可靠性试验评价技术发展及其应用_程德斌
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可靠性仿真试验是基于故障物理原理和计算机技术，利用 计算机仿真分析软件，对实际的或设想的设备进行数字模型可 靠性分析、计算的过程。所谓故障物理，是指从物理、化学的 微观结构角度出发，研究材料、零件（元器件）和结构的故障 机理，并分析工作条件、环境应力及时间对产品性能退化或故 障的影响。 可靠性仿真试验可以达到四个目的：一是通过软件在电子 样机上施加产品所经历的载荷历程， 分解到产品的基本模块上， 进行应力分析和应力损伤分析，从而找出产品的设计薄弱环节； 二是通过仿真预计产品的失效时间分布，指导和辅助可靠性设 计优化；三是通过可靠性仿真量化评估，比较设计方案；四是 可为可靠性强化试验、加速增长试验和可靠性综合评价提供支 持和依据。 可靠性仿真试验适用于模块级和 LRU 级关键重要的新研电 子产品或有电子组件的机电设备，同一研制单位具有相似设计
图 6
可靠性综合评价框图
Environmental Technology·October 2010
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nvironmental Adaptability &Reliability
环境适应性和可靠性
配情况，对软件测试剖面适当调整，在硬件试验的同时进行软 件测试，根据试验和测试数据进行评价。
品寿命评估 , 往往难以在可行的时间内完成。 为了解决这个问题， 加速试验被广泛应用来激发产品潜在缺陷，缩短试验时间，以 期得到更多的可靠性信息。 将在高应力水平试验下获得的寿命、
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环境适应性和可靠性
可靠性试验评价技术发展及其应用
The Development and Application of Assessment Technology of Reliability Test
文 | 工业和信息化部电子第五研究所 程德斌
用可靠性强化试验来统称这类技术是较为合理的，因为它突出 了强化试验的特点。 可靠性强化试验（RET）的目的是通过施加高于实际使用 的环境应力、工作载荷，快速寻找产品设计缺陷，以改进设计， 提高产品固有可靠性水平，主要适用于模块级和单元级电子、 机电产品，一般要求在产品研制阶段早期开展。可靠性强化试 验的理论基础是故障物理学( Physics of failure) ， 即把故障或失 效当作研究的主要对象，通过发现、研究和根治故障达到提高 可靠性的目的。高应力在很短的时间内达到长时间低应力作用 的效果，同时又不会对受试样品造成过应力损伤。可靠性强化 试验首先通过施加超过产品可能承受限度的应力，促使潜在故 障表现出来，并确定产品设计、正常操作和破坏的应力限，然 后进行失效分析直至找到故障的根本原因，确定所有故障模式 和相关的产品设计问题；最后进行改进并通过重新试验检验这 种改进措施在失效环境下的效果。可靠性强化试验的一般流程 如图 4 所示。
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环境适应性和可靠性
图 4
可靠性强化试验一般流程
确定方法，并研究设备在加速应力下的失效规律，提出可靠性 评估方法。 可靠性试验剖面设计的关键是温度应力量值确定、振动应 力量值确定、温度变化率的确定及几类应力之间的匹配关系， 并要考虑与加速系数的适应关系。由敏感应力研究确定可靠性 加速增长试验剖面的应力种类，一般应力种类包括温度、随机 振动、湿度以及电应力，并以综合应力的方式施加。其中温度 与随机振动为加速试验应力，电应力与湿度应力不作为加速应 力。根据环境应力与失效的关系，选择应力的组合模式，高温 + 随机振动，以及快速温变 + 随机振动。试验采用综合应力的 施加方式，试验剖面一个试验循环包括高温 + 随机振动、快速 温变 + 随机振动两个阶段。在进行可靠性加速增长试验时，必 须保证受试设备的失效机理不发生变化，因此在机载电子设备 工作极限应力和破坏极限应力的基础上，利用机载电子设备敏 感环境因素及其对失效的影响，并保证一定的应力余量，确定 合适的温度、振动应力量值和温度变化率。 加速系数的确定即要确定针对传统可靠性试验中温度持续 时间进行加速的系数和针对传统可靠性试验中循环次数（温变 次数）进行加速的系数。运用 GJB299C 提供的应力分析法，搜 集整理产品内元器件的失效率模型，在元器件失效率模型的基 础上，分析元器件在不同环境应力量值下的失效率数据，进行 产品可靠性建模，得到不同应力下产品的失效率，从而确定产 品可靠性加速增长试验中试验时间的加速系数。温度变化速率
1 前言
可靠性试验与评价是为了了解、分析、提高、评价产品的 可靠性而进行的工作的总称。可靠性试验的目的一方面是为了 发现产品设计、工艺方面的缺陷，为产品的改进提供依据；另 一方面是为了获得评价产品可靠性水平所需数据。可靠性评价 的目的是对通过各种途径所获取的可靠性数据，按规定的要求 进行综合分析并提出产品实际能够达到的可靠性量值，再与要 求值比较以便决策。可靠性试验与评价是产品可靠性工程的重 要内容，从产品方案设计时就应该进行规划，如图 1 所示。 按照试验目的不同，可靠性试验可分为可靠性工程试验和
当前试验方式制约软件密集型系统的考核。一方面，硬件 可靠性试验过程中，没有结合软件运行剖面运行软件，试验对 软件和系统的考核不够全面。由于当前试验环境的制约，很多 由软件实现的系统功能因环境限制无法执行，无法在试验中得
5 多剖面可靠性试验和软硬件综合可靠性试验
多剖面可靠性试验系统由多个试验箱组成，各个箱子可独 立控制，也可同步激励，分别模拟系统中不同设备所在部位的 实际环境应力，例如航空综合电子系统，一部分设备在电子舱， 一部分设备在尾翼，通过隔板上的电缆孔可将各个设备连成整 系统进行可靠性试验。
与循环次数（温变次数）满足逆幂模型 , 利用该模型即可以推 导出在传统可靠性试验模拟现场使用环境下和加速试验环境下 循环次数的比例关系。 利用可靠性加速增长试验技术，可以帮助实现电子设备的 高可靠性，同时对其可靠性指标进行评估。该技术目前处于试 用阶段，拟在新一代航空产品中推广应用。
4 可靠性仿真试验
立项认证
图 1
可靠性试验评价与产品研制周期
21 2010 年 10 月 ·环境技术
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nvironmental Adaptability &Reliability
环境适应性和可靠性
图 2
可靠性试验分类
图 3
可靠性试验评价新技术
较长，发展出高效环境应力筛选，极大地提高了筛选效率；可 靠性研制试验增加了可靠性强化试验方法，对健壮产品可靠性 设计作用很大；针对传统可靠性增长试验时间长的问题，发展 了加速可靠性增长方法；随着同步激励等综合环境试验设备的 研制成功，以及软件密集型系统软件运行对系统可靠性影响的 认识深入，可靠性鉴定试验发展出大系统多剖面可靠性试验技 术和软硬件综合可靠性试验技术；为在实物产品试制之前就对 产品可靠性进行分析评价，并充分利用研制过程可靠性数据， 可靠性分析评价发展出可靠性仿真试验评价和可靠性综合评价； 为缩短寿命试验时间，充分利用产品性能变化数据评估产品寿 命， 传统寿命试验发展出加速退化试验。 上述新技术的综合运用， 可以较好地解决大系统、高可靠、长寿命产品的试验评价问题。 例如，针对高可靠产品，采用可靠性强化试验、加速可靠性增 长试验和可靠性综合评价 ； 针对大系统， 采用多剖面可靠性试验、 软硬件综合试验和可靠性综合评价；针对长寿命产品，采用加 速寿命试验、加速退化试验和可靠性综合评价。
2 可靠性强化试验
可靠性强化试验技术从 80 年代末至 90 年代初，相继在各 工业部门推广应用，无一例外地取得了很大的成功。但是名称 不统一。 如最早从事此项技术研究的 G. K. Hobbs ,K.A. Gray 和 L.W. Condra 等人，他们称这种试验为高加速寿命试验 (Highly Accelerated Life Testing : HALT)， 也有叫步进应力试验(Step Stess Testing :SST) 、 应力寿命试验(Stress Life :STRIFE)以及应力裕度 和强壮试验(Stress Margin And Robustness Test :SMART) 等。 波音 公司在应用该技术时，提出了 RET（可靠性强化试验） 的概念。
文摘：本文介绍了可靠性试验评价的概况和技术发展， 论述了可靠性仿真试验、 可靠性强化试验、 可靠性加速试验、 系统可靠性试验、 加速退化试验和可靠性综合评价的概念、方法、基本流程及其主要应用。 Abstract：This paper introduces the general situation of reliability test, including the technological development. The concept, the method and the procedures as well as the practical application of reliability simulation test, reliability enhancement test, reliability acceleration test, reliability test for systems, stimulating degrading test and comprehensive reliability assessment are discussed mainly. 关键词：可靠性试验；评价技术发展 Key words：reliability test; assessment technology development
3 可靠性加速增长试验
可靠性加速增长试验方法是在传统可靠性增长试验的基础 上， 通过对产品施加高于典型应用环境应力， 加速产品故障暴露， 提高试验效率，达到加速增长的目的。加速的关键是设计加速 试验剖面和确定加速系数。可靠性加速增长试验方法以应力分 析为基础，包括设备外部环境应力分析、设备内部微环境应力 分析、环境应力与产品故障分布关系分析、环境应力对失效率 的影响分析等，确定设备的敏感应力类型及应力量值极限的确 定方法，提出加速试验剖面设计方法和给定应力下的加速系数
可靠性统计试验两大类，如图 2 所示。工程试验的目的是为了 暴露产品设计、工艺、元器件、原材料等方面存在的缺陷，采 取措施加以改进，以提高产品的可靠性。统计试验的目的是验 证产品的可靠性或寿命是否达到了规定要求。可靠性验证工作 是可靠性试验与评价工作中非常重要的组成部分，它在指产品 鉴定阶段， 对产品的可靠性是否满足规定给出结论性意见。 此外， 按试验场地可靠性试验又可分为实验室试验和现场试验。 随着社会和科技的发展，大系统、高可靠、长寿命产品的 可靠性试验评价需求日益突出，为此，可靠性试验评价技术得 到相应的发展。如图 3 所示，针对传统环境应力筛选耗时相对
到验证。另一方面，单独进行软测试存在的盲点，因为软件测 试没有考虑硬件支持环境对软件的影响， 没有全数字仿真平台， 难以发现由于硬件平台故障或其性能下降而引起软件故障和性 能不达标。软硬件综合试验从功能剖面、数据剖面、环境剖面 三个维度描述软件运行剖面，对环境剖面进行切片分析，合理 安排综合试验中的软件测试剖面，并考虑与硬件试验剖面的匹
23 2010 年 10 月 ·环境技术
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环境适应性和可靠性
图 5
可靠性仿真试验一般流程
的产品原则只选取一个典型设备，具体在试验方案中规定。可 靠性仿真试验在 C 型件印制线路板设计完成后，制来自百度文库开始，贯 穿于整个 C 型件的研制阶段。仿真试验的一般流程如图 5 所示。
6 可靠性综合评价
可靠性综合评价利用多源数据融合手段，通过对产品各个 研制阶段、各个层次产品、各种试验数据进行多源数据融合， 综合评价产品的可靠性，达到充分利用产品研制过程信息，解 决高可靠和长寿命产品的可靠性评价所需样本的问题。 可靠性综合评价框图见图 6。首先，对同一产品进行数据 融合处理：根据各阶段的环境条件将故障信息折算为产品实际 使用条件下的有效信息；根据信息来源确定数据的充分度；对 该产品的数据进行融合，得到该产品的寿命分布信息。然后对 隶属产品进行数据融合， 构建系统的组成框图， 根据金字塔模型， 评估出系统的可靠性水平。
图 6
可靠性综合评价框图
Environmental Technology·October 2010
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环境适应性和可靠性
配情况，对软件测试剖面适当调整，在硬件试验的同时进行软 件测试，根据试验和测试数据进行评价。
品寿命评估 , 往往难以在可行的时间内完成。 为了解决这个问题， 加速试验被广泛应用来激发产品潜在缺陷，缩短试验时间，以 期得到更多的可靠性信息。 将在高应力水平试验下获得的寿命、
E
nvironmental Adaptability &Reliability
环境适应性和可靠性
可靠性试验评价技术发展及其应用
The Development and Application of Assessment Technology of Reliability Test
文 | 工业和信息化部电子第五研究所 程德斌
用可靠性强化试验来统称这类技术是较为合理的，因为它突出 了强化试验的特点。 可靠性强化试验（RET）的目的是通过施加高于实际使用 的环境应力、工作载荷，快速寻找产品设计缺陷，以改进设计， 提高产品固有可靠性水平，主要适用于模块级和单元级电子、 机电产品，一般要求在产品研制阶段早期开展。可靠性强化试 验的理论基础是故障物理学( Physics of failure) ， 即把故障或失 效当作研究的主要对象，通过发现、研究和根治故障达到提高 可靠性的目的。高应力在很短的时间内达到长时间低应力作用 的效果，同时又不会对受试样品造成过应力损伤。可靠性强化 试验首先通过施加超过产品可能承受限度的应力，促使潜在故 障表现出来，并确定产品设计、正常操作和破坏的应力限，然 后进行失效分析直至找到故障的根本原因，确定所有故障模式 和相关的产品设计问题；最后进行改进并通过重新试验检验这 种改进措施在失效环境下的效果。可靠性强化试验的一般流程 如图 4 所示。
Environmental Technology·October 2010
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环境适应性和可靠性
图 4
可靠性强化试验一般流程
确定方法，并研究设备在加速应力下的失效规律，提出可靠性 评估方法。 可靠性试验剖面设计的关键是温度应力量值确定、振动应 力量值确定、温度变化率的确定及几类应力之间的匹配关系， 并要考虑与加速系数的适应关系。由敏感应力研究确定可靠性 加速增长试验剖面的应力种类，一般应力种类包括温度、随机 振动、湿度以及电应力，并以综合应力的方式施加。其中温度 与随机振动为加速试验应力，电应力与湿度应力不作为加速应 力。根据环境应力与失效的关系，选择应力的组合模式，高温 + 随机振动，以及快速温变 + 随机振动。试验采用综合应力的 施加方式，试验剖面一个试验循环包括高温 + 随机振动、快速 温变 + 随机振动两个阶段。在进行可靠性加速增长试验时，必 须保证受试设备的失效机理不发生变化，因此在机载电子设备 工作极限应力和破坏极限应力的基础上，利用机载电子设备敏 感环境因素及其对失效的影响，并保证一定的应力余量，确定 合适的温度、振动应力量值和温度变化率。 加速系数的确定即要确定针对传统可靠性试验中温度持续 时间进行加速的系数和针对传统可靠性试验中循环次数（温变 次数）进行加速的系数。运用 GJB299C 提供的应力分析法，搜 集整理产品内元器件的失效率模型，在元器件失效率模型的基 础上，分析元器件在不同环境应力量值下的失效率数据，进行 产品可靠性建模，得到不同应力下产品的失效率，从而确定产 品可靠性加速增长试验中试验时间的加速系数。温度变化速率
1 前言
可靠性试验与评价是为了了解、分析、提高、评价产品的 可靠性而进行的工作的总称。可靠性试验的目的一方面是为了 发现产品设计、工艺方面的缺陷，为产品的改进提供依据；另 一方面是为了获得评价产品可靠性水平所需数据。可靠性评价 的目的是对通过各种途径所获取的可靠性数据，按规定的要求 进行综合分析并提出产品实际能够达到的可靠性量值，再与要 求值比较以便决策。可靠性试验与评价是产品可靠性工程的重 要内容，从产品方案设计时就应该进行规划，如图 1 所示。 按照试验目的不同，可靠性试验可分为可靠性工程试验和
当前试验方式制约软件密集型系统的考核。一方面，硬件 可靠性试验过程中，没有结合软件运行剖面运行软件，试验对 软件和系统的考核不够全面。由于当前试验环境的制约，很多 由软件实现的系统功能因环境限制无法执行，无法在试验中得
5 多剖面可靠性试验和软硬件综合可靠性试验
多剖面可靠性试验系统由多个试验箱组成，各个箱子可独 立控制，也可同步激励，分别模拟系统中不同设备所在部位的 实际环境应力，例如航空综合电子系统，一部分设备在电子舱， 一部分设备在尾翼，通过隔板上的电缆孔可将各个设备连成整 系统进行可靠性试验。
与循环次数（温变次数）满足逆幂模型 , 利用该模型即可以推 导出在传统可靠性试验模拟现场使用环境下和加速试验环境下 循环次数的比例关系。 利用可靠性加速增长试验技术，可以帮助实现电子设备的 高可靠性，同时对其可靠性指标进行评估。该技术目前处于试 用阶段，拟在新一代航空产品中推广应用。
4 可靠性仿真试验
立项认证
图 1
可靠性试验评价与产品研制周期
21 2010 年 10 月 ·环境技术
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nvironmental Adaptability &Reliability
环境适应性和可靠性
图 2
可靠性试验分类
图 3
可靠性试验评价新技术
较长，发展出高效环境应力筛选，极大地提高了筛选效率；可 靠性研制试验增加了可靠性强化试验方法，对健壮产品可靠性 设计作用很大；针对传统可靠性增长试验时间长的问题，发展 了加速可靠性增长方法；随着同步激励等综合环境试验设备的 研制成功，以及软件密集型系统软件运行对系统可靠性影响的 认识深入，可靠性鉴定试验发展出大系统多剖面可靠性试验技 术和软硬件综合可靠性试验技术；为在实物产品试制之前就对 产品可靠性进行分析评价，并充分利用研制过程可靠性数据， 可靠性分析评价发展出可靠性仿真试验评价和可靠性综合评价； 为缩短寿命试验时间，充分利用产品性能变化数据评估产品寿 命， 传统寿命试验发展出加速退化试验。 上述新技术的综合运用， 可以较好地解决大系统、高可靠、长寿命产品的试验评价问题。 例如，针对高可靠产品，采用可靠性强化试验、加速可靠性增 长试验和可靠性综合评价 ； 针对大系统， 采用多剖面可靠性试验、 软硬件综合试验和可靠性综合评价；针对长寿命产品，采用加 速寿命试验、加速退化试验和可靠性综合评价。
2 可靠性强化试验
可靠性强化试验技术从 80 年代末至 90 年代初，相继在各 工业部门推广应用，无一例外地取得了很大的成功。但是名称 不统一。 如最早从事此项技术研究的 G. K. Hobbs ,K.A. Gray 和 L.W. Condra 等人，他们称这种试验为高加速寿命试验 (Highly Accelerated Life Testing : HALT)， 也有叫步进应力试验(Step Stess Testing :SST) 、 应力寿命试验(Stress Life :STRIFE)以及应力裕度 和强壮试验(Stress Margin And Robustness Test :SMART) 等。 波音 公司在应用该技术时，提出了 RET（可靠性强化试验） 的概念。
文摘：本文介绍了可靠性试验评价的概况和技术发展， 论述了可靠性仿真试验、 可靠性强化试验、 可靠性加速试验、 系统可靠性试验、 加速退化试验和可靠性综合评价的概念、方法、基本流程及其主要应用。 Abstract：This paper introduces the general situation of reliability test, including the technological development. The concept, the method and the procedures as well as the practical application of reliability simulation test, reliability enhancement test, reliability acceleration test, reliability test for systems, stimulating degrading test and comprehensive reliability assessment are discussed mainly. 关键词：可靠性试验；评价技术发展 Key words：reliability test; assessment technology development
3 可靠性加速增长试验
可靠性加速增长试验方法是在传统可靠性增长试验的基础 上， 通过对产品施加高于典型应用环境应力， 加速产品故障暴露， 提高试验效率，达到加速增长的目的。加速的关键是设计加速 试验剖面和确定加速系数。可靠性加速增长试验方法以应力分 析为基础，包括设备外部环境应力分析、设备内部微环境应力 分析、环境应力与产品故障分布关系分析、环境应力对失效率 的影响分析等，确定设备的敏感应力类型及应力量值极限的确 定方法，提出加速试验剖面设计方法和给定应力下的加速系数
可靠性统计试验两大类，如图 2 所示。工程试验的目的是为了 暴露产品设计、工艺、元器件、原材料等方面存在的缺陷，采 取措施加以改进，以提高产品的可靠性。统计试验的目的是验 证产品的可靠性或寿命是否达到了规定要求。可靠性验证工作 是可靠性试验与评价工作中非常重要的组成部分，它在指产品 鉴定阶段， 对产品的可靠性是否满足规定给出结论性意见。 此外， 按试验场地可靠性试验又可分为实验室试验和现场试验。 随着社会和科技的发展，大系统、高可靠、长寿命产品的 可靠性试验评价需求日益突出，为此，可靠性试验评价技术得 到相应的发展。如图 3 所示，针对传统环境应力筛选耗时相对
到验证。另一方面，单独进行软测试存在的盲点，因为软件测 试没有考虑硬件支持环境对软件的影响， 没有全数字仿真平台， 难以发现由于硬件平台故障或其性能下降而引起软件故障和性 能不达标。软硬件综合试验从功能剖面、数据剖面、环境剖面 三个维度描述软件运行剖面，对环境剖面进行切片分析，合理 安排综合试验中的软件测试剖面，并考虑与硬件试验剖面的匹
23 2010 年 10 月 ·环境技术
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nvironmental Adaptability &Reliability
环境适应性和可靠性
图 5
可靠性仿真试验一般流程
的产品原则只选取一个典型设备，具体在试验方案中规定。可 靠性仿真试验在 C 型件印制线路板设计完成后，制来自百度文库开始，贯 穿于整个 C 型件的研制阶段。仿真试验的一般流程如图 5 所示。
6 可靠性综合评价
可靠性综合评价利用多源数据融合手段，通过对产品各个 研制阶段、各个层次产品、各种试验数据进行多源数据融合， 综合评价产品的可靠性，达到充分利用产品研制过程信息，解 决高可靠和长寿命产品的可靠性评价所需样本的问题。 可靠性综合评价框图见图 6。首先，对同一产品进行数据 融合处理：根据各阶段的环境条件将故障信息折算为产品实际 使用条件下的有效信息；根据信息来源确定数据的充分度；对 该产品的数据进行融合，得到该产品的寿命分布信息。然后对 隶属产品进行数据融合， 构建系统的组成框图， 根据金字塔模型， 评估出系统的可靠性水平。