长寿命电子设备加速寿命试验技术研究

唐少波，王田宇，宋宇康，王家鑫，谢军，章华亮

（国营长虹机械厂，桂林 541003）

引言

长寿命逐渐成为电子设备的研制要求和发展趋势，寿命也成为鉴定考核的重要指标，传统的基于环境真实性模拟的可靠性评估方法已无法满足其高可靠性的要求，如何快速高效地合理评价长寿命电子设备的可靠性指标是否达到规定要求，并缩短研制周期、满足交付需求，已成为了长寿命电子设备研制过程中急需解决的重要难题。加速寿命试验技术通过提高产品承受的应力水平，在短时间内激发和正常应力相同的失效模式，是检验产品可靠性指标的关键技术，加速寿命试验技术的研究和方案设计满足了长寿命电子设备寿命评估的工程需求。

伏洪勇等[1]利用阿伦尼斯模型设计了激光器及其薄弱环节的加速试验方案，确定了试验参数；吴松[2]等利用加速寿命试验设计了雷达系统电子产品在温、湿度应力下的可靠寿命验证方案，并给出了判定要求；黄赟等[3]利用高温加速寿命试验，基于固定式光纤水听器的失效模式，确定了定时截尾试验时间；岳峰等[4]运用加速试验预估激活能获取加速因子，计算试验时间，评估了继电保护装置在温、湿度应力下的寿命。孔耀等[5]利用加速寿命试验和可靠性鉴定试验，确定了地面雷达故障时间，设计了地面雷达加速试验剖面。罗俊等[6]通过分析半导体器件贮存环境和失效机理，基于温湿度双应力耦合模型预估失效模式激活能，确定了贮存18 年的可靠度。刘鹏等[7]基于变压器的工作原理和失效机理，利用温湿度双应力加速模型和指数分布，设计了验证寿命的定时截尾试验方案，验证了变压器寿命大于3 年的要求。

本文以加速寿命试验为指导，重点解决长寿命电子设备寿命验证困难的问题，基于温、湿度双应力耦合的派克（Peck）模型，确定电子设备加速因子，并结合可靠性鉴定和验收试验以及指数分布，建立了电子设备正常工作与加速试验之间寿命消耗的等效关系，设计了电子设备寿命验证方案并给出了寿命满足研制要求的判定准则。

1 加速寿命试验建模

1.1 Peck 模型

加速寿命试验模型是正确反映电子设备寿命消耗与环境应力之间的物理化学关系的关键，是进行电子设备寿命外推的基础。湿度应力对电子设备的性能退化有较大影响，且一般伴随温度应力使电子设备发生氧化、腐蚀等失效。故选用以温、湿度作为主要耦合双环境应力的Peck 模型描述电子设备寿命与应力水平之间的关系，如式（1）所示[8,9]。

式中：

ζ—特征寿命；

RH—相对湿度；

B—湿度加速率常数，一般取值范围为2~3；

A—与整机材料特性相关的常数；

Ea—激活能，单位是eV；

k—玻尔兹曼常数，取值约为8.62×10-5eV/K；

T—热力学温度，单位为K。

1.2 加速因子的确定

基于温湿度复合应力的Peck 模型，加速因子AF定义为电子设备正常工作环境应力RH0、T0时的特征寿命 0ζ与加速环境应力RH、T 时特征寿命ζ的比值为：

通过加速因子可以建立正常工作环境下的寿命和加速环境应力下的寿命的等效关系。

2 加速寿命试验时间确定方法

2.1 加速寿命试验等效时间的确定

基于GJB 899A-2009《可靠性鉴定与验收试验》[10]以及电子设备寿命服从指数分布的假设，根据定时统计方案，电子设备加速寿命试验时间t 的估算公式为[3]：

式中：

t—电子设备在正常工作环境下可达到的寿命；

t'—在规定的置信水平α条件下加速寿命试验需要的等效试验时间；

γ—试验期间允许出现的故障数；

本文电子设备加速寿命试验的置信度水平选取为0.8，以此确定电子设备加速寿命试验等效时间。

2.2 加速寿命试验时间的确定

电子设备加速寿命试验本质上是一种定时截尾可靠性试验，在故障数γ为0 时，需提供的等效试验时间为t'，结合加速因子建立电子设备在实验室开展加速寿命试验的寿命消耗与正常工作寿命消耗的等效关系，使产品累积损伤达到相同的效果，则电子设备的加速寿命试验时间ttest折算公式为[2]：

3 案例分析

某长寿命电子设备，正常工作环境为（30 ℃，65 %RH），已知研制要求为在80 %的置信度下寿命达到9 000 h 且不允许发生故障。试验样本量为1 台，基于该电子设备的寿命指标及故障次数要求，采用加速寿命试验方法判断该电子设备寿命是否达到所期望的研制要求。

3.1 加速因子计算

根据电子设备所处工作环境，结合其工作原理和失效机理，可知寿命主要受温度和湿度耦合的双环境应力影响，所以本文采用Peck 模型，为兼顾寿命评价的快速性和应力选取的合理性，且在加速寿命试验过程中不引入电子设备新的失效模式。利用工程实际中常用的85 ℃/85 %RH 方法来验证该电子设备寿命。已知该电子设备预期失效模式的激活能Ea 为0.6，湿度加速率常数B 为2。代入式（2）可得该电子设备加速因子在（85 ℃，85 %RH）相对于（30 ℃，65 %RH）的加速因子为AF=81.27。

3.2 加速寿命试验等效时间的确定

当统计结果置信度取为0.8、故障数γ取为0 时，基于指数分布的假设和可靠性鉴定与验收试验定时方案统计理论，根据式（3），可获得该电子设备等效试验时间为h。即当加速寿命试验运行14 485 h 且未出现任何故障时，可判定该电子设备寿命达到了研制要求。但在实际工作中在实验室开展14 485 h 的试验时长过程中所耗费的人力和物力是根本无法满足产品实际生产和交付需求的，这也是工程实际中长寿命电子设备寿命验证面临的主要实际问题。

3.3 加速寿命试验时间的确定

加速寿命试验时间的确定需要根据电子设备加速因子建立加速试验应力下与正常使用工作环境应力下寿命消耗的等效关系，根据加速因子，利用式（4），获得加速寿命试验时间为h。

根据以上加速因子计算结果，1 台电子设备在恒定加速温度应力为（85 ℃，85 %RH）的条件下，置信度为0.8，试验时间在249 h 内，出现故障的次数为0 时，即可判定电子设备的寿命消耗等效9 000 h 的效果，可以做出寿命达到了研制要求的判断。

4 结束语

本文基于Peck 模型，计算出电子设备在（85 ℃，85 %RH）下相对于正常工作环境为（30 ℃，65 %RH）的加速因子，结合可靠性鉴定与验收试验和寿命服从指数分布的假设，建立正常工作应力和加速试验应力之间寿命消耗的等效关系，计算出电子设备加速寿命试验时间，在约178 h 的试验时间内使整机的寿命消耗等效9 000 h 的效果，利用加速寿命试验提高试验应力大大缩短了试验时间，提升了试验效率，利用加速寿命试验可在较短时间内快速验证产品寿命，满足长寿命电子设备寿命快速评价的需求。