一种基于温度模型的加速可靠性验收试验应用

李 源，杜 祯，刘 博，李岩松

（1.北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司，北京 100015；2.海信视像科技股份有限公司，山东 青岛 266555）

0 引 言

可靠性是一种用来描述产品在规定时间及条件下处于无失效状态的术语[1]。平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）试验是可靠性试验中较为重要的一项内容。

如今，电子信息产业高速发展，电工电子类产品往往表现出一种型号繁多、研发周期短、更新换代速度快的特征。这样的特征直接影响了产品生产研发过程中各项试验的周期，尤其是MTBF这类长周期试验，受影响程度更加严重，且企业、使用方对产品可靠性性能的重视程度日趋增长，正逐步成为产品质量要求的重点考核项。由此可见，如何合理地缩短试验周期非常重要。

1 MTBF试验概述

MTBF试验是一种具有统计学概念的、考核产品在规定时间内完成规定功能的能力的试验。MTBF试验主要针对可靠性指标用时间度量的电子产品、部分机电产品及复杂的功能系统，这些产品或系统的寿命往往呈现出指数分布的特征。MTBF试验中较为关键的一点是根据需求及各方实际情况选择合适的截尾方式，一般分为定数截尾、定时截尾及序贯截尾三种截尾方式。

2 研究目的

本文主要针对某型视频集控设备进行加速的MTBF试验，以合理可行的方式，在短时间内达到评估产品质量、分析产品薄弱项的目的。

3 MTBF试验设计

本文涉及的视频集控设备根据其实际使用情况及特点，依据GJB 899A—2009《可靠性鉴定和验收试验》进行MTBF试验设计。

3.1 验收指标

本试验要求产品常温下，最低可接收时间为3 000 h。

3.2 截尾方式

目前此类试验的截尾方式一般分为定数截尾、定时截尾和序贯截尾三种截尾方式，三种方式各具特点。其中，定时截尾判断故障数、试验时间及费用在试验前便可确定，具有便于管理的特点，因此该种截尾方式是使用最为频繁的一种截尾方式。为方便管理，本试验也采用定时截尾的截尾方式。

3.3 试验方案

本次可靠性鉴定试验方案采用GJB 899A—2009 《可靠性鉴定和验收试验》的定时试验统计方案中第21号方案。详细信息如表1所示[2]。

表1 定时结尾试验方案简表

本次试验共5台样机，根据验收指标及表1，实际试验时间Ts为

式中：θ1为最低可接受时长，单位为h；n为样品数量。

由此，在非加速情况下，实际试验时间为660 h。

3.4 加速因子

加速寿命试验模型反映了产品寿命与应力水平之间的关系，可以分为物理加速模型、经验加速模型及统计加速模型三类[2]。本文使用的模型为物理加速模型，该类试验中加速应力一般可选择温度、湿度及电应力三种，对应应力的加速模型均是通过与失效机理相关的物理原理推导而来，其分别对应阿伦尼斯模型、艾琳模型及逆幂律模型。本次试验选用温度应力作为加速应力。加速MTBF试验中用温度作为加速应力是最为常见的，因为高温能使产品（如电子元器件、绝缘材料等）内部化学反应加快，会促使提前失效。

加速应力的加载方式主要分为恒定应力、步进应力及序进应力三种，各不同应力加载方式的特点如表2所示[4]。

表2 不同应力加载方式对比表

由于恒定应力加载方式更加简单可行、便于估计，故本次试验采用以恒定温度应力进行加速的方式进行试验。由该型视频集控设备设计参数可知，其最高使用环境温度为30 ℃，现规定本试验加速环境温度为50 ℃。由阿伦尼斯模型可计算加速因子Aη为：

式中：E为活化能，单位为eV；K为玻尔兹曼常数，单位为eV/K；Tn为最高使用环境温度，单位为K；Ta为加速环境温度，单位为K。

其中，活化能取0.7 eV，玻尔兹曼常数为8.623×10-5eV/K。由此可得此次加速MTBF试验的加速因子Aη=4.826。则有加速后的试验时间取整为137 h。

3.5 应 力

3.5.1 电应力

本次试验剖面电应力设计参照SJ/T 11325—2006《数字电视接收及显示设备可靠性试验方法》并根据实际情况进行微调，确定电压范围为额定电压的-10%～+10%。每8个小时变换一次电压，其中7.5 h通电，0.5 h断电。电压分别为额定电压的90%、额定电压、额定电压的110%。该样品为内销型，额定电压为220 V，电压变化顺序依次是198 V、220 V、242 V，以上24 h为一个周期。在工作周期之间的试验可以中断，但整个实验过程中只允许中断一次，中断时间不得超过24 h[5]。

3.5.2 气候应力

温度应力以加速环境温度为准，取50 ℃定值。为消除湿度应力对加速效果的影响，过程中以恒定70% RH的相对湿度进行试验。因条件受限，气压值不做控制，满足86～106 kPa的常压值即可。

3.6 任务剖面

依据上述对电应力、温度应力及湿度应力的选择，可靠性试验任务剖面如图1所示。

图1 可靠性试验剖面图

3.7 失效判据

样品出现以下任一状态均判定为故障：

（1）在规定的条件下，某一个或几个功能丧失；

（2）试验中时好时坏、原因不明的故障；

（3）在规定条件下，某一个或几个指标参数超出允许范围；

（4）在规定的条件下，出现设备功能的机械部件、结构件或元件破裂、断裂或损坏的状态；

（5）产品进行了规定以外的调整或更换零部件；

（6）测试时某一检验项目不合格。

4 失效效应危害程度

将本实验中可能出现的责任故障按照危害等级分为四类。在试验进行过程中如发生责任故障，应及时依据表格内容进行相关记录。失效效应危害程度的等级划分如表3所示。

表3 失效效应危害等级表

5 单边置信度

当试验结束并判定为接收时，责任故障r=0，由GJB 899A—2009《可靠性鉴定和验收试验》接收时MTBF的计算方法，样品的MTBF单边置信下限估计值为：

式中：θL为最低可接受时长，单位为h；T为试验总台时，单位为h；β´为使用方实际风险。

由表1及指标要求可得：

此时单边置信度为66.7%，满足GJB 899A—2009《可靠性鉴定和验收试验》接收时MTBF的要求。

6 结 语

本文依据标准及加速模型理论，针对某型视频集控设备实际情况设计了一套可靠性验收试验方案，并对其单边置信度进行了验证，结果表明其符合GJB 899A—2009《可靠性鉴定和验收试验》试验结果为接收时MTBF的要求。

由于产品设计参数的不同，此试验模型方案仅适用于个别产品，无标准文件，非所有产品均可直接应用。但方案为与该型视频集控设备类似的其他产品进行加速可靠性验收试验提供了一定的参考。依托温度加速模型，为实现合理缩短MTBF试验时间提供了可能性。