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1.7 可靠性试验新技术 |
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20世纪80年代初，在应力筛选迅速发展的同时，人们就已经注意到由于设计潜在缺陷的残留量仍不少，为可靠性的提高提供了可观的空间；另外，还有价格和研制周期问题，这是当今动态市场竞争的焦点。实践证明，可靠性强化试验（RET）正是综合解决这一问题的最好方法。RET获得的可靠性比传统方法高得多，更可贵的是RET在短时间内就获得早期高可靠性，不用像传统方法那样需长时间的可靠性增长，从而也降低了成本。
最先从事这方面工作、称得上先驱者的是G.K.Hobbs、K.A.Gray和L.W.Condra等人。他们称这种试验为高加速寿命试验（HALT）和高加速应力筛选（HASS），前者针对设计，后者针对生产，方法的核心是施加大应力，一步步地加，一次次地排除缺陷，故也叫步进应力法，以此获得高可靠性。从20世纪80年代末至90年代初，这种试验相继在各工业部门推广应用，无一例外地取得了很大的成功。由于商业竞争与军工保密的原因，至今有关该试验的许多重大成果仍未解密发表，连名称也尚未统一。该试验的名称有步进应力试验（Step Stress）、高加速寿命试验（HALT）、应力增益寿命试验（STRIFE）、应力裕度和强壮试验（SMART）和可靠性强化试验（RET）等，波音公司把RET当作这一试验技术的统称是较为合理的，因为它突出了强化试验的特点。
RET得到迅速发展的原因还在于20世纪90年代市场可靠性观念的更新和关键技术的突破。L.W.Condra在其系列论文中说，美国生产厂家在20世纪80年代认识到质量的重要性，深知市场只接受质高价廉的产品，到90年代又认识到可靠性的重要性，深知市场对产品不仅要求高的开箱率，而且要求在设计寿命期内确保性能良好不变。这是新一轮对可靠性的挑战，而RET正是满足这一挑战的最好方法。Condra指出按传统的可靠性定义去应付瞬息万变的动态市场显得太被动了，厂家只对用户的条件（规范）负责，不对产品的使用负责必然导致在市场中的失败。于是，20世纪90年代，一种进取性的市场可靠性定义便应时而生；一种可靠的产品应随时都能完成用户需其完成的任何任务。这样一来，厂家便变被动为主动，了解用户对产品的要求，关注市场的发展，不断改进更新产品，以上乘的质量可靠性换取不断扩大的市场占有份额，获取丰厚的利润回报，因此可靠性便不再是一种成本负担，相反，可靠性正是商家追求的一种资产、一种财富。
但是，传统的可靠性试验既极费钱又极费时，必须要开发一种新的经济有效的替代法来适应这一需求，这便是RET。RET技术的理论依据是故障物理学，把故障或失效当作研究的主要对象，通过发现、研究和根治故障达到提高可靠性的目的。对当今高度复杂的电子或机电产品，要发现潜在故障绝非易事，特别是一些潜伏极深的或间歇性故障，必须采用强化应力的方法强迫其暴露。实践证明，RET效果显著。
Gregg K.Hobbs先生曾就强化应力的效果问题设计了一种金属试件，对疲劳寿命进行了研究。研究发现，当应力强度增加1培时，疲劳寿命降低为1/1000，在实际应用时振动引起的失效就属于这一类型。除了施加强化应力外，由于有缺陷产品的应力集中系数高达2～3倍，从而使疲劳寿命相应降低好几个数量级，这样就使产品内的有缺陷元件与无缺陷元件在相同的强化应力下疲劳寿命拉大了档次。使缺陷迅速暴露的同时无缺陷元件损伤甚小，这一理想的效应正是我们所需要的。
温度循环属于热疲劳性质，S.Smithson先生在《效率与经济性》一文中也给出了类似的效果。若以两个不同的温变率为例，一个为5℃/min，另一个强化到40℃/min，则它们的疲劳寿命效率比为4400∶1，其他温变率的情况如表1.4所示。
表1.4 试验对比表
根据上述数据可以看到，RET的综合效果是：大幅提高可靠性，高度压缩时间，从而也降低了成本。
要实施强化应力必须要有相应的设备，使用传统的试验设备进行RET也能取得某种程度的成功，但由于现有温箱的温变率偏低，多为5～10℃/min，振动台只有单轴台，试验时需换向，价格也贵，无法满足RET的要求。因此，一种崭新的高效价廉设备的应时推出配合了RET技术的发展。新设备由高温变率温箱和气动式3轴6自由度（6DOF）振动台组成，高温变率用液氮致冷取得。这本非新技术，但由于过去人们对液氮成本过高有所担心，致使长期被搁浅，现经全面比较，因RET的高效率和高压缩而反使成本有所降低，从而得以确认使用。
6DOF台由气动反复冲击机发展而成，该机原用于模拟炮射冲击环境，因其有6自由度空间和价廉的特点，被看中用来改装模拟随机振动，经过不断改进发展而获成功。其关键技术主要有二：一是锤头击打频率（30～50Hz）和锤头击打力度可随机调制（通过冲程），这样由若干个锤头和一个台面构成的气动振动台便可产生一种非高斯型的准随机激励；二是累积疲劳系数（AFF）分析方法在该类激励中的成功应用。根据G.Henderson引用R.G.Lambert的研究成果，累积疲劳损伤主要由大于2σ的应力峰所造成，而6DOF台具有丰富的远大于2σ的峰值概率分布，故具有极强的激发缺陷的能力。根据对AFF的计算结果，6DOF台的效率与单轴振动台的效率比值为2114∶1。作为6DOF台的缺点的试验均匀性和重复性问题，经G.Hobbs和惠普公司等进行了长达一年多的试验研究也得到了很好的解决。
当今，许多产品都能在极端严酷的环境应力下无故障地运转上千个小时。为了确认设计缺陷或验证预计的寿命，传统的试验方法已经不再胜任人们的需求了。可靠性工作者开始研究先进的试验方法与技术。
1.加速试验目的
进行加速试验的目的可概括如下。
（1）为了适应日益激烈的竞争环境。
（2）在尽可能短的时间内将产品投入市场。
（3）满足用户预期的需要。
2.加速试验特点
加速试验是一种在给定的试验时间内获得比在正常条件下（可能获得的信息）更多信息的方法。它是通过采用比设备在正常使用中所经受的环境更为严酷的试验环境来实现这一点的。由于使用更高的应力，在进行加速试验时必须注意不能引入在正常使用中不会发生的故障模式。在加速试验中要单独或综合使用加速因子，主要包括如下几个。
（1）更高频率的功率循环。
（2）更高的振动水平。
（3）高湿度。
（4）更严酷的温度循环。
（5）更高的温度。
加速试验主要分为两类，每一类都有明确的目的。
（1）加速寿命试验——估计寿命。
（2）加速应力试验——确定（或证实）和纠正薄弱环节。
这两类加速试验之间的区别尽管细微，但却很重要。它们的区别主要表现在下述几个方面：作为试验基础的基本假设、构建试验时所用的模型、所用的试验设备和场所、试验的实施方法、分析和解释试验数据的方法。表1.5对这两类主要的加速试验进行了比较。
表1.5 两类主要的加速试验的比较
要明确进行加速试验的产品层次（级别）是设备级还是零部件级，这一点很重要。某些加速方法只适用于零件级的试验，而有的方法只能用于较高级别的总成（设备），只有少数方法同时适用于零件级和总成（设备）级。对零件级非常合适的基本假设和建模方法在对较高级别的设备进行试验时可能完全不成立，反之亦然。表1.6列出了在两个主要的级别（设备级和零部件级）上进行试验的信息。
加速试验模型将零部件的失效率或寿命与给定的应力联系起来，这样，就可以用在加速试验中得到的度量来推断正常使用条件下的性能。这里隐含的假设是应力不会改变失效分布的形式。
表1.7总结了3种最常见的加速试验模型，实际中使用的模型不止这3种。在选用模型时，最关键的准则是所选用的模型能精确地把加速条件下的可靠性或寿命模拟成正常使用条件下的可靠性或寿命。在选择最适用的模型时和在具体应用中，为所选用的模型选择适当的验证范围时必须十分小心。
表1.6 加速试验的产品级别
表1.7 常见的加速试验模型
过去，大多数加速试验都是使用单一应力和在定应力谱进行的，包括周期固定的周期性应力（例如，温度在规定的上、下限之间循环，温度的上限和下限及温度的变化率是恒定的）。但是，在加速试验中，应力谱不必是恒定的，也可以使用多种应力的组合。常见的非恒定应力谱和组合应力包括：
（1）步进应力谱试验；
（2）渐进应力谱试验；
（3）高加速寿命试验（HALT）（设备级）；
（4）高加速应力筛选（HASS）（设备级）；
（5）高加速温度和湿度应力试验（HAST）（零件级）。
高加速试验系统性地使用大大超过产品使用中预期水平的环境激励，因此需要详细理解试验结果。高加速试验用于确认相关故障，并用来确保产品对高于所要求的强度有足够的裕度，以便能经受正常的使用环境。高加速试验的目的是大大减少暴露缺陷所需要的时间。该方法可用于研制试验，也可用于筛选。
HALT是一个研制工具，而HASS是一个筛选工具。它们常常互相联合使用。这是两种相对较新的方法，与传统的加速试验方法不同。HALT与HASS的具体目标是改进产品设计，将制造偏差和环境效应对产品性能和可靠性的影响减至最小。通常定量的寿命或可靠性预计与高加速试验没有联系。
1.步进应力谱试验
使用步进应力谱，试验样本首先按事先规定的时间以某个给定的应力水平试验一段，然后在高一点的应力水平下再试验一段时间。不断增加应力水平继续上面的过程，直到某个试验样本失效，或者试验进行到最大应力水平时终止。这种方法能更快速地使产品失效以便分析。但是，用这种方法很难正确建立加速模型，因此很难定量地预计产品在正常使用条件下的寿命。
每一步中应该增加的应力量值与许多变量有关。但是，允许在设计中进行这样的试验的一个普遍的法则是：假设产品没有缺陷，如果最终能以适当的裕度超出预期的使用环境中的应力，那么就能保证总体中的每一个个体都能经受住使用环境和筛选环境。
2.渐进应力谱试验
渐进应力谱或梯度试验是另一种常见的方法，试验中应力水平随时间持续增加。其优点和缺点与步进应力谱试验相同，但有另外一个困难，那就是很难精确地控制应力增加的速率。
3.HALT
HALT一词是Gregg K.Hobbs于1988年提出的。HALT有时指应力增益寿命试验（STRIFE），是一种研制试验，是步进应力试验的一种强化形式。它一般用来确认设计的薄弱环节和制造过程中存在的问题，以及用来增加设计强度的富裕量，而不用来进行产品寿命或可靠性的定量预计。
4.HASS
HASS是加速环境应力筛选的一种形式。它代表了产品所经历的最严酷的环境，但通常持续很有限的一段时间。HASS是为达到“技术的根本极限”而设计的。此时，应力的微小增加就会导致失效数的大量增加。这种根本极限的一个例子是塑料的软化点。
5.HAST
随着近年来电子技术的高速发展，几年前出现的加速试验可能不再适应当今的技术了，尤其是那些专门针对微电子产品的加速试验。例如，由于塑料集成电路包的发展，现在用传统的、普遍被接受的85℃/85%RH的温度/湿度试验需要花上千小时才能检测出新式集成电路的失效。在大多数情况下，试验样本在整个试验中不发生任何失效，不发生失效的试验是说明不了什么问题的，而产品在使用中必定会偶尔失效，因此需要进一步改进加速试验。HSAT就是为代替老的温度/湿度试验而开发的方法。
加速试验模型是对产品在正常应力水平下及一个或多个加速应力水平下的关键因素进行试验而导出的。在使用加速环境时一定要极其注意，以便识别和正确确认在正常使用中将发生的失效和一般不会发生的失效，因为加速环境一般都使用远高于现场使用时所预期的应力水平，加速应力会导致在实际使用中不可能出现的错误的失效机理。例如，将受试产品的温度升高到超过材料性能改变的温度点或休眠激活门限温度时，就会导致在正常使用中不会发生的失效的发生。在这种情况下，解决这种失效只会增加产品的费用，可靠性却不会有丝毫的提高。理解真正的失效机理来消除失效的根本原因才是极为重要的。