电子产品可靠性试验.docx
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电子产品可靠性试验
電子產品可靠性試驗
第一章可靠性試驗概述
1電子產品可靠性試驗的目的
可靠性試驗是對產品進行可靠性調查、分析和評價的一種手段。
試驗結果為故障分析、研究採取的糾正措施、判斷產品是否達到指標要求提供依據。
具體目的有：
（1）發現產品的設計、元器件、零部件、原材料和工藝等方面的各種缺陷；
（2）為改善產品的完好性、提高任務成功性、減少維修人力費用和保障費用提供資訊；
（3）確認是否符合可靠性定量要求。
為實現上述目的，根據情況可進行實驗室試驗或現場試驗。
實驗室試驗是通過一定方式的類比試驗，試驗剖面要儘量符合使用的環境剖面，但不受場地的制約，可在產品研製、開發、生產、使用的各個階段進行。
具有環境應力的典型性、資料測量的準確性、記錄的完整性等特點。
通過試驗可以不斷地加深對產品可靠性的認識，並可為改進產品可靠性提供依據和驗證。
現場試驗是產品在使用現場的試驗，試驗剖面真實但不受控，因而不具有典型性。
因此，必須記錄分析現場的環境條件、測量、故障、維修等因素的影響，即便如此，要從現場試驗中獲得及時的可靠性評價資訊仍然困難，除非用若干台設備置於現場使用直至用壞，忠實記錄故障資訊後才有可能確切地評價其可靠性。
當系統規模龐大、在實驗室難以進行試驗時，則樣機及小批產品的現場可靠性試驗有重要意義。
2可靠性試驗的分類
2.1電子裝備壽命期的失效分佈
目前我們認為電子裝備壽命期的典型失效分佈符合“浴盆曲線”，可以劃分為三段：
早期失效段、恒定（隨機或偶然）失效段、耗損失效段。
可參閱圖1.2.1。
早期失效段，也稱早期故障階段。
早期失效出現在產品壽命的較早時期，產品裝配完成即進入早期失效期，其特點是故障率較高，且隨工作時間的增加迅速下降。
早期故障主要是由於製造工藝缺陷和設計缺陷暴露產生，例如原材料缺陷引起絕緣不良，焊接缺陷引起虛焊，裝配和調整不當引起參數漂移，元器件缺陷引起性能失效等。
早期失效可通過加強原材料和元器件的檢驗、工藝檢驗、不同級別的環境應力篩選等嚴格的品質管制措施加以暴露和排除。
失效率
早期耗損
失效偶然失效段失效
時間
圖1.2.1電子裝備壽命期失效分佈的浴盆曲線示意
恒定失效段，也稱偶然失效段，其故障由裝備內部元器件、零部件的隨機性失效引起，其特點是故障率低，比較穩定，因此是裝備主要工作時段。
耗損失效段，其特點是故障率迅速上升，導致維修費用劇增，因而報廢。
其故障原因主要是結構件、元器件的磨損、疲勞、老化、損耗等引起。
2.2試驗類型及其分佈曲線的變化
針對電子裝備壽命期失效分佈的三個階段，人們在設計製造和使用裝備時便有針對地採取措施，以提高可靠性和降低壽命週期的費用。
在設計製造階段，要儘量減少設計缺陷和製造缺陷，即便如此仍然會存在早期失效和隨機失效。
為此，承制方需要運用工程試驗的手段來暴露和消除早期失效，降低隨機失效的固有水準。
通過這些措施，可以改變產品的壽命分佈曲線的形狀，可參閱圖1.2.2。
在耗損階段，用戶可通過維修和局部更新的手段延長裝備的使用壽命。
圖1.2.2示意了兩組產品壽命失效率分佈曲線，圖中表明產品B的可靠性水準比產品A的優良，因為B的恒定失效率比A的低，B的早期失效段比A的短。
如果曲線A和B是同一種產品的不同階段的失效率分佈，則表明該產品經過了可靠性增長試驗，取得成效，因此曲線B的恒定失效率大為降低。
曲線B的早期失效段示意了B和B’兩條，它們表明B比B’的早期失效率為低，顯示其工藝和元器件、原材料的缺陷比B’的少，環境應力篩選所需的資源也可較少。
失效率
產品A的壽命失效分佈
B’
B產品B的壽命失效分佈
時間
圖1.2.2裝備可靠性試驗結果對失效分佈曲線形狀影響
2.3裝備可靠性試驗分類
2.3.1裝備可靠性試驗專案分類
由裝備可靠性試驗的目的出發，我們把它分為可靠性工程試驗和可靠性驗證試驗兩大類，每類試驗又包括幾種試驗項目。
（1）可靠性工程試驗，其目的在於暴露產品故障以便人們消除它，由承制方進行，試驗樣品從研製樣機中取得。
可靠性工程試驗包括環境應力篩選和可靠性增長試驗。
從試驗性質來分析，現行的老煉也屬於工程試驗專案；由環境應力篩選發展起來的可靠性保證試驗也可歸納於此。
工程試驗的出發點是：
儘量徹底地暴露產品的問題、缺陷，並採取措施糾正，再驗證問題得到解決、缺陷得到消除與否。
經過工程試驗的產品，其可靠性自然會提高，滿足用戶要求的可能性也必然增大。
可見，可靠性工程試驗是產品的可靠性基礎工作，是產品研製生產的工藝過程。
（2）可靠性驗證試驗，從試驗原理來說，要應用統計抽樣理論，因此又稱統計試驗。
其目的是為了驗證產品是否符合規定的可靠性要求，由承制方根據有關標準和研製生產進度制訂方案和計畫，經定購方認可；重點型號裝備的驗證試驗方案還需報上級領導機關批准，由有關各方組織聯合試驗小組。
驗證試驗包括產品研製的可靠性鑒定試驗和批量生產的可靠性驗收試驗。
這類試驗必須能夠反映裝備的可靠性定量水準，因此試驗條件要儘量接近使用的環境應力；試驗結果要作出接收或拒收的判斷，因此對試驗時間和發生的故障應作詳細記錄，經過與失效判據的對比分析後，試驗各方統一認識後才能作出最後的結論。
2.3.2裝備可靠性試驗專案的區別
產品研製生產過程除進行可靠性試驗之外,一般還要進行環境（鑒定）試驗，各種試驗的目的不同，不能相互取代，它們的區別可參閱表1-2-1。
3試驗安排
在安排試驗計畫時，應將可靠性試驗與性能試驗、環境應力和耐久性試驗盡可能地結合起來，構成比較全面的可靠性綜合試驗計畫。
這樣可避免重複試驗，保證不漏掉在單獨試驗中易疏忽的問題和缺陷，可提高效率節省費用。
表1-2-1環境應力篩選、環境鑒定試驗、可靠性統計試驗區別
項目
環境應力篩選
環境鑒定試驗
可靠性統計試驗
應用目的
將產品潛在缺陷加速發展成故障並排除
驗證產品的環境適應性
驗證產品的可靠性水準
典型應力
隨機振動、
溫度迴圈、電應力
溫度、濕度、鹽霧、淋雨、黴菌、振動、衝擊、低氣壓、加速度
溫度、濕度、振動、
電應力
應力水準
加強應力，既能暴露故障又不損壞產品
環境條件的極端值
動態類比真實環境條件
應力程式
按效果組合，一般：
振動－溫度－振動
按使用次序或能最大回應環境應力的次序
模擬使用的次序
樣本
100%
抽樣
抽樣
故障限制
希望揭示故障樣品可修復
不許出故障
故障數有限制
接收判據
無，故障不影響產品的接收
有，故障影響對產品的接收
有，故障數超出規定時拒收
（1）產品的性能試驗應在樣機製造出來後即進行，試驗暴露的缺陷應成為改進措施的直接依據。
評定產品性能和可靠性是否滿足用戶要求，必須在標準環境條件下使用規定容限值進行性能測量，以獲得重現結果和所需的精度。
要分別測量記錄試驗前（標準條件）、試驗中（試驗條件）、試驗後（標準條件）的性能，以便進行比較。
（2）環境應力的種類要按照實際情況進行綜合。
環境應力至少應包括熱、振動、潮濕等應力；溫度迴圈中的濕度等級應足以產生明顯的冷凝和霜凍；振動應力應考慮振動類型、頻率範圍、應力大小和使用方法及振動方位等因素。
這一切應能類似於現場使用環境和任務剖面所產生的情況。
（3）耐久性試驗一般包括環境試驗、過負荷試驗、類比或接近環境剖面的迴圈試驗。
試驗中發生的問題都要作出分析並採取糾正措施。
然後對改進後的產品再作試驗，以證明問題是否已經解決。
4試驗評估
4.1試驗條件的評估
試驗條件和步驟、方法都要盡可能類比產品的壽命剖面和任務剖面，使試驗具有真實性。
試驗的目的是暴露在使用環境下才能發生的問題、故障和缺陷。
如果試驗只能暴露一部分問題，這是在浪費時間和資源。
試驗類比的程度，取決於試驗目的。
（1）試驗真實性不高的原因可能是忽視了某些應力。
如接插件作靜態壽命試驗時忽略了振動應力，致使現場使用時故障頻繁。
（2）暴露缺陷的試驗，施加的應力高於使用應力也是合適的。
“過應力”試驗一般用於工程可靠性試驗，如老煉試驗、篩選、研製階段的可靠性增長試驗等。
這些屬於加速試驗特性，可儘早暴露產品潛藏的薄弱環節，採取措施糾正之。
（3）模擬壽命剖面的試驗，希望試驗得到的可靠性與使用中的可靠性相一致。
然而模擬的條件與使用的真實條件總是有差異的。
在多數情況下，用恒定應力條件作壽命試驗，效果不好。
因此要設計綜合應力的迴圈週期的試驗剖面，使之比較接近使用條件。
4.2裝備可靠性評估
測定產品可靠性定量指標，提供各種資訊，作出產品的可靠性評估，是管理工作所要求的。
可靠性指標的點估計值和置信區間估計，是產、購雙方對產品壽命期費用決策的重要資訊。
可靠性指標的點估計值和置信區間估計的依據是試驗資料。
試驗資料的具體處理方法在有關標準中規定。
只憑試驗結果就對裝備的可靠性水準進行評估,信息量可能不夠，往往要結合製造和使用的其他資訊進行綜合評價，才能使用戶放心。
5試驗管理
從研製生產到交付部隊使用，要進行多項與可靠性有關的試驗。
為了確保達到用戶提出的要求，遵守交付週期，節省資源，加強管理是十分必要的。
試驗管理的目的是為了提高試驗成效、確保產品可靠性大綱的效果，管理的任務主要是制訂和落實試驗計畫，因此要多安排綜合試驗，常用的方法是組織、協調、督促。
試驗管理工作要圍繞研製生產的產品確定試驗專案、明確在何時進行、由何部門組織哪些人參加和實施、採用何種試驗手段、試驗方案和計畫由誰制訂和批准，試驗情況的記錄和處置，試驗結果的處理等。
綜合的可靠性試驗計畫一般包括以下內容：
（1）確定裝備的可靠性要求；
（2）規定可靠性試驗的應力條件；
（3）規定試驗進度計畫；
（4）詳細的可靠性試驗方案；
（5）試驗操作程式；
（6）受試產品的說明和性能監測要求；
（7）試驗設備和監測儀器；
（8）試驗記錄和試驗資料的處理方法；
（9）試驗報告的內容。
試驗管理除了計畫管理之外，還包括試驗費用的管理，為保證研製工作進度和避免追加費用，試驗工作的重點應放在工程試驗上。
綜合了較多試驗內容的計畫，還應包括每項試驗的方案、決策風險、試驗條件、試驗程式、在壽命週期的計畫等。
第二章環境應力篩選
1環境應力篩選的目的和原理
1.1環境應力篩選的目的
環境應力篩選的目的在於發現和排除產品的早期失效，使其在出廠時便進入隨機失效階段，以固有的可靠性水準交付用戶使用。
1.2環境應力篩選的原理
環境應力篩選是通過向電子裝備施加合理的環境應力和電應力，將其內部的潛在缺陷加速變成故障，以便人們發現並排除。
環境應力篩選是裝備研製生產的一種工藝手段，篩選效果取決於施加的環境應力、電應力水準和檢測儀錶的能力。
施加應力的大小決定了能否將潛在的缺陷在預定時間內加速變為故障；檢測能力的大小決定了能否將已被應力加速變成故障的潛在缺陷找出來，以便加以排除。
因此，環境應力篩選又可看作是產品品質控制檢查和測試過程的延伸。
2缺陷分類
2.1通用定義
產品喪失規定的功能稱失效。
對可修復產品通常也稱為故障。
對設備而言，任一品質特徵不符合規定的技術標準即構成缺陷。
絕大多數電子裝備的失效都稱為故障，以故障原因對其進行分解可以參閱圖2.1.1。
從圖中可知，裝備故障分為偶然失效型故障和缺陷型故障兩大類。
人們認為偶然故障表現為隨機失效，是由元器件、零部件固有失效率引起的；而缺陷型故障由原材料缺陷、元器件缺陷、裝配工藝缺陷、設計缺陷引起，元器件缺陷本身又由結構、工藝、材料等缺陷造成，設計缺陷則包含電路設計缺陷、結構設計缺陷、工藝設計缺陷等內容。
結構工藝材料電路設計結構設計工藝設計
缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷
元器件缺陷設計缺陷
原材料裝配工藝
缺陷缺陷
缺陷型故障偶然失效型故障
電子裝備故障
圖2.1.1電子裝備故障原因分解示意
2.2電子設備可視缺陷分類
按照GJB2082《電子設備可視缺陷和機械缺陷分類》，從影響與後果方面缺陷分為致命缺陷、重缺陷、輕缺陷；從可視的角度來看，產生缺陷的主要工藝類型有：
焊接、無焊連接、電線與電纜、多餘物、防短路間隙、接點、印製電路板、零件製造安裝、元器件、纏繞、標記等，其中多數都可能產生致命缺陷或重缺陷，輕缺陷比較普遍。
致命缺陷是指對設備的使用、維修、運輸、保管等人員會造成危害或不安全的缺陷，或可能妨礙某些重要裝備（如艦艇、坦克、大型火炮、飛機、導彈等）的戰術性能的缺陷。
重缺陷是指有可能造成故障或嚴重降低設備使用性能，但又不構成致命缺陷的缺陷。
輕缺陷是指不構成重缺陷，但會降低設備使用性能或不符合規定的技術標準，而對設備的使用或操作影響不大的缺陷。
可視缺陷是指通過人的視覺器官可直接觀察到的，或採用簡單工具對設備品質特徵所能判定的缺陷。
承制單位的品質檢驗人員對大多數可視缺陷都可以發現並交有關部門排除，唯有不可視缺陷需要進行環境應力篩選或其他方法才能被發現，否則影響產品可靠性。
3篩選應力及其效應運算式
3.1常規篩選與定量篩選
常規篩選是指不要求篩選結果與產品可靠性目標和成本閾值建立定量關係的篩選。
篩選方法是憑經驗確定的，篩選中不估計產品引入的缺陷數量，也不知道所用應力強度和檢測效率的定量值，對篩選效果好壞和費用是否合理不作定量分析，僅以能篩選出早期失效為目標。
篩選後的產品不一定到達其故障率恒定的階段。
定量篩選是要求篩選的結果與產品的可靠性目標和成本閾值建立定量關係的篩選。
定量篩選有關的主要變數是引入缺陷密度、篩選檢出度、析出量或殘留缺陷密度。
引入缺陷密度取決於製造過程中從元器件和製造工藝兩個方面引進到產品中的潛在缺陷數量；篩選檢出度取決於篩選的應力把引入的潛在缺陷加速發展成為故障的能力和所用的檢測儀錶把這些故障檢出的能力；殘留缺陷密度和缺陷析出量則取決於引入缺陷密度和篩選檢出度。
定量環境應力篩選關係式如下：
DR=DIN—F
=DIN（1—TS）（2-3-1）
TS=SS×DE（2-3-2）
式中：
DR——殘留缺陷密度，平均個/產品；
DIN——裝備引入的缺陷密度，平均個/產品；
F——境應力篩選析出的缺陷量，平均個/產品；
TS——篩選檢出度；
SS——篩選度；
DE——檢測效率。
在進行定量篩選之前，首先要按照可靠性要求確定殘留缺陷密度的目標值DRG，然後通過適當地選擇篩選應力種類及其量值的大小、檢測方法、篩選所在等級等參數設計篩選大綱。
實施此大綱時，要進行監測和評估，確定DIN、SS、DR的觀察值，並與設計估計值比較，以便及時採取措施保證實現定量篩選目標，並使之最經濟有效。
定量環境應力篩選的控制過程請參閱圖2.3.2。
3.2恒定高溫應力
3.2.1參數的計算
3.2.1.1篩選度計算
設恒定高溫篩選的應力參數是溫度Tu、篩選時間t、環境溫度TE（一般取25℃），其篩選度SS的運算式為：
SS＝1－exp[-0.0017（R＋0.6）0.6t]（2-3-3）
式中：
R＝Tu－TE＝Tu－25——溫度變化範圍，℃；
t——恒定高溫的持續時間，h。
按公式（2-3-1）計算的恒定高溫篩選度數據見表2-3-1。
加工引入的
缺陷DIN加
製造篩選產品
元器件材料
缺陷DIN元DINSS×DEDR
DIN=TS=DR=
DIN元＋DIN加SS×DEDIN—F
F=DIN×TS
圖2.3.2定量環境應力篩選變數關係示意
3.2.2篩選故障率計算
恒定高溫篩選時缺陷的故障率運算式如下：
λD＝[－ln（1－SS）]/t （2-3-4）
式中：
λD——故障率，次／小時；
SS——篩選度;
根據式（2-3-4）計算的恒定高溫故障率（λD）見表2-3-1
表2-3-1恒定高溫篩選度（SS）和故障率（λD）
時間
溫
度
增
量
（
t
）
℃
H
0
10
20
30
40
50
60
70
80
10
0.0124
0.0677
0.0991
0.1240
0.1452
0.1639
0.1809
0.1964
0.2108
20
0.0247
0.1808
0.1885
0.2326
0.2693
0.3010
0.3290
0.3542
0.3772
30
0.0368
0.1896
0.2689
0.3278
0.3754
0.4256
0.4504
0.4810
0.5084
40
0.0488
0.2445
0.3414
0.4112
0.4661
0.5114
0.5498
0.5830
0.6121
50
0.0606
0.2956
0.4067
0.4842
0.5436
0.5915
0.6312
0.6649
0.6938
60
0.0723
0.3433
0.4655
0.5481
0.6099
0.6584
0.6979
0.7807
0.7884
70
0.0839
0.3877
0.5185
0.6042
0.6665
0.7144
0.7525
0.7836
0.8093
80
0.0953
0.4292
0.5663
0.6533
0.7149
0.7612
0.7973
0.8261
0.8495
90
0.1065
0.4678
0.6093
0.6963
0.7563
0.8004
0.8339
0.8602
0.8812
100
0.1176
0.5038
0.6480
0.7339
0.7917
0.8331
0.8640
0.8877
0.9063
110
0.1286
0.5374
0.6829
0.7669
0.8219
0.8605
0.8880
0.9097
0.9260
120
0.1394
0.5687
0.7144
0.7968
0.8478
0.8833
0.9087
0.9275
0.9416
130
0.1501
0.5979
0.7427
0.8211
0.8699
0.9025
0.9252
0.9417
0.9539
140
0.1607
0.6251
0.7687
0.8433
0.8888
0.9184
0.9388
0.9532
0.9639
150
0.1711
0.6505
0.7912
0.8628
0.9049
0.9318
0.9498
0.9624
0.9713
160
0.1814
0.6742
0.8119
0.8798
0.9187
0.9430
0.9589
0.9697
0.9774
170
0.1916
0.6962
0.8305
0.8947
0.9325
0.9523
0.9663
0.9757
0.9821
180
0.2017
0.7168
0.8473
0.9077
0.9406
0.9602
0.9724
0.9805
0.9859
190
0.2116
0.7360
0.8625
0.9192
0.9492
0.9667
0.9774
0.9843
0.9889
200
0.2214
0.7538
0.8761
0.9292
0.9566
0.9721
0.9815
0.9874
0.9912
λD
0.0013
0.0070
0.0104
0.0132
0.0157
0.0179
0.0199
0.0219
0.0237
3.2.3恒定高溫應力激發的故障模式或影響
恒定高溫能激發的故障模式（或對產品的影響）主要有：
使未加防護的金屬表面氧化，導致接觸不良或機械卡死，在螺釘連接操作時用力不當或保護塗層上有小孔和裂紋都會出現這種未防護的表面。
加速金屬之間的擴散，如基體金屬與外包金屬，釺焊焊料與元件，以及隔離層薄弱的半導體與噴鍍金屬之間的擴散；
使液體乾涸，如電解電容和電池因高溫造成洩漏而乾涸；
使熱塑膠軟化，如該熱塑膠件處於太高的機械力作用下，則產生蠕變；
使某些保護性化合物與灌封蠟軟化或蠕變；
提高化學反應速度，加速與內部污染物的反應過程；
使部分絕緣損壞處絕緣擊穿。
3.3溫度迴圈應力
3.3.1溫度迴圈應力參數
溫度迴圈應力參數有：
上限溫度、下限溫度、迴圈次數、溫度變化速率。
3.3.2溫度迴圈應力篩選度計算
SS＝1－exp－0.0017（R＋0.6）0.6[Ln（e＋v）]3．N（2-3-5）
式中：
R=Tu－TL，——溫度變化範圍，℃；
Tu——上限溫度，℃；
TL——下限溫度，℃；
V——溫度變化速率，℃／min；
N——迴圈次數；
e=2.71828，——自然對數的底。
按式（2-3-5）計算的溫度迴圈應力篩選度見表2-3-2。
表2-3-2 溫度迴圈應力篩選度
次
速率
溫度範圍℃
數
℃/m
20
40
60
80
100
120
140
160
180
2
5
0.1683
0.2349
0.2886
0.3324
0.3697
0.4023
0.4312
0.4572
0.4809
2
10
0.2097
0.4031
0.4812
0.5410
0.5891
0.6290
0.6629
0.6920
0.7173
2
15
0.3911
0.5254
0.6124
0.6752
0.7232
0.7612
0.7920
0.8175
0.8388
2
20
0.4707
0.6155
0.7034
0.7636
0.8075
0.8407
0.8665
0.8871
0.9037
4
5
0.2998
0.4147
0.4939
0.5543
0.6027
0.6427
0.6765
0.7054
0.7305
4
10
0.4969
0.6437
0.7308
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