1、加速试验北京运通恒达科技有限公司2005年1月第1页，共108页。主要内容n加速试验概述n定性加速试验n定量加速试验第2页，共108页。加速试验概述n加速试验的背景和发展n加速试验的概念n加速试验的分类n加速试验使用的应力类型n加速试验使用的试验设备第3页，共108页。加速试验的背景 随着科技的发展，对产品的质量要求越来越高。因此为了提高产品的可靠性水平，传统的可靠性方法已经不能满足要求。加速试验技术正是这样应运而生。它不仅缩短了产品研制时间，节省了成本，并且也因此提高了公司产品的竞争力。第4页，共108页。加速试验的发展70年代n加速试验的最初思路是从元器件的老化(老炼)试验而来。n筛选的目
2、的是激发、排除缺陷，故所施加的应力不必模拟真实环境，只要激发的效率越高越好n自从Nelson与70年代末提出了累积损伤的原则以来，加速寿命试验(Accelerated Life Testing)得到了蓬勃的发展第5页，共108页。加速试验的发展80年代nGregg.K.Hobbs博士经多年对环境应力筛选的研究提出了高加速寿命试验(Highly Accelerated Life Testing)和高加速应力筛选(Highly Accelerated Stress Screening)第6页，共108页。加速试验的发展90年代n美国波音公司首次提出可靠性强化试验（RET-Reliability E
3、nhancement Testing）第7页，共108页。加速试验的概念 加速试验产品在比正常工作环境应力下更加严酷的环境应力下进行试验。与传统的模拟正常工作环境的可靠性试验相比，是一种激发性试验。第8页，共108页。加速试验分类 按照试验最终结果是否给出可靠性指标，加速试验分为n定性加速试验 a.HALT/AST/RET/STRIFE b.HASS c.HASAn定量加速试验 ALT第9页，共108页。定性加速试验HALTnHALT高加速寿命试验(Highly Accelerated Life Testing)。使用阶跃式应力使得产品承受不同的应力以此来发现产品的设计限的一种过程。HALT意
4、在于发现产品的应力限以及确认产品的薄弱地方。这种信息的使用有助于产品的再设计。与之类似的还有：AST(Accelerated Stress Testing，加速应力试验)、RET(Reliability Enhancement Testing，可靠性强化试验)、STRIFE(应力+寿命)。从实质上来说，它们都是在加大的应力水平下加速暴露产品缺陷，从而提高产品可靠性水平的一种试验方法，只是名称叫法不一样。第10页，共108页。定性加速试验 HASSnHASS高加速应力筛选(Highly Accelerated Stress Screening)。是一种在产品制造过程中使用的筛选试验方法。它可以防
5、止有缺陷的产品交付到客户手中。第11页，共108页。定性加速试验 HASAnHASA高加速应力抽检筛选(Highly Accelerated Stress Audit).是一种在产品批生产阶段使用抽样理论的筛选试验方法。它可以防止有缺陷的产品交付到客户手中。第12页，共108页。定量加速试验 ALTnALT加速寿命试验(Accelerated Life Testing).第13页，共108页。加速试验试验使用的应力类型 经统计，对产品可靠性产生影响的环境应力主要是温度和振动应力。据统计引起产品故障的环境因素中，温度占50%左右，振动占20%左右。第14页，共108页。加速试验使用的设备n温度箱
6、 液氮制冷 快速温变率，产品上温变率可达60/min 温度运行范围-100+200n振动台 气锤振动台 六自由度（三个线加速度三个角加速度）宽带振动（5Hz10000Hz）第15页，共108页。气锤振动台第16页，共108页。六自由度第17页，共108页。定性加速试验第18页，共108页。主要内容nHALTnHASSnHASA第19页，共108页。HALT目的：n快速发现设计和生产中的局限性/缺陷n寻找和提高产品设计裕度n充分提高产品可靠性n评价产品持续改进的有效性n为HASS/HASA/ALT提供试验参数第20页，共108页。HALT实施步骤:n夹具设计n辅助测试设备开发n确认产品功能n执行
7、HALT(确定健壮度)n失效分析n实施纠正措施(Corrective Action，CA)n重复HALT(确认CA)nHALT报告第21页，共108页。HALT试验夹具 夹具是用来为试件和振动台提供机械连接的一种装置。第22页，共108页。HALT试验夹具须满足：n重量尽量轻,以减少振动台负载;n在结构上要有很好的刚性;n在振动中不会产生共振;n具有良好的振动传递特性,不过量衰减振动台的振动,不过滤各频率成分的振动能量,并且保证夹具上各试件的各个部分在各个方向上获得的振动量级一致;n要求各试件之间保持良好的气体流通,以保证在温度环境应力试验中,各部分的温度变化同一,和温箱的温度尽量保持一致。第
8、23页，共108页。加速度自功率控制谱第24页，共108页。HALT试验夹具第25页，共108页。辅助测试设备开发n针对于不同的产品，根据其功能参数设计不同的测试设备。第26页，共108页。执行HALT进行HALT试验第27页，共108页。HALT样本容量n样本容量n的计算如下式其中：P(d)是某一故障可能被检测到的概率 p是故障概率或者是任何有故障单元的概率 pdPn1log)(1log第28页，共108页。HALT样本容量n比如，某故障发生概率是7%，如果被检测到的概率是90%，那么根据公式就可以得到：即HALT试验需要32个试验样本。32)07.01log()9.01log(1log)(
9、1logpdPn第29页，共108页。应力极限n技术规范Technology Specificationn工作上限upper operating limitn工作下限lower operating limitn破坏上限upper destruct limitn破坏下限lower destruct limit第30页，共108页。应力裕度破坏下限工作下限产品规范工作上限 破坏上限破坏裕度应力工作裕度破坏裕度工作裕度第31页，共108页。应力干涉第32页，共108页。HALT一种采用步进应力的试验方法第33页，共108页。步进应力示意图第34页，共108页。应力施加顺序n温度步进应力 低温步进 高
10、温步进 快速温变n振动步进应力n综合环境应力第35页，共108页。热分布测试n试验前对产品的热分布进行测试。此过程在室温下进行（不是在试验箱），测试过程中必须安装上所有结构面板。测试监控所有主要器件的温度，产品运行至少2小时后，记录环境温度和各器件的壳温。第36页，共108页。温度步进应力低温步进 低温步进应力试验在某一接近室温的温度条件下进行，通常取+20+30。第37页，共108页。温度步进应力低温步进n步长通常为10，但是某些时候也可以增加到20或减小到5。建议在低温工作极限前步长设定为10，低温工作极限后步长调整为5，视产品具体情况而定。建议试验应力到达产品工作极限之后，适当减小步长继
11、续试验至破坏极限。第38页，共108页。温度步进应力低温步进(例子)测试从20开始，步进步长为-10，温变率40/min。每个温度台阶保持10分钟并完成功能测试。每个温度台阶结束后，进行5次上下电测试，测试每次上下电后功能是否可以完全恢复。试验一直持续到发现被测产品的工作极限和破坏极限。如果温度降至某一预定温度还没有发现破坏极限，则可以停止试验。第39页，共108页。温度步进应力高温步进n高温步进应力试验在某一接近室温的温度条件下进行，通常取+20+40。第40页，共108页。温度步进应力高温步进n步长通常为10，但是某些时候也可以增加到20或减小到5。建议在高工作极限前步长设定为10，高温工
12、作极限后步长调整为5，视产品具体情况而定。建议试验应力到达产品工作极限之后，适当减小步长继续试验至破坏极限。第41页，共108页。温度步进应力高温步进(例子)测试从30开始，步进应力步长为10，温变率40/min。每个温度台阶保持10分钟并完成功能测试。每个温度台阶结束后，进行5次上下电测试，测试每次上下电后功能是否可以完全恢复。试验一直持续到发现被测产品的工作极限和破坏极限。如果温度升至100还没有发现破坏极限，则可以停止试验。第42页，共108页。温度步进应力第43页，共108页。温度步进应力温度循环n通常温度循环的上、下限以不超过产品破坏极限的80%为佳。n在通常情况下，试件在上下限温度
13、保持时间以1020分钟为宜。n强化试验中的温度变化率一般在15/min到60/min之间。这一速率是指试验箱内温度变化的平均速度。n为了节约试验费用，每次试验的循环次数一般不超过6次。第44页，共108页。温度步进应力温度循环(例子)n温度循环的高/低温值选择温度步进应力试验中得到的工作极限的80%，循环5次，温度变化率40/min。每个温度台阶保持5分钟并完成功能测试。每个温度台阶结束后，进行1次上下电测试，测试每次上下电后功能是否可以完全恢复。第45页，共108页。温度步进应力温度循环第46页，共108页。温度步进应力注意事项n在温度循环时，应该采用温度变化至少100（比如-30至70）、
14、高温变率（每分钟20-40）的试验，以给产品提供所需要的温度应力（或是热冲击），这应该作为一个重要的规则。n增加受试产品的温变率，筛选强度也会增大 n温度循环建议最好运行20个循环以上。第47页，共108页。振动步进应力n气锤台振动步进应力试验的初始值应为3Grm到5Grm，具体选择应该根据不同试件决定，一般从5Grm开始试验。第48页，共108页。振动步进应力n每个振动水平的停留时间包括产品振动稳定后的驻留时间以及功能和性能检测时间。振动稳定后驻留时间一般为510分钟，功能和性能检测应该在振动稳定后进行，所需时间视具体产品而定。n气锤台振动步进应力步长一般为3Grm到5Grm，一般不超过10
15、Grm。第49页，共108页。振动步进应力第50页，共108页。振动步进应力例子n振动步进应力试验前，使用加速度传感器监测产品的振动响应。试验在环境温度下进行。起始振动为5Grms，步进应力步长为5Grms。每个振动台阶保持10分钟并完成功能测试。每个振动台阶结束后，进行5次上下电测试，测试每次上下电后功能是否可以完全恢复。试验一直持续到发现被测产品的工作极限和破坏极限，如果振动设置到40Grms还没有发现破坏极限，则可以停止试验。第51页，共108页。振动步进应力注意事项n当振动应力到较高量级（20g以后），在每一步结束后返回到“微振动”（5Grm3Grm）以检测在较高振动水平时发生的可能故
16、障 第52页，共108页。综合环境步进应力温度n通常温度循环的上、下限以不超过产品破坏极限的80%为佳。n在通常情况下，试件在上下限温度保持时间以1020分钟为宜。n强化试验中的温度变化率一般在15/min到60/min之间。这一速率是指试验箱内温度变化的平均速度。n为了节约试验费用，每次试验的循环次数一般不超过6次。第53页，共108页。综合环境步进应力振动n根据已完成试验获得的振动应力破坏极限值和设定的循环次数确定步长。假如在振动应力步进试验中，产品在35Grms时发生了不可修复的故障，并且设定的温度循环次数是5，那么最初的试验循环应该以7Grms水平开始。每一个循环之后，应该以振动水平为
17、7Grms的步长增加，则具体的剖面参数为：循环1量级为7Grms，循环2量级为14Grms；循环3量级为21Grms；循环4量级为28Grms；循环5量级为35Grms。第54页，共108页。综合环境步进应力第55页，共108页。综合环境步进应力例子n试验中，高/低温值选择温度步进应力试验中得到的工作极限的80%，振动应力为振动步进应力试验中得到的工作极限的50%，试验进行5个高低温循环。每个温度台阶停留时间为10分钟并完成功能测试。每个温度台阶结束后，进行5次上下电测试，测试每次上下电后功能是否可以完全恢复。试验温度变化率40/min。最后一个周期振动应力减少为5Grms。第56页，共108
18、页。综合环境步进应力n除非产品事先已加固，否则对于大部分民用产品的破坏极限来说，温度一般在-70到125之间，振动频率在20Hz到3000Hz之间，随机振动量值在15到20g RMS之间。对大部分的工业产品或航空产品来说，温度在-100到150之间，振动在20到30g RMS之间。第57页，共108页。应力效果比较第58页，共108页。HALT回顾第59页，共108页。HASS 目的：将有缺陷和无缺陷的产品区分开来，以保证不让有制造缺陷的产品流入市场或投入使用。第60页，共108页。HASS n要有效实施HASS筛选过程，彻底清除产品的早期故障，应该在能够产生加工缺陷的元器件级、模块级、单元级
19、和系统级按照从低到高的层次进行HASS 筛选，才能保证整个产品的可靠性。第61页，共108页。HASS步骤n夹具设计n测试设备n确认初步HASS剖面n实施HASSnHASS 筛选方案的调整和重新验证 第62页，共108页。HASS夹具n保证同时容纳多个产品参加试验，满足产品批量生产的要求。n保证在夹具各个位置的试件获得的振动量值相差很小，将试验台传递到试件的振动能量最大，在试验过程中不发生共振,n夹具尽可能的简单，不需要在设计和制造夹具过程中花费过多的资金。n耐用、可重复使用等。第63页，共108页。HASS夹具n夹具设计和制造完成后，要进行夹具使用效果的验证 第64页，共108页。HASS运
20、行剖面参数选择n温度循环的上下限温度一般取工作极限温度范围的80%；极限温度滞留时间一般取决于试件温度达到平衡所需要的时间和测试试件工作状态所需要的时间。第65页，共108页。HASS运行剖面参数选择n振动量级一般取破坏极限的50%，如果超过了工作极限，则取工作极限的80%。第66页，共108页。HASS运行剖面n对于工作极限和破坏极限差别大的产品，即有足够的裕度。包括析出剖面和测试剖面。第67页，共108页。HASS运行剖面U D L温温 度度(U O L+U D L)/2L D L(L O L+L D L)/21 0 m i n1 0 m i n时时 间间H A S S 应 力 初 步 剖
21、 面L L O O L L 温温 度度 工工 作作 下下 限限L L D D L L 温温 度度 破破 坏坏 下下 限限U U O O L L 温温 度度 工工 作作 上上 限限U U D D L L 温温 度度 破破 坏坏 上上 限限V V O O L L 振振 动动 工工 作作 极极 限限V V D D L L 振振 动动 破破 坏坏 极极 限限加加 速速 度度频频 率率 应应 力力 步步 长长（V V O O L L V V D D L L）/8 81234(V O L+V D L)/2V O L*8 0%温 度 应 力振 动 应 力U O L工工 作作 极极 限限（温温 变变 率率）L
22、 O L2 0 /m i nU O L-1 0 1 0 m i n1 0 m i nL O L+1 0 室 温第68页，共108页。HASS运行剖面n对于工作极限和破坏极限接近的产品，即没必要使用激励和检测循环两种剖面。第69页，共108页。HASS运行剖面H A S S 应 力 初 步 剖 面L L O O L L 温温 度度 工工 作作 下下 限限L L D D L L 温温 度度 破破 坏坏 下下 限限U U O O L L 温温 度度 工工 作作 上上 限限U U D D L L 温温 度度 破破 坏坏 上上 限限V V O O L L 振振 动动 工工 作作 极极 限限V V D D
23、 L L 振振 动动 破破 坏坏 极极 限限X X=(U U O O L L-L L O O L L)*2 2 0 0%/2 2温温 度度、振振 动动 应应 力力时时 间间室 温U O L-XL O L+X1 0 m i n1 0 m i n1 0 m i n1 0 m i nV D L*5 0%温温 度度 应应 力力振振 动动 应应 力力第70页，共108页。HASS运行剖面筛选效果验证 n主要是用来证明HASS试验剖面图是否能够满足其筛选判定标准的要求,它包括筛选过程有效性的验证和产品剩余有效寿命的评估两方面的内容。第71页，共108页。筛选过程有效性的验证 n对筛选过程出现的失效形式进行
24、分析。以判别这些失效形式是由于在筛选过程中遭受了过大的应力诱发的,还是由于疲劳或制造缺陷造成,从而决定HASS 试验剖面所选择的应力量级是否正确和是否需要修正。第72页，共108页。产品剩余有效寿命的评估 n评价HASS是否过多地损伤了产品的有效寿命。n评估的一般方法是按照试验剖面的要求将产品重复试验多次,看是否有失效现象发生,然后从导致失效发生的试验剖面重复周期数可以推断出所选HASS 试验剖面对被试产品有效寿命的损伤程度。第73页，共108页。筛选效果验证第74页，共108页。HASS回顾第75页，共108页。HASAn使用HALT确定的应力水平进行小于100%的筛选。nHASA过程和HA
25、SS过程是相同的，仅是以抽样理论作为基础进行。nHASA的子样抽取率可以不同，并且没有一个绝对正确的值。总的来说一般使用5%到10%的产品，然而，如果是产品较多的情况，子样的抽取率会低于产品的0.3%。第76页，共108页。定量加速试验ALT第77页，共108页。主要内容n加速寿命试验概述n加速寿命试验方案设计n加速寿命试验寿命数据处理第78页，共108页。加速寿命试验概述n发展背景n概念n分类n加速模型n加速因子第79页，共108页。发展背景n随着科学技术的发展，出现了许多高可靠性、长寿命的产品，例如，有的半导体元器件的寿命可达数百万小时以上，即使进行数年的试验，也可能没有失效，或只有一二个
26、失效，根据这样的失效数据，要对产品的可靠性指标做出估计是很困难的。甚至试验尚未做完，新的产品已研制出来，这就要求人们改进试验方法，以期在较短的试验时间内，获得较多的失效样品，加速寿命试验正是适应这种需要孕育而生的。第80页，共108页。概念n所谓加速寿命试验，是指在保持失效机理不变的条件下，把样品放在比通常严酷得多的条件下进行试验，从而加速样品的失效得到更多的失效数据，通过外推评估产品的可靠性指标。n是一种基于统计理论，结合失效物理的试验技术。第81页，共108页。概念n由于加速寿命试验利用高（加速）应力水平下的寿命特征去外推或评估正常应力水平下的寿命特征的试验技术和方法，可见它属于验证试验。
27、第82页，共108页。分类按应力施加方法分：n恒定应力n步进应力n序进应力第83页，共108页。恒定应力n恒定应力加速寿命试验是把全部样品分为几组，每组样品都在某个恒定加速应力水平下进行的寿命试验；第84页，共108页。步进应力n步进应力加速寿命试验，则是把全部样品先放在某个加速应力水平下进行试验，待到一定时间或一定个数的样品失效，把未失效样品放在更高加速应力水平下继续进行试验，直到规定的时间或达到一定数量的样品失效个数试验结束；第85页，共108页。序进应力n序进应力加速寿命试验和步进应力加速寿命试验基本相同，只是施加的加速应力水平随着时间的增加线性增大。第86页，共108页。加速模型n加速
28、试验模型即是建立在寿命与应力之间的物理关系。n通过这种关系，使得加速试验过程中获得的观测值，可以外推正常工作条件下的产品可靠性指标。n理论基础：失效物理 第87页，共108页。加速模型n加速模型分类n单应力模型n多应力模型第88页，共108页。单应力模型温度模型n阿伦尼斯模型（Arrhenius Relationship）n爱林模型（Eyring model）注：爱林模型有时也用来描述湿度与寿命间的关系kTEeAL)(1TBAeTL第89页，共108页。单应力模型电应力模型n反幂模型（Inverse Power Law）n指数模型（Exponential Law）nkVLkVecL第90页，共
29、108页。单应力模型振动模型n振动一般会对产品产生紧固件松动、导线摩擦、电触点间断、构件疲劳等影响 n振动疲劳来说一般因应力循环频率而分为高周与低周疲劳。第91页，共108页。单应力模型振动模型n高周疲劳的应力循环频率较高，产生应力疲劳。一般通过建立疲劳寿命与应力振幅之间的关系来对寿命进行估算。常用的疲劳寿命模型包括Basguin和Miner累积疲劳线性方程。n低周疲劳的应力循环频率较低，产生应变疲劳。一般使用Manson-Coffin公式来进行寿命估算。n而当构件产生的疲劳断裂时，一般使用Paris公式来估算寿命 第92页，共108页。多应力模型n产品在使用中受到的环境应力是复杂的，比如会同
30、时受到电应力、温度、振动和湿度等应力的影响。实际情况下，正是这些应力的综合效果影响了产品的寿命。第93页，共108页。多应力模型n温度和电应力加速模型 n温度和湿度应力寿命模型 n温度与振动应力加速模型n多应力寿命模型 第94页，共108页。温度和电应力加速模型n将单应力寿命模型相乘，通过修正某些参数来对实际进行拟合。利用这种方法，研究人员已提出了近十种描述不同应力组合的寿命模型，这些模型主要集中在描述电应力与温度应力对寿命的综合影响上。在这些模型中，Simoni提出的最具代表性：DTBNeEELL00第95页，共108页。温度和电应力加速模型nMontanari于1989年提出了一种借鉴了概
31、率统计理论的新模型，叫作反幂律极限模型 其中，nssEELL)()()(1)(TTsscEEEETnn第96页，共108页。温湿度模型nD.S.Peck在1986年提出了描述温湿度的加速模型Peck模型 kTEmaeHAL第97页，共108页。温度振动模型n温度引起的产品失效是一个低周疲劳过程，其应力寿命模型可以用Manson-coffin公式描述 n随机振动引起的产品失效是一个高周疲劳过程，可以使用Basquins疲劳公式描述 n最后，使用Miner累积疲劳损伤原则将两种疲劳损伤模型叠加 第98页，共108页。广义多应力模型n广义对数线性模型（General Log-Linear Model
32、）n风险比例模型（Proportional Hazards Model njjjXeXL10)(AXgtXt,0第99页，共108页。加速因子n加速因子（加速系数）：正常应力下某种寿命特征与加速应力相应寿命特征的比值。n加速因子一般大于1，如果接近于1那么试验就没有起到加速的作用。第100页，共108页。加速因子n例：设产品寿命服从指数分布 在不同的应力水平下，产品的 不同，以下标0代表正常应力水平，i代表某一加速应力水平，那么加速因子为：ttFexp1)(10fA第101页，共108页。加速寿命试验方案设计n完全样本试验，截尾试验。n由于加速寿命试验属于一种验证试验，因此可以使用传统验证试验
33、方案设计的方法进行设计。比如定时截尾，已知使用方可靠性指标，鉴别比，双方承担的风险，就可以确定试验时间和接受故障数。第102页，共108页。加速寿命试验方案设计n但是由于加速试验无论是采取恒定应力还是步进应力施加方式，都是在不同应力量级下进行，因此如何在各应力量级上分配样本才能使得最终获得的信息最充分。也是试验设计的一个研究方向。n一般使用统计理论结合最优化理论解决。第103页，共108页。加速寿命试验方案设计n恒定应力 在产品工作极限和设计规范之间选择应力等级，最高应力不超过工作极限的80%。n步进应力 与恒定应力的应力等级选择方法一样。n序进应力 很少做。第104页，共108页。加速寿命试
34、验寿命数据处理n恒定应力 对每一个应力水平分别处理数据，通过加速模型可将加速应力下的数据折算到正常工作水平。第105页，共108页。加速寿命试验寿命数据处理n步进应力 以累积损伤原理为基础，将试验中出现的失效数据折算到正常应力水下。再使用传统的数据评估方法，计算可靠性指标的点估计值和区间估计。第106页，共108页。加速寿命试验总结n对于如今可靠性大幅度提高的产品来说，加速寿命试验作为一种可提供可靠性指标的验证试验技术，具有传统试验不可比拟的优势n由于产品失效模式有很多种，都要找出相应的加速模型很困难n加速模型的确定涉及到复杂的失效物理，而且针对不同的产品加速模型不一样n因此，有很多公司企业在使用，但是使用还是不广泛。第107页，共108页。第108页，共108页。
