舰用电子产品失效机理分析与加速模型构建

摘 要：舰用电子产品具有高可靠与长寿命的特征，其可靠性水平的快速评估是保障质量的重要手段，文章给出了一种适用于舰用电子产品的加速模型构建方法。首先，收集与分析航行海域气象信息，量化主要海洋环境与应力量值；其次，开展舰用电子产品特征分析和故障机理分析，给出电子产品典型失效模式及其敏感应力；最后，给出了基于故障物理的加速模型构建方法，确定了低温-65 ℃，高温90 ℃，温变速率15 ℃/min的加速应力，加速因子5.6，为快速评价舰用电子设备寿命指标提供了参考。

关键词：舰用电子产品；海洋环境；失效机理；加速模型

中图分类号：TP273+.4 文献标识码：A 文章编号：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

舰用电子设备具有高可靠和长寿命的特征，工程经验表明，基于GJB 899 A—2009《可靠性鉴定和验收试验》和《海军电子装备可靠性鉴定试验实施方法（2002）》开展可靠性指标考核存在试验时间长及研制成本、研发周期难以承受的风险。加速试验是通过提高试验应力水平或者增大交变应力施加频度，在短时间内找出设备潜在的设计薄弱环节，识别设备的可靠性信息，实现设备可靠性水平的增长及快速评估。

本文针对舰船舱内外电子设备可靠性指标验证需求，开展典型海域自然条件分析[1]，深入研究元器件级、零（部）件级和设备级的典型失效模式[2]，识别主要敏感应力，结合GJB 899A—2009舰船试验剖面，从故障物理分析方向研究加速模型构建方法。

1 海洋环境分析

1.1 高温环境

高温环境主要集中在热带，以索马里海域为例，综合公开数据、技术文献与标准信息进行高温环境分析，如表1所示。

公开数据平台公布的气温数据明显低于试验标准规定的试验温度值，主要原因是GJB 4—1983及GJB 4000—2000等标准中包含了太阳辐射热效应引起的局部诱发热。贮存温度应按GJB 150.3A—2009及MIL-STD-810 H中高温试验热循环程序规定的最高温度条件确认温度应力：35～71 ℃；工作温度应按照GJB 4000—2000第072章中无气候防护、世界可航水域情况取值：65 ℃。

1.2 低温环境

低温环境主要集中在极区，以北冰洋海域为例，综合公开数据、技术文献与标准信息进行低温环境分析，如表2所示。

舰船甲板及外部电子设备的低温适应性应根据其任务想定确定，应具备-54 ℃环境下工作与贮存的能力。

1.3 高湿环境

海洋高湿环境主要集中在热带海洋气候地域，以索马里海域为例开展高湿分析。根据我国国家海洋环境预报中心每月发布的《海洋气候监测月报》数据显示，在每年6月和12月期间海表温度在25～32 ℃之间，8月份表层水温达27～32 ℃，海表是水蒸气的直接来源，相对湿度（RH）可达80%～90%。

1.4 振动环境

水中振动谱含有由于航速、海况、机动等变化诱发的随机分量，以及螺旋桨旋转、往复机械及舰体共振引起的周期分量；同时要考虑舰船结构、装备安装结构和装备的传递特性也会影响装备的振动。综合考虑舰用电子设备全寿命周期可能经历的振动环境，包括已安装电子设备工作下经历的振动和备品备件作为货物运输经历的振动。参考标准GJB 150.16A—2009《军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验》附录A的A.2.2.8和A.2.3.11确认振动量级、持续时间及试验程序[8]。

2 故障机理和失效模式及敏感应力分析

电子设备的失效模式由其使用环境决定，是影响其实际可靠性水平的最主要因素。结合海洋环境分析及各服役工况下不良品的故障机理，给出引起电子设备典型失效模式及其敏感应力。

2.1 故障机理分析

依据外在表现形式，故障机理往往区分为过应力型机理（偶然失效）和耗损型机理（持续退化失效）。对于过应力型机理，当应力超过产品所能承受的强度时产品就会发生失效，如果应力低于产品的强度时，该应力不会对产品造成影响；在耗损型机理中，应力加载的效应通过对产品造成的损伤累积来体现，此损伤累积也可能会导致产品性能退化，或内部材料的抗应力强度发生退化，当退化达到规定阈值，产品即发生故障。

2.2 舰用电子设备特征分析

舰用电子设备主要由微电子器件、微波器件、光电子器件、高密度封装电路、真空电子器件、阻容感器件、继电器与接插器件以及PCB载体电子器件等组成，在开展失效机理分析前，需对这些器件开展特征分析，如表3所示。

2.3 失效模式分析

基于对舰用电子设备的电子器件特征分析，明确了舰用元器件、电子板卡和电子设备的主要失效机理，如表4所示。

2.4 敏感应力分析

舰用电子设备在全寿命周期的失效是由多种应力共同作用，常见失效机理与敏感应力的对应关系如表5所示。

3 基于故障物理的加速试验

3.1 故障物理概述

故障物理是从微观角度，研究元器件、电路板和结构的故障机理，通过分析工作条件、环境应力及时间对故障的影响，确定故障机理、引发机理的应力条件以及对应的故障物理模型。其中，引发主机理的应力条件可作为加速试验设计的加速应力，故障物理模型可用于加速因子计算[9-11]。本文基于故障物理进行加速模型构建，利用产品仿真试验分析数据确定产品在正常应力和加速应力下的故障分布，然后根据故障分布特征参数计算加速因子，确定产品的加速试验模型。

3.2 加速模型构建

3.2.1 明确典型任务剖面

某舰船仓内设备寿命要求30 000小时，根据寿命考核方法，其工程经验系数k取1.5，寿命试验时间应为45 000小时。按照传统试验方法，根据其典型任务剖面，制定可靠性试验剖面，如图1所示，每个剖面的试验周期为14小时，需要进行3 214个周期试验。

3.2.2 敏感应力分析

由于在前期试验数据中没有发现耗损型故障数据，因此根据受试产品最新技术状态的可靠性仿真试验结果确定敏感应力。通过基于故障机理的仿真分析，受试产品中存在5个薄弱环节，如表6所示。

从表6可以看出，5个薄弱环节均由温度应力引起失效，所以受试产品的敏感应力为温度。

3.2.3 加速温度应力条件初步确定

根据强化试验得到的极限工作应力：低温-75 ℃、高温110 ℃、振动22 g（电磁台，GJB 899中机载设备谱），考虑到产品技术状态的离散性，取低温+10 ℃和高温-20 ℃作为温度范围，初步确定温度循环条件：低温-65 ℃，保温30 min；高温90 ℃，保温90 min；温变率15 ℃/min；一个循环时间为140 min。

3.2.4 加速试验时间计算

首先，以传统可靠性试验剖面（图1）为输入条件，通过可靠性仿真试验得出正常条件下的前10个潜在薄弱点，其故障信息矩阵如表7所示。

其次，加速试验条件下的平均故障首发时间，通过正常条件下前10个潜在薄弱点进行分析，其故障信息矩阵如表8所示。

再次，获得潜在故障点正常时间和加速条件下的首发故障时间及加速因子，如表9所示。

最后，根据潜在故障点的加速因子进行算术平均，获得产品加速因子：

等效试验时间计算：

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

加速试验时间在700～1 400 h之间。不需调整加速条件，压缩图1中连续振动应力，并与（3）中最终确认的温度应力综合（最大振动应力的起始点与测试点一致），在低温保持20 min时通电，高温保持结束时断电，得到的加速试验剖面如图2所示。

综上，受试样品可靠性加速试验的试验剖面如图2所示，试验时间为1 340 h。

4 结 论

本文面向高可靠、长寿命舰用电子设备可靠性指标验证需求，通过失效模式影响分析，给出设备敏感应力及量值，结合GJB 899A—2009舰船试验剖面，给出了基于故障物理加速模型构建方法及相关案例。本方法在保证失效机理不变（热疲劳）的条件下，给出了加速因子与加速试验剖面，试验时间由45 000 h转化为1 340 h，为快速评价舰用电子设备可靠性指标提供了参考。

参考文献：

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[7] 美国国防部.测试方法 502.7 低温：MIL-STD-810 H [S].[出版地不详：出版者不详]，2019.

[8] 中国人民解放军总装备部.军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验：GJB 150.16A—2009 [S].北京：总装备部军标出版发行部，2009.

[9] 陈颖，高蕾，康锐.基于故障物理的电子产品可靠性仿真分析方法 [J].中国电子科学研究院学报，2013，8（5）：444-448.

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作者简介：王红涛（1990—），男，汉族，山东济宁人，中级工程师，硕士，研究方向：海洋装备通用质量特性设计分析与综合保障分析。