摘 要：艦用電子產(chǎn)品具有高可靠與長壽命的特征，其可靠性水平的快速評估是保障質(zhì)量的重要手段，文章給出了一種適用于艦用電子產(chǎn)品的加速模型構(gòu)建方法。首先，收集與分析航行海域氣象信息，量化主要海洋環(huán)境與應(yīng)力量值；其次，開展艦用電子產(chǎn)品特征分析和故障機理分析，給出電子產(chǎn)品典型失效模式及其敏感應(yīng)力；最后，給出了基于故障物理的加速模型構(gòu)建方法，確定了低溫-65 ℃，高溫90 ℃，溫變速率15 ℃/min的加速應(yīng)力，加速因子5.6，為快速評價艦用電子設(shè)備壽命指標提供了參考。

關(guān)鍵詞：艦用電子產(chǎn)品；海洋環(huán)境；失效機理；加速模型

中圖分類號：TP273+.4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0029-07

Failure Mechanism Analysis and Acceleration Model Construction of Shipboard Electronic Products

WANG Hongtao， TAO Zhihua， BAO Litao， WANG Zhan

（Reliability and Environmental Engineering Division of GRG Metrology & Test Group Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract： Shipboard electronic products have the characteristics of high reliability and long lifespan， and the fast evaluation of its reliability level is an important means to guarantee the quality. This paper provides an accelerated model construction method suitable for shipboard electronic products. Firstly， the meteorological information of the navigation sea area is collected and analyzed， and the main marine environment and stress value are quantified. Then， it carries out characteristic analysis and fault mechanism analysis of shipboard electronic products， gives the typical failure modes and their sensitive stresses of electronic products. Finally， the construction method of the acceleration model based on fault physics is given， and the acceleration stresses of low temperature of -65 ℃， high temperature of 90 ℃ and temperature change rate of -15 ℃/min are determined， and the acceleration factor is 5.6， which provides a reference for rapidly evaluating the life index of shipboard electronic equipment.

Keywords： shipboard electronic product; marine environment; failure mechanism; accelerator model

0 引 言

艦用電子設(shè)備具有高可靠和長壽命的特征，工程經(jīng)驗表明，基于GJB 899 A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》和《海軍電子裝備可靠性鑒定試驗實施方法（2002）》開展可靠性指標考核存在試驗時間長及研制成本、研發(fā)周期難以承受的風險。加速試驗是通過提高試驗應(yīng)力水平或者增大交變應(yīng)力施加頻度，在短時間內(nèi)找出設(shè)備潛在的設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，識別設(shè)備的可靠性信息，實現(xiàn)設(shè)備可靠性水平的增長及快速評估。

本文針對艦船艙內(nèi)外電子設(shè)備可靠性指標驗證需求，開展典型海域自然條件分析[1]，深入研究元器件級、零（部）件級和設(shè)備級的典型失效模式[2]，識別主要敏感應(yīng)力，結(jié)合GJB 899A—2009艦船試驗剖面，從故障物理分析方向研究加速模型構(gòu)建方法。

1 海洋環(huán)境分析

1.1 高溫環(huán)境

高溫環(huán)境主要集中在熱帶，以索馬里海域為例，綜合公開數(shù)據(jù)、技術(shù)文獻與標準信息進行高溫環(huán)境分析，如表1所示。

公開數(shù)據(jù)平臺公布的氣溫數(shù)據(jù)明顯低于試驗標準規(guī)定的試驗溫度值，主要原因是GJB 4—1983及GJB 4000—2000等標準中包含了太陽輻射熱效應(yīng)引起的局部誘發(fā)熱。貯存溫度應(yīng)按GJB 150.3A—2009及MIL-STD-810 H中高溫試驗熱循環(huán)程序規(guī)定的最高溫度條件確認溫度應(yīng)力：35～71 ℃；工作溫度應(yīng)按照GJB 4000—2000第072章中無氣候防護、世界可航水域情況取值：65 ℃。

1.2 低溫環(huán)境

低溫環(huán)境主要集中在極區(qū)，以北冰洋海域為例，綜合公開數(shù)據(jù)、技術(shù)文獻與標準信息進行低溫環(huán)境分析，如表2所示。

艦船甲板及外部電子設(shè)備的低溫適應(yīng)性應(yīng)根據(jù)其任務(wù)想定確定，應(yīng)具備-54 ℃環(huán)境下工作與貯存的能力。

1.3 高濕環(huán)境

海洋高濕環(huán)境主要集中在熱帶海洋氣候地域，以索馬里海域為例開展高濕分析。根據(jù)我國國家海洋環(huán)境預報中心每月發(fā)布的《海洋氣候監(jiān)測月報》數(shù)據(jù)顯示，在每年6月和12月期間海表溫度在25～32 ℃之間，8月份表層水溫達27～32 ℃，海表是水蒸氣的直接來源，相對濕度（RH）可達80%～90%。

1.4 振動環(huán)境

水中振動譜含有由于航速、海況、機動等變化誘發(fā)的隨機分量，以及螺旋槳旋轉(zhuǎn)、往復機械及艦體共振引起的周期分量；同時要考慮艦船結(jié)構(gòu)、裝備安裝結(jié)構(gòu)和裝備的傳遞特性也會影響裝備的振動。綜合考慮艦用電子設(shè)備全壽命周期可能經(jīng)歷的振動環(huán)境，包括已安裝電子設(shè)備工作下經(jīng)歷的振動和備品備件作為貨物運輸經(jīng)歷的振動。參考標準GJB 150.16A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分：振動試驗》附錄A的A.2.2.8和A.2.3.11確認振動量級、持續(xù)時間及試驗程序[8]。

2 故障機理和失效模式及敏感應(yīng)力分析

電子設(shè)備的失效模式由其使用環(huán)境決定，是影響其實際可靠性水平的最主要因素。結(jié)合海洋環(huán)境分析及各服役工況下不良品的故障機理，給出引起電子設(shè)備典型失效模式及其敏感應(yīng)力。

2.1 故障機理分析

依據(jù)外在表現(xiàn)形式，故障機理往往區(qū)分為過應(yīng)力型機理（偶然失效）和耗損型機理（持續(xù)退化失效）。對于過應(yīng)力型機理，當應(yīng)力超過產(chǎn)品所能承受的強度時產(chǎn)品就會發(fā)生失效，如果應(yīng)力低于產(chǎn)品的強度時，該應(yīng)力不會對產(chǎn)品造成影響；在耗損型機理中，應(yīng)力加載的效應(yīng)通過對產(chǎn)品造成的損傷累積來體現(xiàn)，此損傷累積也可能會導致產(chǎn)品性能退化，或內(nèi)部材料的抗應(yīng)力強度發(fā)生退化，當退化達到規(guī)定閾值，產(chǎn)品即發(fā)生故障。

2.2 艦用電子設(shè)備特征分析

艦用電子設(shè)備主要由微電子器件、微波器件、光電子器件、高密度封裝電路、真空電子器件、阻容感器件、繼電器與接插器件以及PCB載體電子器件等組成，在開展失效機理分析前，需對這些器件開展特征分析，如表3所示。

2.3 失效模式分析

基于對艦用電子設(shè)備的電子器件特征分析，明確了艦用元器件、電子板卡和電子設(shè)備的主要失效機理，如表4所示。

2.4 敏感應(yīng)力分析

艦用電子設(shè)備在全壽命周期的失效是由多種應(yīng)力共同作用，常見失效機理與敏感應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系如表5所示。

3 基于故障物理的加速試驗

3.1 故障物理概述

故障物理是從微觀角度，研究元器件、電路板和結(jié)構(gòu)的故障機理，通過分析工作條件、環(huán)境應(yīng)力及時間對故障的影響，確定故障機理、引發(fā)機理的應(yīng)力條件以及對應(yīng)的故障物理模型。其中，引發(fā)主機理的應(yīng)力條件可作為加速試驗設(shè)計的加速應(yīng)力，故障物理模型可用于加速因子計算[9-11]。本文基于故障物理進行加速模型構(gòu)建，利用產(chǎn)品仿真試驗分析數(shù)據(jù)確定產(chǎn)品在正常應(yīng)力和加速應(yīng)力下的故障分布，然后根據(jù)故障分布特征參數(shù)計算加速因子，確定產(chǎn)品的加速試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

3.2 加速模型構(gòu)建

3.2.1 明確典型任務(wù)剖面

某艦船倉內(nèi)設(shè)備壽命要求30 000小時，根據(jù)壽命考核方法，其工程經(jīng)驗系數(shù)k取1.5，壽命試驗時間應(yīng)為45 000小時。按照傳統(tǒng)試驗方法，根據(jù)其典型任務(wù)剖面，制定可靠性試驗剖面，如圖1所示，每個剖面的試驗周期為14小時，需要進行3 214個周期試驗。

3.2.2 敏感應(yīng)力分析

由于在前期試驗數(shù)據(jù)中沒有發(fā)現(xiàn)耗損型故障數(shù)據(jù)，因此根據(jù)受試產(chǎn)品最新技術(shù)狀態(tài)的可靠性仿真試驗結(jié)果確定敏感應(yīng)力。通過基于故障機理的仿真分析，受試產(chǎn)品中存在5個薄弱環(huán)節(jié)，如表6所示。

從表6可以看出，5個薄弱環(huán)節(jié)均由溫度應(yīng)力引起失效，所以受試產(chǎn)品的敏感應(yīng)力為溫度。

3.2.3 加速溫度應(yīng)力條件初步確定

根據(jù)強化試驗得到的極限工作應(yīng)力：低溫-75 ℃、高溫110 ℃、振動22 g（電磁臺，GJB 899中機載設(shè)備譜），考慮到產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的離散性，取低溫+10 ℃和高溫-20 ℃作為溫度范圍，初步確定溫度循環(huán)條件：低溫-65 ℃，保溫30 min；高溫90 ℃，保溫90 min；溫變率15 ℃/min；一個循環(huán)時間為140 min。

3.2.4 加速試驗時間計算

首先，以傳統(tǒng)可靠性試驗剖面（圖1）為輸入條件，通過可靠性仿真試驗得出正常條件下的前10個潛在薄弱點，其故障信息矩陣如表7所示。

其次，加速試驗條件下的平均故障首發(fā)時間，通過正常條件下前10個潛在薄弱點進行分析，其故障信息矩陣如表8所示。

再次，獲得潛在故障點正常時間和加速條件下的首發(fā)故障時間及加速因子，如表9所示。

最后，根據(jù)潛在故障點的加速因子進行算術(shù)平均，獲得產(chǎn)品加速因子：

等效試驗時間計算：

Tr = （CN / δr）×（140 / 60） = （3 214 / 5.6）×（140 / 60） = 1 340 h

加速試驗時間在700～1 400 h之間。不需調(diào)整加速條件，壓縮圖1中連續(xù)振動應(yīng)力，并與（3）中最終確認的溫度應(yīng)力綜合（最大振動應(yīng)力的起始點與測試點一致），在低溫保持20 min時通電，高溫保持結(jié)束時斷電，得到的加速試驗剖面如圖2所示。

綜上，受試樣品可靠性加速試驗的試驗剖面如圖2所示，試驗時間為1 340 h。

4 結(jié) 論

本文面向高可靠、長壽命艦用電子設(shè)備可靠性指標驗證需求，通過失效模式影響分析，給出設(shè)備敏感應(yīng)力及量值，結(jié)合GJB 899A—2009艦船試驗剖面，給出了基于故障物理加速模型構(gòu)建方法及相關(guān)案例。本方法在保證失效機理不變（熱疲勞）的條件下，給出了加速因子與加速試驗剖面，試驗時間由45 000 h轉(zhuǎn)化為1 340 h，為快速評價艦用電子設(shè)備可靠性指標提供了參考。

參考文獻：

[1] 曲曉燕，鄧力.艦載武器海洋環(huán)境適應(yīng)性分析 [J].艦船電子工程，2011，31（4）：138-142+146.

[2] 林武強，徐定海.艦艇裝備環(huán)境及其影響和存在問題分析 [J].裝備環(huán)境工程，2005（2）：48-52.

[3] 美國國防部.測試方法 501.7 高溫：MIL-STD-810 H [S].[出版地不詳：出版者不詳]，2019.

[4] 中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部技術(shù)基礎(chǔ)局.艦船通用規(guī)范總冊：GJB 4000—2000 [S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2020.

[5] 國防科學技術(shù)工業(yè)委員會.艦船電子設(shè)備環(huán)境實驗：GJB 4—1983 [S].[出版地不詳：出版者不詳]，1983.

[6] 中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部.軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第3部分：高溫試驗：GJB 150.3A—2009 [S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2009.

[7] 美國國防部.測試方法 502.7 低溫：MIL-STD-810 H [S].[出版地不詳：出版者不詳]，2019.

[8] 中國人民解放軍總裝備部.軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分：振動試驗：GJB 150.16A—2009 [S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2009.

[9] 陳穎，高蕾，康銳.基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真分析方法 [J].中國電子科學研究院學報，2013，8（5）：444-448.

[10] 李墨，孫瑞鋒.基于故障物理和數(shù)理統(tǒng)計相結(jié)合的可靠性加速試驗方法 [J].裝備環(huán)境工程，2021，18（10）：123-131.

[11] 陳勝堅，段桂環(huán)，李文禹.基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性分析 [J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（8）：47-50.

作者簡介：王紅濤（1990—），男，漢族，山東濟寧人，中級工程師，碩士，研究方向：海洋裝備通用質(zhì)量特性設(shè)計分析與綜合保障分析。