加速試驗

1 　加速試驗概述
    當今，許多產(chan) 品都能在嚴(yan) 酷的環境應力下*地運轉上千小時，為(wei) 了確認設計缺陷或者驗證預計的壽命，傳(chuan) 統的試驗方法已經不再勝任。人們(men) 開始研究先進的試驗方法與(yu) 技術。

1.1 加速試驗的目的與(yu) 特點
    進行加速試驗的目的可概括如下：
— 為(wei) 了適應日益激烈的競爭(zheng) 環境；
— 在盡可能短的時間內(nei) 將產(chan) 品投入市場；
— 滿足用戶預期的需要。
    是一種在給定的試驗時間內(nei) 獲得比在正常條件下（可能獲得的信息）更多的信息的方法。它是通過采用比設備在正常使用中所經受的環境更為(wei) 嚴(yan) 酷的試驗環境來實現這一點的。由於(yu) 使用更高的應力，在進行時必須注意不能引入在正常使用中不會(hui) 發生的故障模式。在中要單獨或者綜合使用加速因子，主要包括：
— 更高頻率的功率循環；
— 更高的振動水平；
— 高濕度；
— 更嚴(yan) 酷的溫度循環；
— 更高的溫度。

1.2 分類
    主要分為(wei) 兩(liang) 類，每一類都有明確的目的：
— 加速壽命試驗--估計壽命；
— 加速應力試驗--確定（或證實）和糾正薄弱環節。
    這兩(liang) 類之間的區別盡管細微，但卻很重要，它們(men) 的區別主要表現在下述幾個(ge) 方麵：作為(wei) 試驗的基礎的基本假設、構建試驗時所用的模型、所用的試驗設備和場所、試驗的實施方法、分析和解釋試驗數據的方法。表1對這兩(liang) 類主要的進行了比較。

表1 兩(liang) 類主要的

試驗	目的與(yu) 方法	注解
加速壽命試驗（ALT）	使用與(yu) 可靠性（或者壽命）有關(guan) 的模型，通過比正常使用時所預期的更高的應力條件下的試驗來度量可靠性（或壽命），以確定壽命多長。	要求： 了解預期的失效機理； 了解關(guan) 於(yu) 加速該失效機理的大量信息，作為(wei) 加速應力的函數
加速應力試驗（AST）	施加加速環境應力使潛在的缺陷或者設計的薄弱環節發展為(wei) 實際的失效，確認可能導致使用中失效的設計、分配或者製造過程問題。	要求充分理解（至少要足夠了解）基本的失效機理。對產(chan) 品壽命的影響問題作出估計。

1.3 的產(chan) 品層次（級別）
    要明確進行的產(chan) 品層次（級別）是設備級還是零部件級，這一點很重要。某些加速方法隻適用於(yu) 零件級的試驗，而有的方法隻能用於(yu) 較別的總成（設備），隻有少數方法同時適用於(yu) 零件級和總成（設備）級。對零件級非常合適的基本假設和建模方法在對較別的設備進行試驗時可能*不成立，反之亦然。表2列出了在兩(liang) 個(ge) 主要的級別（設備級和零部件級）上進行試驗的信息。

表2 進行的產(chan) 品級別

級別	限製（局限）	注解
設 備 級	通常非常有限，很少進行。要建立起設備在高應力下與(yu) 正常使用條件下的失效率之間的關(guan) 係的模型是困難的。而且，也很難確定不改變設備的失效機理的應力條件。	可以有效地用於(yu) 設備的的一個(ge) 例子是增加工作周期，例如，某係統在正常情況下僅(jin) 在一個(ge) 班次中運行，航空電子設備在一次飛行前和飛行中隻工作幾個(ge) 小時，在這種情況下，在試驗中可以增加工作周期，受試係統一天可以連續工作三個(ge) 班次，可使航空電子設備循環工作，在模擬飛行之間隻留出足夠使設備的溫度穩定在非工作狀態的時間。這樣，盡管每個(ge) 工作小時的失效率沒有改變，但是每天發生的失效數增加了。這類通常在可靠性鑒定試驗中采用。這實際上是的一種形式（盡管通常不這樣認為(wei) ）。
零 部 件 級	部（零）件的失效模式比設備要少。因此，要確定能有效地加速失效率而又不大改變失效機理的應力就容易得多。	通常用一個(ge) 給定的應力可以對一個(ge) 或多個(ge) 支配性失效機理進行，例如，電容器的介質擊穿是電壓的函數，腐蝕是濕度的函數。在這種情況下要找出失效率與(yu) 使用應力之間的函數關(guan) 係的加速模型相當容易。因此，加速壽命試驗廣泛應用於(yu) 部件，並且極力推薦大多數類型的零件使用這一方法。

2 模型
    模型將部件的失效率或者壽命與(yu) 給定的應力起來，這樣，就可以用在中得到的度量來推斷正常使用條件下的性能。這裏隱含的假設是應力不會(hui) 改變失效分布的形式。
    表3總結了三種zui常見的模型，實際中使用的模型不止這三種。在選用模型時，zui關(guan) 鍵的準則是所選用的模型能地把加速條件下的可靠性或壽命模擬成正常使用條件下的可靠性或壽命。在選擇zui適用的模型和在具體(ti) 應用中為(wei) 所選用的模型選擇適當的驗證範圍時必須十分小心。把上述選擇的依據用文件記錄下來是很重要的。

表3 常見的模型

模型名稱	公式說明
逆冪率定律 Inverse Power Law	式中N為(wei) 加速因子
阿列紐斯加速模型 Arrhenius Acceleration Model	式中，L-壽命的度量，如零件總體(ti) 的中位壽命； A-對於(yu) 受試零件，由實驗決(jue) 定的常數； e-自然對數的底； E-活化能（電子伏特-能量的一種度量），它是每一失效機理*的量值； k-玻爾茲(zi) 曼常數= ; T-溫度（開氏度）。
邁因納法則 （疲勞損傷(shang) ） Miner's Rule （Fatigue Damage）	式中，CD-臨(lin) 界損傷(shang) 和； CSi-給定的平均應力Si作用的循環次數； Ni-在應力Si下失效的循環數，可以根據該種材料的S-N曲線確定； k-所施加的載荷數 假定每個(ge) 零件都有有限的有用疲勞壽命，每個(ge) 應力循環都要用去該壽命的一小部分。當來自每一載荷的累積損傷(shang) 的總和等於(yu) 1時就發生失效。邁因納法則不能擴展到無窮大，隻有在材料的屈服強度以下才成立，超過屈服極限點就不再成立了。

三、先進的方案/思想
    過去，大多數都是使用單一應力和在定應力譜進行的。包括周期固定的周期性應力（如溫度在規定的上下限之間循環，溫度的上限和下限以及溫度的變化率是恒定的）。但是，在中，應力譜不必是恒定的，也可以使用多種應力的組合。常見的非恒定應力譜和組合應力包括：
— 步進應力譜試驗；
— 漸進應力譜試驗；
— 高加速壽命試驗（HALT）（設備級）；
— 高加速應力篩選（HASS）（設備級）；
— 高加速溫度和濕度應力試驗（HAST）（零件級）。

    高係統性地使用大大超過產(chan) 品使用中預期水平的環境激勵，因此需要詳細理解試驗結果。高用於(yu) 確認相關(guan) 故障，並用來確保產(chan) 品對高於(yu) 所要求的強度有足夠的裕度以便能經受正常的使用環境。高的目的是大大減少暴露缺陷所需要的時間。該方法可用於(yu) 研製試驗，也可用於(yu) 篩選。

    HALT（高加速壽命試驗）是一個(ge) 研製工具，而HASS（高加速應力篩選）是一個(ge) 篩選工具。它們(men) 常常互相聯合使用。這是兩(liang) 種相對較新的方法，與(yu) 傳(chuan) 統的方法不同。HAL與(yu) THASS的具體(ti) 目標是改進產(chan) 品設計，將製造偏差和環境效應對產(chan) 品性能和可靠性的影響減至zui小。通常定量的壽命或可靠性預計與(yu) 高沒有。

    步進應力譜試驗。使用步進應力譜，試驗樣本首先按事先規定的時間以某個(ge) 給定的應力水平試驗一段，然後在高一點的應力水平下再試驗一段時間。不斷增加應力水平繼續上麵的過程，直到某個(ge) 試驗樣本失效，或者試驗進行到zui大應力水平時終止。這種方法能更快速地使產(chan) 品失效以便分析。但是，用這種方法很難正確建立加速模型，因此很難定量地預計產(chan) 品在正常使用條件下的壽命。

    每一步中應該增加的應力量值與(yu) 許多變量有關(guan) 。但是，允許在設計中進行這樣的試驗的一個(ge) 普遍的法則是：假設產(chan) 品沒有缺陷，如果zui終能以適當的裕量超出預期的使用環境中的應力，就能保證總體(ti) 中的每一個(ge) 體(ti) 都能經受住使用環境和篩選環境。（從(cong) 而提高產(chan) 品的壽命或可靠性）
漸進應力譜試驗。漸進應力譜或者"梯度試驗"是另一種常見的方法，試驗中應力水平隨時間持續增加。其優(you) 點和缺點與(yu) 步進試驗相同，但有另外一個(ge) 困難，就是很難地控製應力增加的速率。

    HALT（高加速壽命試驗）。HALT一詞是Gregg K. Hobbs 於(yu) 1988年提出的。HALT有時指應力增益壽命試驗（STRIFE），是一種研製試驗，是步進應力試驗的一種強化形式。它一般用來確認設計的薄弱環節和製造過程中存在的問題，以及用來增加設計強度的富裕量，而不用來進行產(chan) 品壽命或可靠性的定量預計。 

    HASS（高加速應力篩選）試驗。HASS是加速環境應力篩選的一種形式。它代表了產(chan) 品所經曆的zui嚴(yan) 酷的環境，但通常持續很有限的一段時間。HASS是為(wei) 達到"技術的根本極限"而設計的。此時應力的微小增加就會(hui) 導致失效數的大量增加。這種根本極限的一個(ge) 例子是塑料的軟化點。
    HAST（高加速溫度和濕度應力試驗）。隨著近來電子技術的高速發展，幾年前剛剛出現的的可能不再適應當今的技術了，尤其是那些專(zhuan) 門針對微電子產(chan) 品的。例如，由於(yu) 塑料集成電路包的發展，現在用傳(chuan) 統的、普遍被接受的85℃/85%RH的溫度/濕度試驗需要花上千小時才能檢測出新式集成電路的失效。在大多數情況下，試驗樣本在整個(ge) 試驗中不發生任何失效。不發生失效的試驗是說明不了什麽(me) 問題的。而產(chan) 品在使用中必定會(hui) 偶爾失效。因此，需要進一步改進。HSAT就是為(wei) 代替老的溫度/濕度試驗而開發的方法。
四、在中應當注意的問題 

    模型是對產(chan) 品在正常應力水平下以及一個(ge) 或多個(ge) 加速應力水平下的關(guan) 鍵因素進行試驗而導出的。在使用加速環境時一定要極其注意，以便識別和正確確認在正常使用中將發生的失效和一般不會(hui) 發生的失效。因為(wei) 加速環境一般都使用遠高於(yu) 現場使用時所預期的應力水平，加速應力會(hui) 導致在實際使用中不可能出現的錯誤的失效機理。例如，將受試產(chan) 品的溫度升高到超過材料性能改變的溫度點或者休眠激活門限溫度時，就會(hui) 導致在正常使用中不會(hui) 發生的失效的發生。在這種情況下，解決(jue) 這種失效隻會(hui) 增加產(chan) 品的費用，可靠性卻不會(hui) 有絲(si) 毫的提高。理解真正的失效機理來消除失效的根本原因才是極為(wei) 重要的。

編譯者注：原文發表在美國國防部（DoD）可靠性分析中心（RAC）的出版物"Selected Topics in Assurance Related Technologies （START）"第6卷第4期上。作者是美國伊利諾伊理工學院研究所的工程師Ned H. Criscimagna。