo)是改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將制造偏差和環(huán)境效應(yīng)對(duì)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)計(jì)與高加速試驗(yàn)沒有聯(lián)系。
步進(jìn)應(yīng)力譜試驗(yàn)。使用步進(jìn)應(yīng)力譜，試驗(yàn)樣本首先按事先規(guī)定的時(shí)間以某個(gè)給定的應(yīng)力水平試驗(yàn)一段，然后在高一點(diǎn)的應(yīng)力水平下再試驗(yàn)一段時(shí)間。不斷增加應(yīng)力水平繼續(xù)上面的過程，直到某個(gè)試驗(yàn)樣本失效，或者試驗(yàn)進(jìn)行到最大應(yīng)力水平時(shí)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(jì)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(jì)中進(jìn)行這樣的試驗(yàn)的一個(gè)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(gè)體都能經(jīng)受住使用環(huán)境和篩選環(huán)境。（從而提高產(chǎn)品的壽命或可靠性） 漸進(jìn)應(yīng)力譜試驗(yàn)。漸進(jìn)應(yīng)力譜或者"梯度試驗(yàn)"是另一種常見的方法，試驗(yàn)中應(yīng)力水平隨時(shí)間持續(xù)增加。其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)與步進(jìn)試驗(yàn)相同，但有另外一個(gè)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(yàn)）。HALT一詞是Gregg K. Hobbs 于1988年提出的。HALT有時(shí)指應(yīng)力增益壽命試驗(yàn)（STRIFE），是一種研制試驗(yàn)，是步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的一種強(qiáng)化形式。它一般用來確認(rèn)設(shè)計(jì)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(jì)強(qiáng)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(jì)。
HASS（高加速應(yīng)力篩選）試驗(yàn)。HASS是加速環(huán)境應(yīng)力篩選的一種形式。它代表了產(chǎn)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(shí)間。 HASS是為達(dá)到"技術(shù)的根本極限"而設(shè)計(jì)的。此時(shí)應(yīng)力的微小增加就會(huì)導(dǎo)致失效數(shù)的大量增加。這種根本極限的一個(gè)例子是塑料的軟化點(diǎn)。
HAST（高加速溫度和濕度應(yīng)力試驗(yàn)）。隨著近來電子技術(shù)的高速發(fā)展，幾年前剛剛出現(xiàn)的的加速試驗(yàn)可能不再適應(yīng)當(dāng)今的技術(shù)了，尤其是那些專門針對(duì)微電子產(chǎn)品的加速試驗(yàn)。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85℃/85%RH的溫度/濕度試驗(yàn)需要花上千小時(shí)才能檢測(cè)出新式集成電路的失效。在大多數(shù)情況下，試驗(yàn)樣本在整個(gè)試驗(yàn)中不發(fā)生任何失效。不發(fā)生失效的試驗(yàn)是說明不了什么問題的。而產(chǎn)品在使用中必定會(huì)偶爾失效。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)加速試驗(yàn)。HSAT就是為代替老的溫度/濕度試驗(yàn)而開發(fā)的方法。
6.加速試驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)注意的問題
加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪菍?duì)產(chǎn)品在正常應(yīng)力水平下以及一個(gè)或多個(gè)加速應(yīng)力水平下的關(guān)鍵因素進(jìn)行試驗(yàn)而導(dǎo)出的。在使用加速環(huán)境時(shí)一定要極其注意，以便識(shí)別和正確確認(rèn)在正常使用中將發(fā)生的失效和一般不會(huì)發(fā)生的失效。因?yàn)榧铀侪h(huán)境一般都使用遠(yuǎn)高于現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)所預(yù)期的應(yīng)力水平，加速應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際使用中不可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤的失效機(jī)理。例如，將受試產(chǎn)品的溫度升高到超過材料性能改變的溫度點(diǎn)或者休眠激活門限溫度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致在正常使用中不會(huì)發(fā)生的失效的發(fā)生。在這種情況下，解決這種失效只會(huì)增加產(chǎn)品的費(fèi)用，可靠性卻不會(huì)有絲毫的提高。理解真正的失效機(jī)理來消除失效的根本原因才是極為重要的。