加速老化实验

加速寿命试验

寿命试验(包括截尾寿命试验)方法是基本的可靠性试验方法。在正常工作条件下，常常采用寿命试验方法去估计产品的各种可靠性特征。但是这种方法对寿命特别长的产品来说，就不是一种合适的方法。因为它需要花费很长的试验时间，甚至来不及作完寿命试验，新的产品又设计出来，老产品就要被淘汰了。所以这种方法与产品的迅速发展是不相适应的。经过人们的不断研究，在寿命试验的基础上，找到了加大应力、缩短时间的加速寿命试验方法。 加速寿命试验是用加大试验应力(诸如热应力、电应力、机械应力等)的方法，加快产品失效，缩短试验周期。运用加速寿命模型，估计出产品在正常工作应力下的可靠性特征。 下面就加速寿命试验的思路、分类、参数估计方法及试验组织方法做一简单介绍。 1 问题

高可靠的元器件或者整机其寿命相当长，尤其是一些大规模集成电路，在长达数百万小时以上无故障。要得到此类产品的可靠性数量特征，一般意义下的载尾寿命试验便无能为力。解决此问题的方法，目前有以下几种：

（１）故障数r =0的可靠性评定方法。 如指数分布产品的定时截尾试验

θχαL S t =2202()

()

)(20t S 为总试验时间。α为风险, α=0.1时，21.0χ(2)=4.605≈4.6；当α=0.05时，205.0χ(2)=5.991≈6。

（２）加速寿命试验方法

如，半导体器件在理论上其寿命是无限长的，但由于工艺水平及生产条件的限制，其寿命不可能无限长。在正常应力水平0S 条件下，其寿命还是相当长的，有的高达几十万甚至数百万小时以上。这样的产品在正常应力水平0S 条件下，是无法进行寿命试验的，有时进行数千小时的寿命试验，只有个别半导体器件发生失效，有时还会遇到没有一只失效的情况，这样就无法估计出此种半导体器件的各种可靠性特征。因此选一些比正常应力水平0S 高的应力水平1S ，2S ，…，k S ，在这些应力下进行寿命试验，使产品尽快出现故障。

（３）故障机理分析方法

研究产品的理、化、生微观缺陷，研究缺陷的发展规律，从而预测产品的故障及可靠性特征量。

2 加速寿命试验的思路

由产品故障的应力—强度模型（见图5-5）

图5-5 应力—强度模型

其中：)(t R =P (强度＞应力)，)(t F =P (应力≥强度)

当强度与应力均为确定型时，产品在2t 故障。实际上强度与应力是概率风险型的，当均服从正态分布时，产品则可能提前在1t ，以一定概率发生故障。

由此可知：要使产品早一点出现故障，要么加大应力，要么减少强度。因当产品一经加工形成后，其强度也就基本固定了，所以可行的办法是提高应力，以缩短寿命试验周期。 3 加速寿命试验的分类

通常分为以下三种：

（1）恒定应力加速寿命试验(目前常用)．它是将一定数量的样品分为几组，每组固定在一定的应力水平下进行寿命试验，要求选取各应力水平都高于正常工作条件下的应力水平。试验做到各组样品均有一定数量的产品发生失效为止，如图5-6所示。

（2）步进应力加速寿命试验。它是先选定一组应力水平，譬如是1S ，2S ，…，k S ，它们都高于正常工作条件下的应力水平0S 。试验开始是把一定数量的样品在应力水平1S 下进行试验，经过一段时间，如1t 小时后，把应力水平提高到2S ，未失效的产品在2S 应力水平继续进行试验，如此继续下去，直到一定数量的产品发生失效为止，如图5-7所示。

（3）序进应力加速寿命试验。产品不分组，应力不分档，应力等速升高，直到一定数量的故障发生为止。它所施加的应方水平将随时间等速上升，如图5-8所示。这种试验需要有专门的设备。

图5-6 恒定应力 图5-7 步进应力 图5-8 序进应力

在上述三种加速寿命试验中，以恒定应力加速寿命试验更为成熟．尽管这种试验所需时间不是最短，但比一般的寿命试验的试验时间还是缩短了不少．因此它还是经常被采用的试验方法。目前国内外许多单位已采用恒定应力加速寿命试验方法来估计产品的各种可靠性特征，并有了一批成功的实例。下面主要介绍如何组织恒定应力加速寿命试验及其统计分析方

法，包括图估计和数值估计方法。

4 恒定应力加速寿命试验的参数估计

产品不同的寿命分布应有不同的参数估计方法，下面以威布尔寿命分布的产品为例说明，其他寿命分布的估计问题可参考有关文献。

4.1 基本假定

在恒定应力加速寿命试验停止后，得到了全部或部分样品的失效时间，接着就要进行统计分析。一定的统计分析方法都是根据产品的寿命分布和产品的失效机理而制定的。因此一个统计分析方法成为可行就必须要有几项共同的基本假定。违反了这几项基本假定，统计分析的结果就不可靠，也得不到合理的解释。因为这几项基本假定是从不少产品能够满足的条件中抽象出来的，所以这几项基本假定对大多数产品来说不是一种约束，只要在安排恒定应力加速寿命试验时注意到这几项基本假定，它们就可以被满足。

（１）设产品的正常应力水平为0S ，加速应力水平确定为1S ,2S ，…，k S ，则在任何水平i S

下，产品的寿命都服从或近似服从威布尔分布，其间差别仅在参数上。

这一点可在威布尔概率纸上得到验证。 其分布函数为 i i m i i i T t t F ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝

⎛−−=ηexp 1)(，0≥i t ，k i ,....,2,1,0= （２）在加速应力1S ,2S ，…，

k S 下产品的故障机理与正常应力水平0S 下的产品故障机

理是相同的。 因为威布尔分布的形状参数m 的变化反映了产品的故障机理的变化，故有

0m ＝1m ＝2m ＝…＝k m

。

这一点可在威布尔概率纸上得到验证。若不同档次的加速应力所得试验数据在威布尔概率纸上基本上是一族平行直线，则假定（２）就满足了。

（３）产品的特征寿命η与所加应力s 有如下关系： ln ()ηϕ=+a b s

a ，

b 是待估参数，)(s ϕ是应力s 的某一已知函数，上式通常称为加速寿命方程。 此假定是根据阿伦尼斯方程和逆幂律模型抽象出来的： ∵ KT E e βη=， ∴

]1[ln ln T K E +=βη 令

K E b ==,ln βα，则有)(ln T b a ϕη+= 又 ∵

c dV 1=η ∴ V c

d ln ln ln −−=η

令 c b d a −=−=,ln

则 )(ln V b a ϕη+=

国内外大量实验数据表明，不少产品是可以满足上述三项基本假定的，也就是说对不少产品是可以进行恒定应力加速寿命试验的。

4.2 图估法

(威布尔分布)

步骤：