深度干貨:電子元器件加速壽命試驗(yàn)
時(shí)間:2021-11-16 14:36:13
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[導(dǎo)讀]一、加速壽命試驗(yàn)的目的加速壽命試驗(yàn)的目的如下:(1)解決試驗(yàn)樣品數(shù)量和試驗(yàn)時(shí)間之間的矛盾。(2)通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)及外推的方法,獲得有效的可靠性特征數(shù)據(jù),例如產(chǎn)品的失效分布、可靠度、平均壽命以及產(chǎn)品特性參數(shù)時(shí)間的變化等。在此基礎(chǔ)上再來預(yù)測工作在特定的條件下的可靠性。(3)考核產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)...
二、加速壽命試驗(yàn)的三個(gè)基本前提和類型1、加速壽命試驗(yàn)的基本前提如下:(1)失效機(jī)理的一致性失效機(jī)理的一致性是指在不同應(yīng)力水平下產(chǎn)品的失效機(jī)理保持不變。通常,失效機(jī)理的一致性是通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)保證的,即要求加速壽命試驗(yàn)中的最高應(yīng)力等級(jí)不能高于產(chǎn)品的破壞極限。(2)失效過程的規(guī)律性失效過程的規(guī)律性是指產(chǎn)品和壽命之間存在一個(gè)確切的函數(shù)關(guān)系式,即加速模型。(3)失效分布的同一性失效分布的同一性是指在不同的應(yīng)力水平下產(chǎn)品的壽命服從同一分布,這是壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基本前提。2、加速壽命試驗(yàn)類型按照試驗(yàn)時(shí)施加的應(yīng)力方式,加速壽命試驗(yàn)可分為恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。(1)恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)如圖1所示,簡稱恒加試驗(yàn)。圖中,t 表示試驗(yàn)時(shí)間,S 表示試驗(yàn)應(yīng)力,×表示樣品失效。試驗(yàn)過程中,選定一組高于正常應(yīng)力水平 S0 的加速應(yīng)力水平S1<S2<…<Sk,將一定數(shù)量的樣品分為 k 組,每組樣品在彼此獨(dú)立的應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗(yàn),直到各組均有一定數(shù)量的樣品發(fā)生失效為止。




三、加速應(yīng)力和加速系數(shù)1、加速應(yīng)力根據(jù)加速壽命試驗(yàn)的假設(shè):產(chǎn)品在正常應(yīng)力水平和加速應(yīng)力水平下的失效機(jī)理不變。加速壽命試驗(yàn)中選擇的加速應(yīng)力要求能加速產(chǎn)品的失效,但同時(shí)不能改變失效機(jī)理,一旦改變了失效模式,就失去了加速壽命試驗(yàn)的基礎(chǔ)。應(yīng)力的選擇對(duì)試驗(yàn)的加速效率影響很大,一般應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的失效機(jī)理與失效模式來選擇加速應(yīng)力。加速壽命試驗(yàn)中常用的應(yīng)力有溫度、濕度、振動(dòng)、壓力、電應(yīng)力、溫度循環(huán)等,這些應(yīng)力既可以單獨(dú)使用,也可以多種組合使用。2、加速系數(shù)加速系數(shù)的定義:產(chǎn)品承受的加速應(yīng)力為S,在第i級(jí)加速應(yīng)力水平為Si,正常應(yīng)力水平記為S0,在Si、S0下,可靠度值為R時(shí),產(chǎn)品的壽命分別為tR,i,tR,0,則時(shí)間比

四、加速模型加速壽命的基本思想是利用高應(yīng)力下的壽命特征去外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征。實(shí)現(xiàn)這個(gè)基本思想的關(guān)鍵在于建立壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系,這種壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系就是通常所說的加速模型,又稱加速方程。壽命特征與應(yīng)力之間的關(guān)系常是非線性的,但可以通過對(duì)壽命數(shù)據(jù)或應(yīng)力水平進(jìn)行數(shù)學(xué)變換,如對(duì)數(shù)變換、倒數(shù)變換等,有可能將其轉(zhuǎn)換為線性的。應(yīng)力與壽命是密切相關(guān)的,應(yīng)力的種類與水平是決定產(chǎn)品壽命的重要因素。應(yīng)力及其水平選擇得是否恰當(dāng),將決定試驗(yàn)?zāi)芊襁_(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。因此,有必要研究它們之間的關(guān)系。產(chǎn)品的壽命與應(yīng)力之間的關(guān)系是以一定的物理模型為依據(jù)的。常見的物理模型有失效率模型、應(yīng)力與強(qiáng)度模型、最弱鏈條模型和反應(yīng)速度模型等。1、失效率模型失效率模型將失效率曲線劃分為早期失效、隨機(jī)失效和磨損失效 3 個(gè)階段,并將每個(gè)階段的產(chǎn)品失效機(jī)理與其失效率相聯(lián)系起來。2、應(yīng)力與強(qiáng)度模型應(yīng)力與強(qiáng)度模型是研究實(shí)際環(huán)境應(yīng)力與產(chǎn)品所能承受強(qiáng)度的關(guān)系。應(yīng)力與強(qiáng)度均為隨機(jī)變量,因此,產(chǎn)品的失效與否將取決于應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布。隨著時(shí)間的推移,產(chǎn)品的強(qiáng)度分布將逐漸發(fā)生變化。應(yīng)力分布與強(qiáng)度分布一旦發(fā)生了干預(yù),產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)失效。3、最弱鏈條模型最弱鏈條模型是基于產(chǎn)品的失效是發(fā)生在構(gòu)成產(chǎn)品的諸因素中最薄弱的部位這一事實(shí)而提出來的。4、反應(yīng)速度模型反應(yīng)速度模型反映了反應(yīng)速度與溫度的關(guān)系。在可靠性試驗(yàn)中通常應(yīng)用的阿倫尼斯模型和艾林模型,都屬于這一類。它們同時(shí)也是加速壽命試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)外推正常應(yīng)力下壽命特征的依據(jù)。(1)阿倫尼斯模型阿倫尼斯模型是在大量的化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上總結(jié)出來的,它表明了化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)速率與反應(yīng)溫度的關(guān)系。阿倫尼斯模型表示為:



















五、加速壽命試驗(yàn)局限性加速壽命試驗(yàn)可以大大縮短正常應(yīng)力壽命試驗(yàn)所需時(shí)間,節(jié)省了人力和設(shè)備,這是它的優(yōu)點(diǎn)。但是,加速壽命試驗(yàn)也有它的局限性。1、它是一種破壞性試驗(yàn),因而只能抽取小部分樣品進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)然,從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)來看,它是足以代表該產(chǎn)品的可靠性水平的,但是卻存在一個(gè)置信度的問題。2、對(duì)于那些比較復(fù)雜的器件,如集成電路,實(shí)際上起主導(dǎo)作用的失效機(jī)理往往是復(fù)雜的,甚至有些是事先無法預(yù)知的,如果用單一的加速變量來進(jìn)行加速,其結(jié)果是不夠全面的;同時(shí),在失效機(jī)理不太明朗的情況下,采用加速外推的方法,其結(jié)果必然帶來大的誤差。也就是說,對(duì)于具有多種失效機(jī)理的產(chǎn)品,理想的加速壽命試驗(yàn)是難以實(shí)現(xiàn)的。3、加速壽命試驗(yàn)只考慮了試驗(yàn)的加速性方面,而沒有考慮元器件的應(yīng)用問題。實(shí)際上,用戶把這類器件用在設(shè)備上,預(yù)期保存和運(yùn)用時(shí)間很長。因此,對(duì)于元器件制造者和用戶來說,在正常應(yīng)力或使用應(yīng)力下的長期壽命試驗(yàn)也是必須的和重要的,因?yàn)樗苷鎸?shí)反映元器件在使用條件下的壽命特性。4、加速壽命試驗(yàn)的基本假設(shè)是在高應(yīng)力條件下的失效機(jī)理與在正常應(yīng)力條件下的失效機(jī)理相同。此外試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析需要選擇或假定應(yīng)力與壽命之間的函數(shù)關(guān)系。實(shí)際上,高應(yīng)力可能會(huì)引入在正常條件下不會(huì)發(fā)生的新的失效模式,當(dāng)有幾種不同應(yīng)力共同作用時(shí),各種失效模式對(duì)應(yīng)應(yīng)力有不同的敏感性,以致各失效模式的發(fā)生概率會(huì)隨應(yīng)力的改變而改變。也就是說,加速壽命試驗(yàn)的基本假設(shè)通常是很難保證的。應(yīng)力-壽命關(guān)系模型有潛在的多樣性、復(fù)雜性。試驗(yàn)條件也是千變?nèi)f化的。由加速壽命試驗(yàn)所估計(jì)的壽命與在現(xiàn)場觀察到的壽命可能差別很大,有可能差別達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更大。因此,除非試驗(yàn)條件與現(xiàn)場使用條件很接近且試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和建模恰當(dāng),否則從加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推所估計(jì)的可靠性只能看作是固有可靠性的一種近似,不應(yīng)看作為現(xiàn)場可靠性指標(biāo)。
六、發(fā)展趨勢加速壽命試驗(yàn)是在進(jìn)行合理工程和統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上,利用與物理失效有關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)加速條件下獲得的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到試件在正常應(yīng)力水平下可靠性特征的試驗(yàn)方法。采用加速壽命試驗(yàn)可以縮短試驗(yàn)時(shí)間,降低試驗(yàn)成本,進(jìn)而使高可靠長壽命的驗(yàn)證與評(píng)價(jià)成為可能。加速試驗(yàn)是在不改變失效機(jī)理的前提下,用增大環(huán)境/工作應(yīng)力量值達(dá)到縮短試驗(yàn)時(shí)間并獲得試驗(yàn)實(shí)際效果的試驗(yàn)方法。加速壽命試驗(yàn)技術(shù)主要研究發(fā)展方向。(1)復(fù)雜系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)技術(shù)加速壽命試驗(yàn)在更廣泛的工程應(yīng)用中必然會(huì)遇到復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用問題。該試驗(yàn)的研究目前主要集中于單一失效機(jī)理,而復(fù)雜系統(tǒng)往往存在多個(gè)失效機(jī)理,系統(tǒng)失效則是多個(gè)潛在失效機(jī)理相互競爭的結(jié)果。因此,復(fù)雜系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)技術(shù)的研究值得人們高度重視。(2)提高加速壽命試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析精度技術(shù)加速壽命試驗(yàn)是統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的分支,統(tǒng)計(jì)精度的提高仍然是加速壽命試驗(yàn)分析方法研究的一個(gè)主要內(nèi)容,所以分析精度對(duì)于加速壽命試驗(yàn)技術(shù)至關(guān)重要。(3)加速壽命試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)加速壽命試驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是統(tǒng)計(jì)分析的逆問題,研究在給定條件(壽命先驗(yàn)、應(yīng)力范圍、試驗(yàn)代價(jià)等)下,如何進(jìn)行試驗(yàn)以獲得各種可靠性指標(biāo)的準(zhǔn)確估計(jì)。(4)提高加速壽命試驗(yàn)效率技術(shù)加速壽命試驗(yàn)的基本動(dòng)因在于提高試驗(yàn)過程的時(shí)間效率和經(jīng)濟(jì)效益,從而以最低的試驗(yàn)代價(jià)達(dá)到壽命評(píng)估的目的。因此,加速壽命試驗(yàn)中既要提高統(tǒng)計(jì)分析的精度,又要考慮優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)。加速試驗(yàn)要重視算法的簡化和可操作性問題,使加速試驗(yàn)技術(shù)便于高可靠長壽命工程的應(yīng)用。((5)加速壽命試驗(yàn)裝備和控制技術(shù)支撐加速壽命試驗(yàn)設(shè)備和控制技術(shù)的研究,對(duì)于加速試驗(yàn)的廣泛應(yīng)用發(fā)揮重要的作用。加速壽命試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展有賴于壽命試驗(yàn)設(shè)備和控制技術(shù)的發(fā)展。6)加速壽命試驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)仿真技術(shù)在可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)重要的趨勢,對(duì)于加速壽命試驗(yàn)具有重要的促進(jìn)作用。在缺乏失效模型的情況下,仿真手段及其與試驗(yàn)的研究的結(jié)合將有可能成為有效的加速試驗(yàn)應(yīng)用途徑;將蒙特卡羅仿真引入加速壽命和加速退化試驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì),可建立方便應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。隨著加速壽命試驗(yàn)技術(shù)研究的深入,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的引入將有利于推動(dòng)加速壽命試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。作者:范 陶朱公來源:可靠性雜壇