一种基于温度循环应力施加的加速寿命试验模型应用

作者：刘娜娜

来源：《中国科技纵横》2018年第17期

        摘 要：市场时效性及顾客可靠性意识需求的提高促进产品质量可靠性及其量化评价要求更加迫切，加速寿命试验日益普及，而对于户外使用产品，温度循环变化对产品实际影响化日趋明显，故温度循环加速寿命试验的应用现极为普遍，本文旨在从实际应用方法出发，以电锁为例，基于其指数分布特点，介绍一种适用于温度循环应力施加的组合加速因子计算及试验应用模型，以有效指导试验及实现受试品的可靠性指标的评价、计算。

        关键词：加速因子AF；活化能Ea；Arrhenius模型；Norris-Landzberg模型；MIL-HDBK-344A的加速模型

        中图分类号：TB114.3 文献标识码：A 文章编号：1671-20（2018）17-0000-00

        1加速寿命试验ALT

        在对受试品进行可靠性指标（如MTBF--平均无故障时间、MTTF--平均失效时间、R（t）—可靠度）的统计、验证、对比时，考虑到验证周期等因素，需要對其施加应力或增大其使用频率，从而加速完成试验。ALT的试验模型设计则成为试验结果估计有效性的决定因素，直接影响组织产品市场效益，包括上市时效、可靠度判断。

        本文以应用示例为线索，阐述基于对受试品施加温度循环应力的组合试验模型，包括组合模型加速因子的计算、使用，试验统计，可靠性指标计算。

        2温度循环组合模型

        2.1模型组成

        受试品参数模型基于指数分布。

        物理-试验组合模型加速因子的组成成分为：

        Arrhenius模型----常用温度应力施加模型，受试品工作在恒定温度或接近恒定温度时， Arrhenius加速因子起主导作用，记为AF1。

        Norris-Landzberg模型----根据经验数据拟合观察，在低频热循环时延长的停留时间加速了疲劳损坏，增加Norris-Landzberg加速因子，记为AF2。

        MIL-HDBK-344A加速模型----热循环中的合成退化和失效机理，增加MIL-HDBK-344A加速因子，记为AF3。

        组合循环次数加速因子：AF= AF1+ AF2+ AF3。

        2.2温度循环应力参数选择

        温度循环应力参数涉及：加速环境中最高温度（oK）、最低温度（oK）、温度变化速率（oK/min），其需根据受试品预测使用环境温度范围等距拉宽，如图1所示：试验高低温及温度变化速率需考虑试验设备条件。以电锁为例，使用温度范围为10℃--30℃，选取试验温度范围为-20℃--60℃，温度变化取2 oK/min。

        2.3加速因子计算

        2.3.1 Arrhenius加速因子

        公式：AF1=exp[Ea（1/Tu-1/TA）/k]

        其中：k为玻尔兹曼常数（8.623*10-5eV/K）。

        Ea为激活能，指使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个新的平衡或非平衡位置所需要的能量，决定反应速率—温度曲线的斜率因素，不同受试品激活能由试验统计得出，如多数通信消费类取为0.67eV，工业通信类取0.8eV，半导体取0.5-0.7 eV，这里根据电锁的经验数据取为0.8 eV。

        Tu为使用环境高温度值，如这里电锁取（273+30）K；TA为加速试验环境下高温度值，如这里电锁取（273+60）K；因为等距拉宽，其低温与高温倒数差相等，Arrhenius加速因子相同。

        Exp为指数计算公式。

        如带入公式计算门锁AF1=15.77。

        2.3.2 Norris-Landzberg加速因子

        公式：AF2=（△TA/△Tu）1.9（fu/fA）1/3e1414（1/ Tu-1/ TA）

        其中：△TA为加速环境下的热循环温度变化。

        △Tu为使用环境下的热循环温度变化。

        fu为使用环境热循环频率（cycles/day）。

        fA为加速环境热循环频率（cycles/day）。

        如带入公式计算门锁AF2=10.60，此为循环次数加速因子，其持续时间加速因子需在次数加速因子基础上乘以fu/fA。

        2.3.3 MIL-HDBK-344A加速因子

        AF3=（KTC）A/（KTC）u= （ ΔTu+0.6）0.6[ln（Ru+2.718）]3/ （ ΔTA+0.6）0.6[ln（RA+2.718）]3

        其中（KTC）u为使用环境下累计失效指数率。

        （KTC）A为加速环境下累计失效指数率。

        Ru为使用环境温度变化速率（oK/min）。

        RA为加速环境温度变化速率（oK/min）。

        如带入公式计算门锁AF3=5.53。

        2.3.4组合加速因子计算

        电锁AF= AF1+ AF2+ AF3=31.9

        组合持续时间加速因子：AF’= AF1+ （fA/fu）AF2+ AF3=102.3。

        3温度循环加速寿命试验实施

        3.1试验条件策划

        以电锁为例进行温度循环加速寿命试验条件策划如图二所示。

        截至循环周期：

        定义NAcycle为加速寿命试验温度循环周期数，NUcycle为正常工作温度循环周期数。则：

        NAcycle

        故可取NAcycle=33.33cycle=100h。

        工装控制门锁动作频率：

        fAcycle= 12S；

        其中fUcycle为电锁有效寿命动作频次5000000；

        动作频率设备可满足，采取试验。

        3.2 示例电锁试验实施

        3.2.1试验过程要求

        受试电锁数量：n=20只；

        试验机制：定时结尾，100小时；

        试验统计项目如表一所示。

        表一 试验中跟踪统计项目

        统计项目 字母代号

        发生可修复故障的运行时间 tBi

        可修复故障次数 rB

        发生失效运行时间 tTi

        发生失效数量 rT

        3.2.2加速环境下可靠性指标公式代入

        加速环境下故障率及平均无故障运行时间计算：

        加速λAB=rB/ ；

        加速 MTBFA=1/λAB；

        加速环境下失效率及平均失效时间计算：

        加速 λAT=rAT/（ ）；

        加速 MTTFA=1/λAT；

        3.2.3 换算实际使用环境可靠性指标

        换算实际使用环境下故障率及平均无故障运行时间计算：

        实际λB=λAB/AF；

        实际 MTBF= MTBFA*AF；

        换算实际使用环境下失效率及平均失效时间计算：

        实际λT=λAT/AF；

        实际 MTTF= MTTFA*AF；

        示例门锁同步进行开关动作ALT，其运行动作次数的可靠性指标计算同时间。

        4温度循环加速寿命试验结论

        4.1温度循环加速寿命试验统计

        对电锁按上述试验策划进行试验，数据统计见表二所示。

        4.2数据计算

        代入公式3.2.3公式，如下：

        時间MTBF=11105h；

        次数MTBF=1038877次；

        时间MTTF=66631h；

        次数MTTF=6633260次；

        满足受试品既定指标。

        4.3可靠度

        基于指数分布加速模型可靠度计算如下：

        R（t）=e-λt，

        实现根据需要计算不同时间或不同次数的产品可靠度，如计算产品运行至10000小时其失效可靠度R（10000）=e-λTt=0.86，可作为产品在不同使用时间的可靠性水平评价。

        5结语

        目前国内多数涉及温度的试验都直接选择了Arrhenius模型，而基于试验统计，该模型主要基于试验温度恒定的条件，本文参考电子器件工程联合会出具JEDEC 标准，使用Norris-Landzberg模型MIL-HDBK-344A加速模型与传统Arrhenius模型组合使用，从试验对可靠性参数的效果查看，更具指导性。

        参考文献

        [1]ELSAYED A.ELSAYED.可靠性工程[M].第二版.北京：电子工业出版社，2013.

        [2]张斌，孙丽滨，蔡玲玲.电子设备环境应力筛选试验研究[J].计算机测量与控制，2014，22（02）：456-459.

        收稿日期：2018-06-19

        作者简介：刘娜娜（1982—），女，汉族，山东青岛人，本科，中级工程师，研究方向：质量可靠性工程。