李晨陽

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

引信系統(tǒng)電子產品加速壽命試驗方法研究

李晨陽

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

針對引信系統(tǒng)電子類單機壽命長、可靠性高、試驗子樣少的特點，通過對不同試驗與數據評估的比較，提出了基于激活能預估的加速壽命試驗設計與評價方法。試驗結果表明：采用關鍵、薄弱環(huán)節(jié)激活能替代引信電子類單機產品激活能進行加速壽命試驗設計和評估的方法可行，有助于解決此類產品壽命與可靠性評估因研制周期緊湊、參試子樣少造成的困難。

0 引 言

貯存可靠性是導彈的一項重要戰(zhàn)術技術指標。貯存可靠性能否達標，從某種意義上直接影響導彈的使用進程與使用壽命[1]。作為導彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，引信系統(tǒng)中，電子類單機的可靠性決定系統(tǒng)的壽命與可靠性指標。隨著對引信系統(tǒng)各類單機壽命與可靠性指標要求的不斷提高，對此類單機產品貯存期的評估與驗證必須同期開展。雖然當前工程實踐中已逐步通過非工作失效率統(tǒng)計評估和元器件加速壽命試驗開展電子產品貯存壽命評估，但對于電子產品而言，復雜電路結構的失效機理和失效模式各不相同，元器件加速壽命試驗尚不能完全替代整機壽命試驗。電子類單機加速壽命試驗方法研究可以為工程研制單位節(jié)約大量資源，具有良好的應用前景和實用價值。以此作為加速應力摸索電子產品的加速壽命試驗模型；最后，在不同應力水平下對一定數量的產品子樣進行壽命試驗，通過數據統(tǒng)計分析評估得到產品的壽命與可靠性指標?；玖鞒倘鐖D1所示[2]。

1 傳統(tǒng)壽命試驗設計與評估流程的應用局限性

圖1 傳統(tǒng)加速壽命試驗設計與評估流程

1.1 傳統(tǒng)壽命試驗的設計與評估流程

開展加速壽命試驗與評估，首先需要確定對不同可靠性分布類型產品貯存壽命影響最大的環(huán)境應力，

1.2 傳統(tǒng)試驗與評估方法在單機產品中應用的局限性分析

傳統(tǒng)的加速壽命試驗方法與評估流程應用在單機產品（尤其是軍工產品——包括引信系統(tǒng)產品）中有很大的局限性，其原因是此類產品的固有特點造成。電子類單機產品的特點如下：

a）試驗子樣少：一般情況下，電子產品的復雜程度較高，投產成本相應提升，從而導致無法提供足夠數量的產品子樣進行壽命試驗；

b）失效模式、機理復雜：電氣結構復雜分析出的失效模式多樣化，與之相對應的失效機理也多樣化；

c）失效數據獲取難度大：產品質量提升促使設計壽命延長，加速壽命試驗無法按預計周期得到失效子樣。

2 電子整機加速試驗方法比較

2.1 加速退化法

對于參試子樣較少的軍工電子類單機產品，使用加速退化法進行試驗能夠解決失效數據難以獲取的問題，但試驗設計與評估中需要注意以下兩點：

a）退化趨勢的獲?。捍朔椒ǖ膽帽仨毷紫日莆债a品的關鍵特性，同時加速應力的疊加過程相對簡單且指標變化顯著；

b）加速應力對性能退化的影響分析：不同環(huán)境應力對單機產品性能參數退化的影響過程較為復雜，選取直接影響關鍵性能參數退化的加速應力是實施試驗的關鍵環(huán)節(jié)。

2.2 失效率比值法

電子類單機產品的可靠性大多服從指數分布，裝機元器件在不同溫度T下的失效率λ各不相同（通常，隨著溫度的提升元器件失效率也逐步升高[3]）。由此可以得到可靠性指標隨環(huán)境溫度升高而逐步降低，故將溫度選為關鍵環(huán)境參數[4～6]。此類產品壽命試驗的加速系數計算如下：

式中 Ai為加速系數；L0為正常溫度應力下的產品壽命特征量；Li為加速溫度應力下的產品壽命特征量；λ0為正常溫度應力下的產品失效率；λi為加速溫度應力下的產品失效率。

此方法的劣勢在于加速應力的單一化，且對產品的參數影響反應在可靠性指標的變化更為突出，不足以綜合評估各類使用工控下產品的貯存壽命指標。

2.3 轉化法

此方法基于競爭機制的“木桶原理”（也稱“短板”原理），即每種產品中最先出現貯存失效的薄弱環(huán)節(jié)稱為壽命“短板”，針對該零部（組）件或元器件的加速壽命試驗方法即可表征單機產品的加速壽命試驗。

可以利用以下方法尋找單機產品貯存薄弱環(huán)節(jié)：

a）借鑒同類型或相似產品信息；

b）產品使用信息統(tǒng)計分析；

c）排列圖法；

d）故障模式影響及其危害性分析；

e）故障樹分析法。

由于引信系統(tǒng)電子單機工況復雜，元器件在單機中需承受力、熱、電等多種應力交變的復雜環(huán)境，誘發(fā)或影響其薄弱環(huán)節(jié)的因素較多，應用轉化法進行加速壽命試驗同樣具有較高的技術風險。

3 基于激活能預估的加速壽命試驗設計與評估方法

加速壽命試驗的目的是找出產品壽命特征量與加速應力的關系。通過分析產品的貯存薄弱環(huán)節(jié)，利用元器件激活能參數統(tǒng)計預估產品在不同應力下加速系數，建立產品加速模型。

3.1 激活能的獲取

以半導體元器件為例，元件晶體中晶格點陣上一個原子“躍遷”時所需要的能量即為激活能（相對于整機產品，激活能是以應力疊加方式施加至產品導致失效的能量）。激活能越小，越容易失效，反之則越大[4]?！峨娮釉O備可靠性預計手冊》中給出了各種硅半導體器件的激活能，有助于解決軍工電子產品（如引信系統(tǒng)電子單機）因壽命試驗子樣少、歷史試驗信息少導致加速模型中未知參數評估困難的問題[5]。

工程應用中，激活能一般通過產品故障模式影響分析或故障模式影響及其危害性分析完成產品特性分類分析得到其關／重件特性，針對關／重件使用元器件非工作失效統(tǒng)計分析獲取激活能用來代替產品的激活能指標開展加速試驗設計和數據分析。

3.2 建立加速模型

《電子設備可靠性預計手冊》中選擇溫度作為元器件非工作失效統(tǒng)計分析的環(huán)境應力。因而，對于電子類單機產品，可選擇高溫作為加速應力。Arrhenius加速模型作為一種典型的溫度應力加速模型，其數學表達式為

式中 L為壽命特征量；Ea為產品激活能；K為玻耳茲曼常數；T為絕對溫度；B為待定系數。

由式（2）可以得到正常使用溫度T0相對于加速溫度Ti的加速系數：

式中 Ai為加速系數；T0為使用環(huán)境溫度；Ti為加速溫度。

如前所述，在估計加速系數時若采用失效率比值法要求輸入所有元器件的失效率，計算復雜也偏于保守，而通過式（3）的簡化，產品的激活能可以使用貯存薄弱環(huán)節(jié)（或元件）的激活能代替，從而確定產品加速系數用于加速壽命試驗設計。簡化算法的有效性可通過加速壽命試驗后的數據反推進行驗證。

3.3 試驗時間的反推

電子產品的可靠性指標服從指數分布，即：式中 RL為產品可靠性下限； T*為折合后的累計試驗時間；t為壽命指標要求值；r為關聯失效數；γ為置信度。得到了累計時間 T*后，可以利用之前得到的加速系數反推出在加速應力下需要的試驗時間：

式中 ti為加速壽命試驗時間；ni為加速壽命試驗子樣數；Ai為加速系數；tj為常態(tài)試驗與使用時間；nj為常態(tài)試驗與使用子樣數；kj為環(huán)境因子。

根據反推出加速應力下的試驗時間，可以進行后續(xù)的試驗設計。

3.4 典型單機加速壽命試驗

以某引信系統(tǒng)的重要單機為例，產品采用密封結構，內置有微處理器、目標探測和飛行環(huán)境敏感裝置，可靠性和壽命指標要求高且研制周期短，必須通過加速壽命試驗進行驗證。加速壽命試驗設計過程如下：

3.4.1 產品失效模式及影響分析FME（C）A

在產品 FME（C）A和特性分類分析基礎上，首先確定產品的關鍵與薄弱環(huán)節(jié)。因產品為密封結構電子單機，故選擇高溫作為加速應力并選取了Arrhenius加速模型，預估產品激活能，據此推斷不同應力下的加速系數。

3.4.2 極限應力試驗

極限應力摸底過程如下：

a）將子樣置于產品的設計極限溫度T，停留時間

2 h或更長，待產品內部溫度穩(wěn)定后，降至常溫并恢復4 h，進行產品性能、功能測試，并記錄完整；

b）第1次測試完畢，將子樣置于T+10 ℃，停留時間2 h或更長，待產品內部溫度穩(wěn)定后降至常溫并恢復4 h，進行產品性能、功能測試，并記錄完整；

c）以后每步增加10 ℃，重復操作步驟，直至試驗箱最高溫度或者產品出現失效（失效為不可恢復性失效），產品出現失效的溫度即為產品破壞上限；

d）產品失效后進行失效模式和機理分析，并與常溫下的失效模式和機理進行對比，確保子樣的失效機理沒有改變。

圖2 溫度極限應力試驗

3.4.3 加速應力量級確定

步進試驗中，應力溫度水平的確定應根據評估精度的需要與實際可能來綜合權衡。在沒有獲得加速因子的情況下，加速壽命試驗取 4個應力水平。測出最高應力溫度T4及最低應力溫度T1后，中間兩個應力溫度按下式確定：

3.4.4 加速貯存驗證試驗

以加速因子為基礎，設計單機的綜合環(huán)境應力壽命驗證試驗剖面。單機在全壽命周期內的貯存環(huán)境應力包括溫度（高溫和低溫）、濕度、振動和電應力等，因此，驗證試驗剖面應考慮到各種環(huán)境對其壽命的影響[6]。在所有的應力中，溫度是控制系統(tǒng)的主要貯存應力，產品貯存過程中長時間經受的是常溫應力的作用，短時間經受的應力有高溫應力、低溫應力、振動應力、電應力等，將產品的低溫應力、振動應力、電應力等進行等時間等量級模擬，得到加速后的試驗剖面，將剖面進行循環(huán)試驗，從而驗證產品的貯存年限。

選擇不超過單機任意組件破壞極限的溫度作為加速應力量級，統(tǒng)計單機全壽命周期的溫度和其他應力的分布情況（包括應力等級和每一個應力等級下的貯存時間），將產品的常溫和高溫時間依據溫度加速因子轉換為加速溫度下的試驗時間。低溫取產品實際貯存過程中經受的最低溫度，統(tǒng)計產品平均的低溫貯存時間，在高溫加速前施加低溫，形成溫度循環(huán)的試驗剖面。

統(tǒng)計產品平均的高濕（即濕度接近75%RH）時間，在高溫加速的后期施加75%RH濕度應力。考慮到導彈貯存過程中的定期檢測、野外待機和運輸過程等，在試驗剖面中施加產品平均承受的振動、小量級沖擊和電應力時間，獲得綜合環(huán)境的加速貯存驗證試驗剖面。將1臺單機在此剖面下進行加速貯存驗證試驗，驗證單機要求的貯存年限；在每一個循環(huán)的時間點設定檢測點，等效于定期貯存后性能檢測。

若產品在試驗過程中性能測試滿足技術條件要求，則說明產品達到規(guī)定的貯存年限，并給出產品的壽命。

若出現產品性能測試不滿足技術條件要求，則表明產品壽命達不到規(guī)定的貯存年限，則應對性能超差產品進行失效分析，并據此確定相關延長產品貯存期的措施。

4 結 論

采用關鍵、薄弱環(huán)節(jié)激活能替代引信電子類單機產品激活能進行加速壽命試驗設計和評估的方法合理可行，有助于解決此類產品壽命與可靠性評估因研制周期緊湊、參試子樣少造成的困難。

目前，引信系統(tǒng)以及其他電氣系統(tǒng)電子產品已逐步應用該方法進行單機壽命試驗設計與評估，使其具有良好的應用前景。

[1]李久祥，劉春和. 導彈貯存可靠性設計應用技術[M]. 北京: 海潮出版社, 2001.

[2]李海波, 張正平, 黃波, 張偉. 導彈貯存試驗技術與貯存可靠性評估方法研究[J]. 質量與可靠性, 2006(06).

[3]張棟, 鐘培道, 陶春虎, 雷祖圣. 失效分析[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2004.

[4]楊家鏗, 等. 電子設備可靠性預計手冊[S]. GJB/Z 299C-2006, 2006.

[5]楊丹，恩云飛，黃云. 電子元器件的貯存可靠性及評價技術[J]. 電子元件與材料, 2005(07): 61-64.

[6]金星, 洪延姬. 系統(tǒng)可靠性與可用性分析方法[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

Research of Accelerated Life Testing Method of Fuze System Electronic Products

Li Chen-yang
(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076)

In view of the characteristics of long life, high reliability and low test sample of the electronic class of the fuze systems, the method of the accelerated life test design and evaluation based on activation energy estimation is proposed. The results show that the method is feasible for the design and evaluation of the accelerated life test design and evaluation of the electronic products of the fuze by using the key and weak links.

Fuze system; Accelerated life testing; Reliability

引信系統(tǒng)；加速壽命試驗；可靠性

TN97

A

1004-7182(2017)01-0089-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170121

2015-10-13；

2016-09-12

李晨陽(1971-)，男, 高級工程師, 主要研究方向為引信電氣系統(tǒng)設計