弹载惯性仪表的可靠性强化试验

周鹏斌,马喜宏,李建军,石安利

(中北大学电子测试技术国防科技重点实验室,山西太原 030051)

0 引言

恶劣环境下惯性仪表的使用,通常与弹体同步装配,随弹体发射、飞行、并实时记录弹体的动态信息。该类产品在实际应用中通常会承受瞬时高温、高冲击等恶劣工作环境,因此,如何改善和提高惯性仪表在恶劣环境下的可靠性已成为一个不容忽视的问题。目前在国内外,将可靠性强化试验用于惯性仪表的公司或科研单位很少,一般仍延续的是传统环境模拟试验,此试验弊端在于其周期长、费用高,且不能完全暴露惯性仪表设计和生产中的所有缺陷[1]。本文针对此问题,在设计和生产阶段,将可靠性强化试验方法引入到新研制的各类惯性仪表中以此来快速暴露产品本身的缺陷并提高惯性仪表的可靠性。

1 可靠性强化试验技术

1.1 实验原理

可靠性强化试验技术的理论依据是故障物理学,它把故障和失效当作主要研究对象,通过对试样施加单一的或综合的极限环境应力,快速激发出产品潜在缺陷,从而在很短的时间内获得试验结果,大大缩短试验时间,提高试验效率。它不像传统的可靠性试验通过被动的环境模拟后再增加设计裕度,来确保产品通过鉴定试验与验证试验,而是主动地激发缺陷,并且要求激发得越彻底越好[2]。弹载惯性仪表的可靠性强化试验是在不改变传感器失效机理的前提下提高惯性仪表的试验应力水平,使其在比正常使用环境苛刻的试验条件下工作,从而使惯性仪表可靠性的薄弱环节(如传感器敏感元件、集成电路模块以及其他零部件)快速地发生失效。通过缩短试验时间,就达到了快速评价惯性仪表可靠性水平的目的。

1.2 可靠性强化试验过程及方法

对新研制的产品来说,可靠性强化试验包括高加速寿命试验(HALT)/高加速应力筛选(HASS),HALT/HASS是一个整体。HALT采用步进应力的方法进行试验,故 HALT又称步进应力试验。HALT试验是以步进方式对产品施加一系列单应力(如温度、温度循环、多轴随机振动、电应力等)和综合应力,并逐步增加强度直至产品失效的过程。在HALT过程中对发生的每一个失效都进行根本原因分析(Root Cause Analy-sis),不断进行试验、分析、验证和改进。HALT是进行HASS的前提,只有完成了适当的HALT,而且所发现的问题均已得到解决,才允许进行HASS[3]。G K Hobbs博士认为不管采用什么筛选方法,筛选过程总要消耗产品一部分疲劳寿命,如果使用应力和损坏应力之间的余量很小,就根本不能运用任何应力筛选方法进行筛选。因此必须根据HALT得到的工作极限和损坏极限,摸清产品的设计余量,以此来制订HASS方案,确定HASS的应力量级,以保证筛选所消耗的疲劳寿命的量是可以接受的[4]。

2 弹载惯性仪表可靠性强化试验方案

2.1 弹载惯性仪表的可靠性强化试验方法

2.1.1 HALT试验

HALT试验应在设计阶段进行,以发现设计阶段的薄弱环节,并加以改进,从而提高产品的可靠性。根据惯性仪表自身的特点,并结合国内现有的可靠性强化试验设备,HALT试验共分为两个主要部分:高温步进应力、高冲击步进应力。在HALT试验中将可找到产品在高温及高冲击环境下的工作极限与破坏极限[5]。

1)高温步进应力

投入试验样本3个,从60℃开始,步长为+10℃,温变率为设备最高升温速率。每个温度段在达到温度稳定时间后,开始测试功能和性能,之后进行5次上下电功能测试,保证每次上下电后,功能、性能可完全恢复。试验直至找到被测产品的工作极限(产品的工作极限是指施加时能引起产品故障,去除后能恢复正常工作的那个环境应力),当找到工作极限后将步长改为+2℃,直至找到破坏极限(产品的破坏极限是指产品出现永久性“硬”故障相对应的应力点)。如温度升至高温截止温度还没有发现破坏极限,则可停止此步试验。试验剖面如图1所示。

图1 高温步进试验剖面图Fig.1 High-temperature step-stress test profile

图1 中:t1表示样品温度稳定时间(惯性仪表热透时间即整个试验产品完全热透所需要的时间),t2表示功能性能、检测和5次上下电功能测试时间。

2)高冲击步进应力

冲击试验的主要试验设备有落锤式冲击台(40 000 g以下)和霍普金森(Hopkinson)激光干涉冲击试验(40 000 g以上)。本文采取霍普金森杆对其进行冲击试验。投入一组试验样本3个,从75 000 g开始,步长+5 000 g,每次冲击后进行功能和性能测试,试验直至找到被测产品的工作极限。当找到工作极限后将步长改为3 000 g,直至找到破坏极限,试验剖面如2所示。

2.1.2 HASS试验

HASS试验是指在微惯性仪表设计完成后批量生产前进行,以发现生产工艺的缺陷,并加以改进,从而提高交付部队使用时的可靠性。HASS试验需要参考HALT试验所得到的结果。本试验中,将综合环境应力中的高温度限定在工作极限的80%,而冲击条件则以破坏极限值的50%作为HASS试验的初始条件。而后再依据此条件开始执行综合环境应力试验,并观察受试产品是否有故障发生。如有故障发生,应先判断是因为过大的应力造成,还是受试产品本身的不良,如因为应力过大则应再放宽温度及冲击应力10%,如果是受试产品本身的问题,则表示试验条件有效。如无故障发生,则必须再加严测试环境应力10%[6]。

图2 冲击步进应力试验剖面Fig.2 Shock step-stress test profile

2.2 试验验证

2.2.1 高温步进试验结果分析

图3为高温步进试验得到惯性仪表零位电压输出幅值变化图。

图3 高温步进试验结果Fig.3 High-temperature step test results

当试验从70℃开始以10℃的步长上升至150℃时,惯性仪表的零位电压输出随着试验温度的升高而逐渐增加,当试样在150℃保温 30 min时,电压突然上升至1.130 V,惯性仪表输出不正常。将试样在室温下恢复一段时间后,惯性仪表的零位电压输出恢复正常。

本阶段试验表明,试样的温度极限上限为150℃,比设计规范要求的上限高70℃。

在试样零位输出不正常状态下,试探性地将温度以步长为2℃继续升高,继续监测零位电压输出信号。当温度升至160℃时,传感器的零位电压输出为零。经分析表明,出现此现象是由于惯性仪表中的焊盘出现损坏,从而导致惯性仪表无法正常工作。将敏感头拆下对敏感元件进行测试,敏感元件工作正常。

2.2.2 高冲击步进试验结果分析

图4为冲击步进试验得到惯性仪表零位电压输出幅值变化图。

图4 冲击步进试验结果Fig.4 Shock step test results

当试验从75 000 g开始以5 000 g的步长上升时,惯性仪表的零位电压输出基本保持不变,当冲击量值增加到125 000 g时,惯性仪表输出突然下降至0.863 V,在正常环境恢复一段时间后,惯性仪表输出基本稳定。

本阶段试验表明,试样的冲击工作极限为125 000 g,之后,试探性的改变步长为3 000 g,当冲击量级为135 000 g时,传感器输出为0 V。经解剖分析,其中一惯性仪表敏感头的梁发生断裂,另一个敏感头内发生引线脱落现象,导致惯性仪表输出为0,如图5所示。

图5 敏感头失效照片Fig.5 Sensitive failure photos

3 结论

本文提出将可靠性强化试验方法用于惯性仪表的可靠性试验。该方法区别于传统模拟环境试验的方法,它将在很短的时间内就可以使产品的缺陷暴露出来,极大地提高了试验效率。分析与试验表明,对惯性仪表进行可靠性强化试验之后,不仅会在设计初期就能对产品的的薄弱环节进行改进,而且还能完全暴露产品的潜在缺陷,最大限度地降低了试验成本,有效提高了弹载惯性仪表的可靠性。

本文只针对惯性仪表在高温、高冲击应力下的强化试验方法及对暴露产品缺陷效率的提高,而针对不同的产品特点,需有不同的环境应力进行考核验证。要高效地完成惯性仪表可靠性强化试验,需进一步对各种应力的强化试验效率进行深入研究,同时也应考虑试验中的费效比,如何合理利用强化试验设备更有效地提高产品的可靠性,并尽量降低工程造价,这是做可靠性强化试验时值得考虑的问题。

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[3]刘宏.高加速寿命试验和高加速应力筛选试验技术研究[J].电子测试,2009(3):5-8.LIU Hong.Study on the technotogy for halt and hass[J].Electronic Test,2009(3):5-8.

[4]Robert W D.Reliability Enhancement Testing(RET)[C]//Proc Annual Reliability and Maintainability Sym,37th Annual Technical Meeting of IES,1994:91-98.

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