第五章 可靠性基础知识(3)可靠性实验

第三节可靠性试验第三节可靠性试验学习目标要求：1、掌握筛选与环境应力筛选2、了解可靠增长试验和加速寿命试验3、熟悉可靠性测定试验4、了解可靠性鉴定试验可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。

目的是通过对产品的可靠性试验发现产品设计、元器件、零部件、原材料和工艺方面的缺陷，以便采取有效的纠正措施，使产品可靠性增长。

可靠性试验可以是实验室的试验，也可以是现场试验。

实验室试验是在规定的受控条件下的试验。

它可以模拟现场条件，也可以不模拟现场条件。

可靠性试验一般可分为工程试验和统计试验。

工程试验包括环境应力筛选试验和可靠性增长试验；统计试验包括可靠性鉴定试验、可靠性测定试验和可靠性验收试验。

典型考题：典型考题：多选题61．电子产品环境应力筛选最有效的环境应力是( )。

a．正弦振动 b．随机振动c．温度循环 d．高温老化e．冲击振动62．在定时截尾的可靠性鉴定试验中，决定试验方案的参数有( )。

a．生产方风险α b．使用方风险βc．产品合格品率 d．鉴别比de．产品研制的风险一、环境应力筛选试验一、环境应力筛选试验（ess, environment stress screening）环境应力筛选(environmentstress screen, ess)是一种工艺手段，是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，并通过检验发现和排除故障的过程。

环境应力筛选试验是通过在产品上施加一定的环境应力，以剔除由不良元器件、零部件或工艺缺陷引起的产品早期故障的一种工序或方法。

对电子产品施加的环境应力最有效的是随机振动和温度循环应力。

企业应对电子产品的电路板、单元和整机层次尽可能100%筛选.不论是产品开发阶段，还是批生产阶段早期，环境应力筛选在元器件、组件、部件等产品层次上都应100%的进行。

在批生产阶段后期，对组件级以上的产品可根据其质量稳定情况抽样进行。

环境应力筛选的基本原理环境应力筛选的基本原理将浴缸曲线的早夭失效期部份放大.功能缺陷功能缺陷：此类缺陷是由于生产过程中材料或工艺不良而产生、能够以一般简单的功能测试发现的产品缺陷。

潜在缺陷：此类缺陷也是由于生产过程中材料或工艺不良而产生，但必须要由外加的应力，才能加速使失效提早曝露出来的产品缺陷。

可靠性缺陷：此类缺陷是设计时就存在的产品缺陷，在产品的生命周期中随机发生，除非修改设计，否则无法以任何适当的程序消除.环境应力筛选方法介绍环境应力筛选方法介绍根据美国环境科学学会在1981 年及1984 年所分别发表的环境应力筛选有效性报告，在各种常用的筛选应力中，按其筛选效率加以比较，依次为温度循环、随机振动、高温、电性应力、热冲击、定频正弦振动、低温、正弦扫描振动、复合环境、机械冲击、湿度、加速度、高度，其中温度循环和随机振动的效率最佳。

在试验前须设法了解在试验前须设法了解产品可能存在的缺陷类型，借助fmeca及fta等手段判断最常出现的与严重程度最大的失效类型，再选择对缺陷的激发暴露最有效的应力进行试验。

注：环境应力筛选试验不能提高产品的固有可靠性，但通过改进设计和工艺等可以提高产品的可靠性水平。

ess旨在激发并排除不良元器件、制造工艺和其它原因引入的缺陷造成的早期故障，使产品的可靠性接近设计的固有可靠性水平。

应力水平以能激发出缺陷但不损坏产品为原则。

据某批产品统计，采用筛选工艺的产品失效率比未经过筛选工艺的产品的测试失效率低3.5倍，如图2-1所示。

二、可靠性增长试验二、可靠性增长试验reliability growth test可靠性增长试验是一个在规定的环境应力下，为暴露产品薄弱互环节，并证明改进措施能防止薄弱环节再现而进行的试验。

规定的环境应力可以是产品工作的实际环境应力、模拟环境应了或加速变化的环境应力。

可靠性增长试验是通过发现故障、分析和纠正故障、以及对纠正措施的有效性而进行验证提高产品的可靠性水平的过程。

一般经过试验——分析—改进三个阶段。

注：试验本身并不能提高产品的可靠性，只有采取了有效的纠正措施来防止产品出现重复的故障之后，产品的可靠性才能真正提高。

目前可靠性试验广泛运用于民用，航空，航天等不同领域。

实施试验的单位主要有北京环境可靠性与电磁兼容试验中心和一些航天单位。

amsaa模型是把产品的可靠性增长过程作为统计学上的一个随机过程来处理的，并认为产品发生故障的累积过程是一个非齐次poisson过程（nhpp），即从0到时刻t,产品共发生r次故障的概率为：r=0,1,2,Duane可靠性增长模型duane可靠性增长模型设可靠性增长试验的产品，在总累积试验时间t时，共发生次故障，显然随着试验时间t的延长，故障的累积数也逐渐增大，并记（9）为累积故障函数，则产品的累积mtbf函数与累积故障数分别为（10）和（11）对(10)式两边取对数，则（12）即在双边对数坐标纸上，产品的累积mtbf对于时间是一直线关系(见图3)，其斜率为，截距为，因此，在工程上称斜率为增长试验的增长率。

又由(11)式，可得duane模型的故障强度函数为：（13）则产品的瞬时mtbf函数为：（14）可见在duane模型中，产品的累积mtbf与其瞬时mtbf的关系为：（15）即在可靠性增长试验过程中，任一时刻产品的瞬时mtbf值为累积mtbf值的倍。

两边取对数，则有（16）由于，一般为0.5左右，因此在双边对数坐标纸上，任一时刻的总是比高出，即瞬时mtbf与累积mtbf为两条平行直线（见图3）。

amsaa模型与duane模型的关系AMSAA模型与Duane模型amsaa模型与duane模型是可靠性增长试验最广泛使用的两种模型。

由(6)式与(14)式可看出，当试验总时间时，duane模型的瞬时mtbf就是amsaa 模型中产品在1000100101mtbf（h)100101000t（h)θσ(t)θ(t)图3 双对数纸上的duane模型时刻t的mtbf点估计值，这时增长率，因此这二种增长模型在使用的参数上具有极大的相似性，其描述的可靠性增长过程是完全一致的。

所以，一般可认为amsaa 模型是duane模型的概率解释，而duane模型本身并不具有任何概率特性。

由于duane模型是一种比较直观的可靠性增长模型，因此常用它来对产品可靠性增长试验过程进行跟踪。

而amsaa模型对可靠性增长试验的故障数据具有良好的统计处理能力，因此在对可靠性增长试验结果的评价上具有一定的优势。

另外，这二种模型在使用的参数上具有共通性。

所以，通常在产品的可靠性增长试验中，可以将这二种模型结合起来，对故障数据实施跟踪与结果评价。

三、加速寿命试验三、加速寿命试验在不改变产品的失效机理的条件下，通过提高工作环境的应力水平来加速产品的失效，尽快地暴露产品设计过程的缺陷，发现故障模式，称这种超过正常应力水平下的寿命试验为加速寿命试验。

加速寿命试验有如下三种常见的试验类型。

（1）恒定应力加速寿命试验。

在恒定应力加速寿命试验中，根据产品的失效机理选定一组逐渐升高的应力水平（它们都高于正常应力水平），在每个应力水平上投入一定量的受试样品进行寿命试验，直到每个应力水平均有一定数量的样品出现失效为止。

恒定应力试验(constant-stress testing: cst) 特点是对产品施加的“负荷”的水平保持不变，其水平高于产品在正常条件下所接受的“负荷”的水平。

试验是将产品分成若干个组后同时进行，每一组可相应的有不同的“负荷”水平，直到各组产品都有一定数量的产品失效时为止。

恒定应力试验的应力加载时间历程见图(a)。

（2）步进应力加速寿命试验（2）步进应力加速寿命试验。

先选定一组高于正常水平的应力水平，将受试样品在选定的加速应力水平下由低向高逐渐提高应力水平，在每个应力水平上进行规定时间长度的寿命试验。

这里规定时间长度一般视试验进行情况而定，一般原则是要在不同的加速应力水平上有一定量的累积失效样品。

步进应力试验(step-up-stress testing: sust) 对产品所施加的“负荷”是在不同的时间段施加不同水平的“负荷”，其水平是阶梯上升的。

在每一时间段上的“负荷”水平，都高于正常条件下的“负荷”水平。

因此，在每一时间段上都会有某些产品失效，未失效的产品则继续承受下一个时间段上更高一级水平下的试验，如此继续下去，直到在最高应力水平下也检测到足够失效数(或者达到一定的试验时间)时为止。

步进应力试验的应力加载时间历程见图(b)。

（3）序进应力加速寿命试验（3）序进应力加速寿命试验。

序进应力加速寿命试验与步进应力加速寿命试验原理基本相同，只是应力的改变是随时间连续变化的而非跳跃式增加。

序进应力试验方法与步进应力试验基本相似，区别在于序进应力试验加载的应力水平随时间连续上升。

序进应力加速寿命试验(progressive stress testing: pst)图(c)表示了序进应力加载最简单的情形，即试验应力随时间呈直线上升的加载历程。

现有模型有:arrhenius模型、coffin2manson模型和norris2lanzberg模型等。

使用现有模型比用试验方法来确定加速因子节省时间,并且所需样本少,但不是很精确,且模型变量的赋值较复杂。

四、可靠性测定试验四、可靠性测定试验可靠性测定试验的目的是通过试验测定产品的可靠性水平。

常用的方法有：定时截尾试验和定数截尾试验。

设定时截尾试验的累计时间为t*，出现的故障次数为r，于是mtbf的点估计值为：给定置信水平r，θ的相应单边置信下限θ为：l式中：是自由度为（2r+2）的x2分布的y的分位点。

五、可靠性鉴定试验五、可靠性鉴定试验为了验证开发的产品的可靠性是滞与规定的可靠性要求一致，用具有代表性的产品在规定条件下所作的试验叫可靠性鉴定试验，并以此作为是否满足要求的依据。

可靠性鉴定试验是一种验证试验。

验证试验就其方法而言是一种抽样检验程序，与其他抽样验收的区别在于，它考虑的是与时间有关的产品质量特性，如平均故障间隔时间（mtbf）。

因此，产品可靠性指标的验证工作原理是建立在一定寿命分布假设的基础上。

目前使用最多的是指数分布假设情形下的统计试验方案。

寿命服从指数分布的定时截尾可靠性鉴定试验有标准的试验方案。

当受试的产品累积试验时间达到方案规定的累计时间t*时即停止试验，把试验中出现的故障次数r与方案中的判别标准相比，当故障次数大于或等于拒收数re时即做出拒收判断，若小于拒收数re即做出接收判断。

常用的定时截尾试验方案见表5.3-1。

表5.3-1表5.3-1 常用的定时截尾试验方案定时截尾试验方案的几何意义定时截尾试验方案的几何意义见右图n≥2（以累计试验时间为准）表中θ0、θ1、d、α、β均为统计试验的一些基本参数，它们的具体含义为：θ0——mtbf检验的上限值。