HALT在引信寿命评估方面的应用

刘加凯，齐杏林，徐敬青，范志锋

（军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄 050003）

1 引言

电子引信的贮存寿命，是引信重要的战技指标之一，此项指标目前采用自然贮存试验和加速寿命试验（ALT：Accelerated Life Test）两种考核方法。虽然自然贮存试验能够获得准确的产品寿命，但要十几年以后才能取得相应的试验数据，所需时间太长，不能满足当前引信技术飞速发展的需要。所谓加速寿命试验，是在既不改变失效机理又不增加新的失效因素的前提下，通过提高试验应力，加速失效过程，根据试验结果和一定的物理模型和统计方法，推算额定的环境应力条件下产品寿命等可靠性指标的试验。该试验由于有一定的理论根据，所以得到广泛的重视和应用。相对于自然贮存试验来说，加速寿命试验满足缩短试验时间，节省人力和物力，快速评价产品可靠性水平的客观、迫切的需求[1]。

随着设计、制造方法以及使用材料的不断提高与改善，产品的可靠性越来越高，寿命越来越长。目前在引信的加速寿命试验中，所用的试验应力相对较为保守（如在机电引信的加速寿命试验中，所用的最高温度应力为80℃，而对于电子部件，引起其元器件失效的失效机理在500 K（227℃）下基本是一致的[2]；对于机械部件，其失效机理在更高的温度范围内基本一致），因此试验时间较长，通常需要几个月、半年甚至一年的时间，不利于快速评价产品因设计改变或工艺变更而对产品可靠性和质量所造成的影响[3]。

高加速寿命试验（HALT：Highly Accelerated Life Test）是20世纪80年代后期发展起来的一种激发试验，这种试验不强调试验环境的真实性，而是在保证失效机理不变的情况下，强调试验的激发效率。对于当今高技术和高复杂度的电子产品和机电产品，要发现其潜在的故障较难，尤其是一些“潜伏”极深或不易根除的间隙故障，通过HALT可以快速地激发产品的潜在缺陷，实现研制过程中可靠性水平的快速提高[4]。HALT不能直接应用于产品的寿命评估，这是因为产品的寿命数据要求精确的加速因子和很多的失效数据[5]。HALT采取逐步增加应力的方法进行，应力层次较多，试验时间较短，因而其加速因子难以确定（或至少是不精确的）；HALT通常在产品量产前进行，样本量较小，因而试验的失效数也较少，而失效数是产品寿命评估置信度的一个关键因子，失效数越少，置信度越低。尽管如此，HALT结果中的有效信息仍可用于引信寿命评估中，从而缩短试验周期，降低成本。

2 HALT在引信寿命评估中的应用

虽然通过HALT不能够单独进行引信的寿命评估，但有两种方法可以利用HALT结果中的有效信息来评估引信的寿命，一种是利用HALT来改进引信的加速寿命试验，另一种是用HALT数据来关联现场数据[6]。

2.1 利用HALT来改进引信的加速寿命试验

a）选择积极的加速因子

影响电子引信贮存寿命的环境因素主要是温度和相对湿度，而目前电子引信通常采用密封包装，透温不透湿，因此一般选取温度作为引信的加速寿命试验中的试验应力。温度应力水平选择是否合适，将关系到加速寿命试验的成败。如果选择的应力水平过高，可能会改变产品的失效机理；应力水平过低，又会使试验时间太长，失去加速试验的意义。

最高应力水平的确定，主要考虑在进行加速试验时需要提高温度应力的水平，应力水平越高则所需的时间越短，加速效果越好。不同种类的引信，它的失效模式也是不同的，但对于每种引信来说，前提条件是不能改变其失效机理，自然贮存试验的失效机理与加速试验的失效机理应该是相同的。由于存在不能改变失效机理这一条件的制约，温度应力的提高受到了限制[7]。

HALT一般在引信的设计阶段进行，当完成HALT之后，可以获得引信的高温工作极限和破坏极限，并通过对失效引信进行根因分析，确定其主要失效机理，进而确定引信加速寿命试验中所能够应用的最高应力。如通过对某引信的电子头组件进行HALT，其温度步进试验从50℃开始进行，步长为10℃，当温度到达120℃后，步长改为5℃，每步保持25 min。该电子头组件的高温工作极限为155℃，高温破坏极限为175℃，通过对试验结果进行分析，所激发出的产品失效模式与正常条件下一致，且失效机理并未改变。因此可以提高目前引信的加速寿命试验最高温度应力水平，从而缩短试验时间，提高试验效率[8]。

根据HALT所确定的加速寿命试验最高温度应力，不能超过引信的高温工作极限（如果超过后引信处于不能正常工作状态，不能确定引信在正常条件下是否失效）。对于机电引信，不仅要考虑其机械部件和电子部件失效机理不发生改变的最高温度应力，还要考虑其它材料元件（如塑料）的最高温度应力。

b）估算试验所需的时间

对于加速寿命试验，特别是步进加速寿命试验，每步试验时间的长短对试验效果具有重要的影响。如果每步时间选择过短，则产品的失效数较少，影响寿命评估的置信度，太低的置信度最终导致可靠性数据的不确定性；如果每步时间选择过长，则会使整体试验时间延长，失去加速试验的意义。

在温度应力试验中，产品的失效服从Arrhenius公式，当产品的失效机理一致时，产品失效具有相同的激活能。当完成引信的HALT之后，对失效引信进行根因分析，确定其与正常应力条件下一致的失效机理，根据经验激活能，并利用Nelson原理，对试验时间进行折算[9]。若进行恒定应力加速寿命试验，则将试验时间折算到试验应力水平上；若进行步进应力加速寿命试验，则将试验时间折算到各步试验应力水平上，根据试验要求，合理分配各步试验应力所需的时间。通过对加速寿命时间进行估算，尽管不精确，但是仍对试验的进行具有重要的指导意义。

步进应力到恒定应力试验的时间折算方法如下：

在温度步进时，引信的寿命满足Nelson原理，即样品的剩余贮存寿命仅与当时已累积的失效部分和当时的应力水平有关，而与累积方式无关。

引信的寿命分布F（t）服从威布尔分布，从数学意义上来说在低应力Ti下试验时间ti（ti为在应力Ti下所进行的试验时间）的累积失效概率相当于在应力 Ti+1下工作时间累积失效概率FTi+1即：

由威布尔分布函数式得：

温度Ti与引信特征寿命 ηi满足 Arrhenius方程：

根据式（2）、（3）可得：

由于HALT中温度步进试验是若干个应力水平下的累积作用结果，即第i级产品所承受的应力包括了前i-1级应力下的作用，因此在应力Ti下进行的实际试验时间与前i-1级应力下的试验时间有关。如果把前i-1级应力下所进行的试验都相应地看作是第i级应力下的试验，那么就必须把前i-1级应力下的试验时间用上面的时间折算公式分别折算到第i级应力下的相应试验时间，这样第i级应力Ti下产品的实际试验时间τi应是这些试验时间的累积，再加上试验时间ti即：

同样，利用时间折算方法，可以将步进应力所用的时间折算到任一恒定应力条件下所用的时间。

2.2 利用HALT数据关联现场数据

在引信的HALT完成后，可以用HALT中发现的失效来跟踪引信寿命周期中的类似失效。一旦发现了某个失效，那么此失效的加速因子就可以根据应力水平和时间很容易地计算出来，我们也可以了解同样的环境中出现同类失效的时间。通过对不同的几个产品完成这些工作后，就可以建立一个数据库并利用HALT结果来进行预测。对于新的同类引信的失效，可以在数据库中查询并获得达成此失效的时间。

3 小子样引信的寿命评估

引信在研制过程中，其样本量较少，利用传统的加速寿命试验，不仅需要较长的时间，而且寿命评估的置信度较低。

当引信样本量较小时，可采用改进的恒定加速寿命试验方法。为了增加试验数据点，提高试验数据的可靠性，将试验样本分成两份，采用双箱对比试验，且两箱中的温度应力不同[10]。根据对某电子引信进行HALT，可确定其最高温度应力为140℃，因此可将两箱中的温度分别设置为T1=120℃，T2=140℃。根据Arrhenius公式，T2相对于T1的加速因子为：

式中，L1、L2为引信分别在T1=120℃，T2=140℃温度应力下失效的平均时间。

通过对引信进行两个温度下的加速寿命试验，得到产品在两种温度条件下的平均寿命分别为L1、L2，根据式（6）计算出B，从而可以计算出在较高温度（140℃或120℃）条件下较常温（25℃）条件下的加速因子AF，进而计算出产品在常温条件下的中位寿命。

4 结束语

本文通过对HALT在引信寿命评估中的应用进行了研究，HALT在引信寿命评估方面的应用包括两个方面，即利用HALT改进加速寿命试验和利用HALT数据关联现场失效。并利用改进的加速寿命试验对小子样条件下的引信寿命评估方法进行了研究，能够在小子样条件下计算出引信的中位寿命。

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[8]李道清，王德元.某无线电引信加速寿命试验研究[J].探测与控制学报，2000，12（4）：57-61.

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[10]WU-Li，RONG-Chang Feng.Highly accelerated life test for the reliability assessment of the lead-free SMT mainboard[C]//2006 International Microsystems，2006： 1-4.