可靠性试验设备选择资料

评价分析电子产品可靠性而进行的试验称为可靠性试验。

试验目的通常有如下几方面：
1. 在研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷，评价产品可靠性达到预定指标的情况；
2. 生产阶段为监控生产过程提供信息；yBm中国可靠性资源网
3. 对定型产品进行可靠性鉴定或验收；
4. 暴露和分析产品在不同环境和应力条件下的失效规律及有关的失效模式和失效机理；
5. 为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案，为用户选用产品提供依据。

对于不同的产品，为了达到不同的目的，可以选择不同的可靠性试验方法。

可靠性试验有多种分类方法.
1. 如以环境条件来划分,可分为包括各种应力条件下的模拟试验和现场试验；
2. 以试验项目划分，可分为环境试验、寿命试验、加速试验和各种特殊试验；
3. 若按试验目的来划分，则可分为筛选试验、鉴定试验和验收试验；
4. 若按试验性质来划分，也可分为破坏性试验和非破坏性试验两大类。

5. 但通常惯用的分类法，是把它归纳为五大类:
A. 环境试验
B. 寿命试验
C. 筛选试验
D. 现场使用试验
E. 鉴定试验
1. 环境试验是考核产品在各种环境（振动、冲击、离心、温度、热冲击、潮热、盐雾、低气压
等）条件下的适应能力，是评价产品可靠性的重要试验方法之一。

2. 寿命试验是研究产品寿命特征的方法，这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。

寿命
试验是可靠性试验中最重要最基本的项目之一，它是将产品放在特定的试验条件下考察其失效（损坏）随时间变化规律。

通过寿命试验，可以了解产品的寿命特征、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。

如结合失效分析，可进一步弄清导致产品失效的主要失效机理，作为可靠性设计、可靠性预测、改进新产品质量和确定合理的筛选、例行（批量保证）试验条件等的依据。

如果为了缩短试验时间可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法进行试验，这就是加速寿命试验。

通过寿命试验可以对产品的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高新产品可靠性水平。

3. 筛选试验是一种对产品进行全数检验的非破坏性试验。

其目的是为选择具有一定特性的产品
或剔早期失效的产品，以提高产品的使用可靠性。

产品在制造过程中，由于材料的缺陷，或由于工艺失控，使部分产品出现所谓早期缺陷或故障，这些缺陷或故障若能及早剔除，就可以保证在实际使用时产品的可靠性水平。

可靠性筛选试验的特点是：
A. 这种试验不是抽样的，而是100%试验；
B. 该试验可以提高合格品的总的可靠性水平，但不能提高产品的固有可靠性，即不能提高每个产品的寿命；
C. 不能简单地以筛选淘汰率的高低来评价筛选效果。

淘汰率高，有可能是产品本身的设计、元件、工艺等方面存在严重缺陷，但也有可能是筛选应力强度太高。

淘汰率低，有可能产品缺陷少，但也可能是筛选应力的强度和试验时间不足造成的。

通常以筛选淘汰率Q和筛选效果β值来评价筛选方法的优劣：合理的筛选方法应该是β值较大，而Q值适中。

上述各种试验都是通过模拟现场条件来进行的。

模拟试验由于受设备条件的限制，往往只能对产品施加单一应力，有时也可以施加双应力，这与实际使用环境条件有很大差异，因而未能如实地、全面地暴露产品的质量情况。

现场使用试验则不同，因为它是在使用现场进行，故最能真实地反映产
品的可靠性问题，所获得的数据对于产品的可靠性预测、设计和保证有很高价值。

对制定可靠性试验计划、验证可靠性试验方法和评价试验精确性，现场使用试验的作用则更大。

鉴定试验是对产品的可靠性水平进行评价时而做的试验。

它是根据抽样理论制定出来的抽样方案。

在保证生产者不致使质量符合标准的产品被拒收的条件下进行鉴定试验
加速可靠性试验综述
1 基本概念
目前正在研究和应用的加速可靠性试验主要有可靠性强化试验(Reliability Enhancement
Testing ,RET) 、高加速寿命试验(Highly Accelerated Life Testing , HALT) 、高加速应力筛选(Highly Accelerated Stress Screening , HASS) 、加速寿命试验(Accelerated Life
Testing ,ALT) 、高加速应力试验(Highly Accel2erated Stress Testing , HAST) [ 124 ] 。

一般认为,可靠性强化试验(RET)包括高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS) 。

加速可靠性试验可分为3种:可靠性强化试验、加速寿命试验和高加速应力试验。

虽然加速可靠性试验都是采用加速环境应力的方式进行试验,但是各类加速可靠性试验的试验目的和试验方法有较大差异。

可靠性强化试验属于工程试验范畴。

与传统的环境模拟试验( Simulation Test)相反,可靠性强化试验是一种激发试验( Stimulation Test) 。

该技术的理论依据是故障物理学( Physics of Failure) ,它通过施加加速环境应力使设计和生产中缺陷以故障的形式暴露出来,通过故障原因分析、失效模式分析和改进措施消除缺陷,提高产品可靠性,并大幅度提高试验效率,降低成本。

加速寿命试验属于统计试验范畴。

它是在进行合理工程及统计假设的基础上,利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换,得到产品在额定应力水平下可靠性特征可复现的数值估计的一种试验方法。

简言之,加速寿命试验是在保持失效机理不变的条件下,通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。

加速寿命试验采用加速应力水平来进行产品的寿命试验,从而缩短了试验时间,提高了试验效率,降低了试验成本。

按照试验应力的加载方式,加速寿命试验通常分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验等3种基本类型。

除了这3种基本加速寿命试验以外,部分学者还提出过循环应力加速寿命试验、随机应力加速寿命试验、步退应力加速寿命试验以及加速退化试验等方法。

另外,还有一种类型的加速可靠性试验———高加速应力试验,该试验容易和前面所讲的两种加速
可靠性试验相混淆。

国内有的学者认为高加速应力试验就是高加速寿命试验和高加速应力筛选
[ 526 ] 。

据文献[ 3 ] ,高加速应力试验与高加速寿命试验或高加速应力筛选是两个完全不同的概念,高加速应力试验的主要特点是采用高温(超过100℃) 、高湿(约85% )和高压(可达4 atm) ,它是为了代替传统的温度/湿度试验而开发的一种新的环境试验。

2 国内外研究现状
2. 1 可靠性强化试验
可靠性强化试验是一种激发试验。

国外最早的激发试验是20世纪50至60年代的老化试验,所施加的应力有高温、高低温循环和温度冲击等。

20世纪70年代后,激发试验发展为环境应力筛选。

环境应力筛选主要是排除产品生产过程中的缺陷,而对产品的设计缺陷却无能为力。

从本质上讲,环境应力筛选不能真正提高产品的固有可靠性。

20世纪80年代末,激发试验发展为可靠性强化试验。

可靠性强化试验是一种先进的可靠性试验方法,美国G.K. Hobbs博士是最早从事这方面研究的专家,他称这种试验方法为高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS) ,前者是针对设计阶段,后者是针对生产过程。

该技术在20世纪90年代得到发展和应用,由于波音公司应用效果最好,影响最大,
并且首次使用可靠性强化试验(RET)这一术语,后来,可靠性强化试验这一叫法作为通用名而被广泛接受[ 7 ] 。

目前,国外从事该领域的主要研究机构有QualMark公司、Otis Elevator公司和Hobbs Engineering 公司等。

如QualMark公司还生产了系列的可靠性强化试验设备: Typhoon 1. 5、Typhoon 2. 0、Typhoon 2. 5、Typhoon 3. 0、Typhoon 4. 0[ 8 ] 。

许多著名企业如波音公司、惠普公司等成立了专门的可靠性强化试验机构。

在理论与技术研究方面比较知名的专家学者有Gregg K. Hobb 、S. Smithson 、Joseph Cap itano、Wayne Nelson、Mike Silverman等,他们在强化试验效率、试验理论、统计模型和数据分析等方面进行了大量研究[ 9 ] 。

在国外,可靠性强化试验得到了广泛的应用。

惠普、福特等国际知名企业已相继采用RET进行新产品研制的可靠性增长试验,并由此获得高可靠性,缩短了产品的研制周期,取得了明显的经济效益。

同时美国对可靠性强化试验技术在军品中的应用也进行了研究和探讨。

据文献[ 2 ] ,美国在响尾蛇导弹的无线电引信研制阶段应用了可靠性强化试验技术。

在2003年47 届美国引信年会
上,Michael P.Connolly和Kenneth R. Rose等发表了“Can HALTand HAST Rep lace Some U. S. M IL2STD2331 Climatic Tests for Electronic Fuzes?”,对可靠性强化试验技术能否取代部分引信环境模拟试验进行了探讨[ 10 ] 。

美国BarryMa 和Mekonen Buzuayene发表了“MIL-HDBK-217 vs. HALT/HASS”,对传统的军用电子装备可靠性预测方法与可靠性强化试验技术进行了对比分析,指出M IL2HDBK2217在预测军用电子装备可靠性方面存在的不足,若要准确预测军用电子装备的可靠性,在设计和生产阶段应该采用HALT/HASS[ 11 ] 。

目前,国内在可靠性强化试验技术方面处于跟踪和初步研究阶段。

在20世纪90年代中期,国内有关专家开始关注国外可靠性强化试验的研究与应
用发展动态,并发表了一些跟踪性论文。

目前,开展可靠性强化试验技术研究的单位主要有:北京航空航天大学、国防科技大学、信息产业部电子5所、中国工程物理研究院电子工程研究所和中国空空导弹研究院等。

最近几年,我国的轴承行业也开展了可靠性强化试验技术,并研制了具有完全自主知识产权的ABLT型系列轴承寿命强化试验机[ 12 ] 。

国防科技大学可靠性实验室和北京航空航天大学引进了相关的可靠性强化试验设备,并在国防预研项目的资助下开展可靠性强化试验理论与技术研究。

可靠性强化试验一般不能对产品可靠性进行定量评估,但北京航空航天大学对可靠性强化试验的定量评估方法也进行了探讨[ 13-14 ] 。

在工程应用方面,仅有几家大公司开始关注可靠性强化试验技术,并在其产品设计过程中得以运用。

如深圳的华为公司在国防科技大学可靠性实验室对其电子产品进行了此项试验。

据有关文献,国内目前已经完成可靠性强化试验的产品主要有:某通信产品、某液晶显示器温控电路板、某机载电子设备、某军用直流电源、军用特种电真空组件、星载铷钟、某继电器等[ 15221 ] 。

虽然我国已经完成上述产品的可靠性强化试验,但是各试验单位所采用的试验原理和方法各异,没有形成完善的
试验指南,不便于可靠性强化试验的推广应用。

2. 2 加速寿命试验
加速寿命试验是在寿命试验的基础上产生的。

早在20世纪50年代,寿命试验被广泛地验证电子元器件火工品及化工原材料的可靠性试验中。

由于当时产品的可靠性寿命并不高,寿命试验所面临的矛盾并不突出。

随着产品可靠性指标要求的不断提高, 20世纪60年代后,加速寿命试验被人们开始研究并引起可靠性研究和试验人员的广泛注意。

美罗姆航展中心1967年首次给出了加速寿命试验的统一定义[ 4 ] 。

加速寿命试验的研究主要集中在试验的统计分析和优化设计两个方面。

国外对加速寿命试验统计分析研究始于20世纪60年代。

首先发展起来的是恒定应力试验的统计分析方法。

目前,有关恒定应力试验统计分析主要围绕如何提高分析精度等问题展开。

由于恒定应力试验最低应力水平往往接近正常应力,试验时间较长且效率低,因此步进应力试验的研究与应用需
求日益明显。

但如何从步进应力的失效数据中分离出完整的寿命信息,是步进应力试验统计分析的关键问题,目前,很多研究就是围绕该问题展开的。

为进一步提高试验效率,加速产品的失效,加速寿
命试验发展为序进应力试验。

由于序进应力试验的统计分析十分复杂,并且需要专门的应力控制设备,因此序进应力试验在国际上较多地应用于产品可靠性的对照试验,其应用受到了很大的限制。

在加速寿命试验及统计分析方法蓬勃发展的基础上,加速寿命试验最优设计研究开始引起人们的关注, Chernoff H 、MeekerW Q 、NelsonW B 、KhamisIH 、Higgins J J 、Yeo K P和Tang L G
等分别就恒定应力试验和步进应力试验的优化设计问题开展了相关研究工作[ 22 ] 。

关于序进应力试验的优化设计问题,研究成果还较少。

美国和俄罗斯两个国家在加速寿命试验的工程应用方面处于世界领先地位。

在民用产品方面,加速寿命试验方法已广泛应用于通讯、电子、电脑、能源、汽车等工业部门。

在军品方面,美国把加速寿命试验当作导弹武器装备的一种寿命预测技术,利用加速老化技术提供了48个月使用寿命预报。

俄罗斯研制“C2300”、“朵尔”等多种防空导弹系统的火炬设计局,开发并运用“加速贮存寿命试验”和“加速运输试验”等技术取得了卓著成效。

用6个月的加速贮存试验,即可获得贮存寿命为10年的结论,保证导弹在10年的贮存期内,无需维修而能满足规定的开箱合格率和发射成功率要求,使导弹这样的复杂系统实现了“单元弹药”或一般机电产品所具有的非常高的贮存可靠性指标要
求[ 23 ] 。

20世纪70年代初,加速寿命试验技术进入我国,引起相关领域的广泛兴趣,一直处于边研究边应用的状态。

我国的相关学者紧跟国外加速寿命试验技术的发展,对试验的统计分析和优化设计进行了较为深入的研究。

我国在加速寿命试验的工程应用方面也开展了大量的工作,并取得了一批重要成果。

已经在导弹、弹药、无线电引信、结构疲劳、发动机、轴承、齿轮、低压电机、He2Ne激光器、电容、绝缘材料、继电器等寿命研究中得到了广泛应用,其应用范围涉及武器装备、航空航天、机械电子等诸多领域。

另外,我国还制定了加速寿命试验相应的国标、军标和部标。

如1981年颁布了恒定应力试验的4 个国家标准(GB2689. 1～4281) , 1991年颁布了火工品恒定温度应力试验的国军标(GJB736. 13291) , 1992年颁布了恒定应力试验相应的航天工业标准, 2004年颁布了弹药元件步进应力试验的国军标( GJB5103-2004) [ 23229 ] 。

2. 3 高加速应力试验
高加速应力试验是IBM公司的Gunn、Malik和Mazumdar于1981年首次提出的一个全新的试验方法[ 30 ] 。

高加速应力试验是在电子技术高速发展的基础上出现的。

它主要用来代替传统的85℃
/85%RH的温度/湿度(Temperature Humidity Bias , THB)试验,能够大量缩短试验时间。

如THB 需要花费1000 h才能完成的试验,采用HAST只需96～100h。

正是由于HAST的上述优点,近些年来,越来越受到人们的欢迎,国外有些公司开始用HAST代替传统的THB试验[ 31 ] 。

至今,我国还没有开展高加速应力试验研究的报道。

3 研究展望
加速可靠性试验能够缩短试验周期,使产品进行市场的周期大大缩短。

根据对各类加速可靠性试验公开发表文献的分析,结合我国的技术水平和研究现状,对我国加速可靠性试验的研究提出以下几
点建议。

1) 积极开展高加速应力试验研究,争取替代传统的温度/湿度试验。

2) 对可靠性强化试验的关键技术如试验指南、相关设备研制、试验数据的统计分析等方面进行进一步深入研究,
3) 对复杂系统的加速寿命试验进行进一步的探讨,对加速寿命试验的统计分析精度、试验效率、优化设计问题进行进一步深入研究。

4) 进一步推进加速可靠性试验技术的工程应用研究
内容简介：一、设备选择依据
存在于地球表面及大气层空间中的自然环境因素和诱发环境因素的种类，目前还无法统计出一个确切的数目，其中对工程产品（设备）的使用及寿命影响较大的因素不下十几种。

从事工程产品环境条件研究的
一、设备选择依据
存在于地球表面及大气层空间中的自然环境因素和诱发环境因素的种类，目前还无法统计出一个确切的数目，其中对工程产品（设备）的使用及寿命影响较大的因素不下十几种。

从事工程产品环境条件研究的工程师们将自然界存在以及人类活动所诱发的环境条件整理归纳为一系列的试验标准
和规范，用以指导工程产品的环境及可靠性试验。

如指导军工产品进行环境试验GJB150―― 中华人民共和国国家军用标准《军用设备环境试验方法》，指导电工电子产品进行环境试验的
GB2423―― 中华人民共和国国家标准《电工电子产品环境试验方法指南》等。

因此，我们选择环境及可靠性试验设备时主要的依据是工程产品的试验规范和试验标准。

其次，为了规范试验设备中环境试验条件的容差，保证环境参数的控制精度，国家技术监督机构及各工业部门还制订了一系列的环境试验设备及检测仪器仪表的检定规程。

如中华人民共和国国家标准 GB5170 《电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法》，又如国家技术监督局颁布实施的JJG190 － 89 《电动振动试验台系统试行检定规程》等。

这些检定规程也是选择环境及可靠性试验设备的重要依据，不符合这些检定规程要求的试验设备是不允许投入使用的。

二、设备选择基本原则环境及可靠性试验设备的选择应遵循以下五条基本原则：
1 、环境条件的再现性
在试验室内完整而精确地再现自然界存在的环境条件是可望而不可及的事情。

但是，在一定的容差范围之内，人们完全可以正确而近似地模拟工程产品在使用、贮存、运输等过程中所经受的外界环境条件。

这段话用工程的语言概括，就是“ 试验设备所创造的围绕被试产品周边的环境条件（含平台环境）应该满足产品试验规范所规定的环境条件及其容差的要求” 。

如用于军工产品试验的温度箱不仅要满足国军标 GJB150.3 － 86 、 GJB150.4 － 86 中根据不同的均匀性和温度控制精度的要求。

只有这样，才能保证在环境试验中环境条件的再现性。

2 、环境条件的可重复性
一台环境试验设备可能用于同一类型产品的多次试验，而一台被试的工程产品也可能在不同的环境试验设备中进行试验，为了保证同一台产品在同一试验规范所规定的环境试验条件下所得试验结果的可比较性，必然要求环境试验设备所提供的环境条件具有可重复性。

这也就是说，环境试验设备施用于被试验产品的应力水平（如热应力、振动应力、电应力等）对于同一试验规范的要求是一致的。

环境试验设备所提供环境条件的可重复性是由国家计量检定部门依据国家技术监督机构所制定的检定规程检定合格后提供保证。

为此，必须要求环境试验设备能满足检定规程中的各项技术指标及精度指标的要求，并且在使用时间上不超过检定周期所规定的时限。

如使用非常普遍的电动振动台除满足激振力、频率范围、负载能力等技术指标外，还必须满足检定规程中规定的横向振动比、台面加速度均匀性、谐波失真度等精度指标的要求，而且每次检定后的使用周期为二年，超过二年必须重新检定合格后才能投入使用。

3 、环境条件参数的可测控性
任何一台环境试验设备所提供的环境条件必须是可观测的和可控制的，这不仅是为了使环境参数限制在一定的容差范围之内，保证试验条件的再现性和重复性的要求，而且从产品试验的安全出发也是必须的，以便防止环境条件失控导致被试产品的损坏，带来不必要的损失。

目前各种试验规范中大体要求参数测试的精度不应低于试验条件允许的误差的三分之一。

4 、环境试验条件的排它性
每一次进行环境或可靠性试验，对环境因素的类别、量值及容差都有严格的规定，并排除非试验所
需的环境因素渗透其中，以便在试验中或试验结束后判断和分析产品失效与故障模式时，提供确切的依据，故要求环境试验设备除提供所规定的环境条件外，不允许对被试产品附加其它的环境应力干扰。

如电动振动台检定规程中所限定的台面漏磁，加速度信噪比、带内带外加速度总均方根值比。

随机信号的检验、谐波失真度等精度指标都是为了保证环境试验条件的唯一性而制定的检定项目。

5 、试验设备的安全可靠性
环境试验，特别是可靠性试验，试验周期长，试验的对象有时是价值很高的军工产品，试验过程中，试验人员经常要在现场周围操作巡视或测试工作，因此要求环境试验设备必须具有运行安全、操作方便、使用可靠、工作寿命长等特点，以确保试验本身的正常进行。

试验设备的各种保护、告警措施及安全连锁装置应该完善可靠，以保证试验人员、被试产品和试验设备本身的安全可靠性。

三、温湿度箱的选择
1、容积的选择
将被试产品（元器件、组件、部件或整机）置入气候环境箱进行试验时，为了保证被试产品周围气氛能满足试验规范所规定的环境试验条件，气候箱工作尺寸与被试产品外廓尺寸之间应遵循以下几点规定：
a）被试产品的体积（W×D×H）不得超过试验箱有效工作空间的（20～35）％（推荐选用20％）。

对于在试验中发热的产品推荐选用不大于10％。

b）被试产品的迎风断面积与该断面上试验箱工作室总面积之比不大于（35～50）％（推荐选用35％）。

c）被试产品外廓表面距试验箱壁的距离至少保持100～150mm，（推荐选用150mm）。

上述三点规定实际上是相互依存和统一的。

以1立方米正方体箱子为例，面积比为1：(0.35～0.5）相当于体积之比为1：（0.207～0.354）。

距箱壁100～150mm相当于体积之比为1：（0.343～0.512）。

总括上述三点规定，气候环境试验箱的工作腔容积至少应是被试产品外廓体积的3～5倍。

作出这种规定的理由有以下几点：
1〕被试验件置入箱体后挤占了流畅的通道，通道变窄将导致气流流速的增加。

加速气流与被试验件之间的热交换。

这与环境条件的再现不符，因为在有关标准中对涉及温度环境试验都规定试验箱内试验样件周围的空气流速不应超过1.7m/s，以防止试验样件和周围气氛产生不符合实际的热传导。

在空载时试验箱内平均风速为0.6～0.8m/s，不超过1m/s，满足a)、b)两点要求所规定的空间及面积比时，流场的风速可能增大（50～100）％，平均最高风速为（1～1.7）m/s。

满足标准规定的要求。

如果在试验中不加限制地加大试验件的体积或迎风断面积，则实际试验时气流风速将增大到超出试验标准所规定的最高风速，其试验结果的有效性将受到怀疑。

2〕气候箱工作腔内环境参数〔如温度、湿度、盐雾沉降率等〕的精度指标都是在空载状态下检测的结果，一旦置入被试验件后，对试验箱工作腔内环境参数的均匀性将产生影响，试验件占有的空间越大，这种影响也就越严重。

实测试验数据表明，流场中迎风面与背风面的温差可达到3～8℃，严重时可大到10℃以上。

因此，必须尽量满足a〕、b〕两项要求，以保证被试产品周围环境参数的均匀性。

3〕根据热传导的原理，箱壁附近气流的温度通常与流场中心温度相差2～3℃，在高低温的上下限时，还可能达到5℃。

箱壁的温度与箱壁附近流场的温度又相差2～3℃（视箱壁的结构和材料而定）试验温度与外界大气环境相差越大，上述温差也越大，因此，距箱壁（100～150mm）距离内的空间是不可利用空间。

2、温度范围的选择
目前，国外温度试验箱的范围大体上为－73～＋177℃，或－70～＋180℃。

国内多数厂家一般为－80～＋130℃，－60～＋130℃，－40～＋130℃，也有高温到150℃。

这些温度范围通常可以满足国内绝大多数军用、民用产品温度试验的需要，除非确有特殊需要，如安装位置靠近发动机等热源的产品外，不可盲目提高温度上限。

因为上限温度越高，箱体内外的温差越大，箱体内部流场的均匀。