電子產品
可靠性試驗
第一章 可靠性試驗概述
1 電子產品可靠性試驗的目的
可靠性試驗是對產品進行可靠性調查、分析和評價的一種手段。試驗結果為故障分析、研究採取的糾正措施、判斷產品是否達到指標要求提供依據。具體目的有:
(1) 發現產品的設計、元器件、零部件、原材料和工藝等方面的各種缺陷;
(2) 為改善產品的完好性、提高任務成功性、減少維修人力費用和保障費用提供資訊;
(3) 確認是否符合可靠性定量要求。
為實現上述目的,根據情況可進行實驗室試驗或現場試驗。
實驗室試驗是通過一定方式的類比試驗,試驗剖面要儘量符合使用的環境剖面,但不受場地的制約,可在產品研製、開發、生產、使用的各個階段進行。具有環境應力的典型性、資料測量的準確性、記錄的完整性等特點。通過試驗可以不斷地加深對產品可靠性的認識,並可為改進產品可靠性提供依據和驗證。
現場試驗是產品在使用現場的試驗,試驗剖面真實但不受控,因而不具有典型性。因此,必須記錄分析現場的環境條件、測量、故障、維修等因素的影響,即便如此,要從現場試驗中獲得及時的可靠性評價資訊仍然困難,除非用若干台設備置於現場使用直至用壞,忠實記錄故障資訊後才有可能確切地評價其可靠性。當系統規模龐大、在實驗室難以進行試驗時,則樣機及小批產品的現場可靠性試驗有重要意義。
2 可靠性試驗的分類
2.1 電子裝備壽命期的失效分佈
目前我們認為電子裝備壽命期的典型失效分佈符合“浴盆曲線”,可以劃分為三段:早期失效段、恒定(隨機或偶然)失效段、耗損失效段。可參閱圖1.2.1。
早期失效段,也稱早期故障階段。早期失效出現在產品壽命的較早時期,產品裝配完成即進入早期失效期,其特點是故障率較高,且隨工作時間的增加迅速下降。早期故障主要是由於製造工藝缺陷和設計缺陷暴露產生,例如原材料缺陷引起絕緣不良,焊接缺陷引起虛焊,裝配和調整不當引起參數漂移,元器件缺陷引起性能失效等。早期失效可通過加強原材料和元器件的檢驗、工藝檢驗、不同級別的環境應力篩選等嚴格的品質管制措施加以暴露和排除。
失效率 早期 耗損
失效 偶然失效段 失效
時間
圖1.2.1 電子裝備壽命期失效分佈的浴盆曲線示意
恒定失效段,也稱偶然失效段,其故障由裝備內部元器件、零部件的隨機性失效引起,其特點是故障率低,比較穩定,因此是裝備主要工作時段。
耗損失效段,其特點是故障率迅速上升,導致維修費用劇增,因而報廢。其故障原因主要是結構件、元器件的磨損、疲勞、老化、損耗等引起。
2.2 試驗類型及其分佈曲線的變化
針對電子裝備壽命期失效分佈的三個階段,人們在設計製造和使用裝備時便有針對地採取措施,以提高可靠性和降低壽命週期的費用。在設計製造階段,要儘量減少設計缺陷和製造缺陷,即便如此仍然會存在早期失效和隨機失效。為此,承制方需要運用工程試驗的手段來暴露和消除早期失效,降低隨機失效的固有水準。通過這些措施,可以改變產品的壽命分佈曲線的形狀,可參閱圖1.2.2。在耗損階段,用戶可通過維修和局部更新的手段延長裝備的使用壽命。
圖 1.2.2 示意了兩組產品壽命失效率分佈曲線,圖中表明產品B的可靠性水準比產品A的優良,因為B的恒定失效率比A的低,B的早期失效段比A的短。如果曲線A和B是同一種產品的不同階段的失效率分佈,則表明該產品經過了可靠性增長試驗,取得成效,因此曲線B的恒定失效率大為降低。曲線B的早期失效段示意了B和B’兩條,它們表明B比B’的早期失效率為低,顯示其工藝和元器件、原材料的缺陷比B’的少,環境應力篩選所需的資源也可較少。
失效率
產品A的壽命失效分佈
B’
B 產品B的壽命失效分佈
時間
圖1.2.2 裝備可靠性試驗結果對失效分佈曲線形狀影響
2.3 裝備可靠性試驗分類
2.3.1 裝備可靠性試驗專案分類
由裝備可靠性試驗的目的出發,我們把它分為
可靠性工程試驗和可靠性驗證試驗兩大類,每類試驗又包括幾種試驗項目。
(1) 可靠性工程試驗,其目的在於暴露產品故障以便人們消除它,由承制方進行,試驗樣品從研製樣機中取得。可靠性工程試驗包括環境應力篩選和可靠性增長試驗。從試驗性質來分析,現行的老煉也屬於工程試驗專案;由環境應力篩選發展起來的可靠性保證試驗也可歸納於此。工程試驗的出發點是:儘量徹底地暴露產品的問題、缺陷,並採取措施糾正,再驗證問題得到解決、缺陷得到消除與否。經過工程試驗的產品,其可靠性自然會提高,滿足用戶要求的可能性也必然增大。可見,可靠性工程試驗是產品的可靠性基礎工作,是產品研製生產的工藝過程。
(2) 可靠性驗證試驗,從試驗原理來說,要應用統計抽樣理論,因此又稱統計試驗。其目的是為了驗證產品是否符合規定的可靠性要求,由承制方根據有關標準和研製生產進度制訂方案和計畫,經定購方認可;重點型號裝備的驗證試驗方案還需報上級領導機關批准,由有關各方組織聯合試驗小組。驗證試驗包括產品研製的可靠性鑒定試驗和批量生產的可靠性驗收試驗。這類試驗必須能夠反映裝備的可靠性定量水準,因此試驗條件要儘量接近使用的環境應力;試驗結果要作出接收或拒收的判斷,因此對試驗時間和發生的故障應作詳細記錄,經過與失效判據的對比分析後,試驗各方統一認識後才能作出最後的結論。
2.3.2 裝備可靠性試驗專案的區別
產品研製生產過程除進行可靠性試驗之外,一般還要進行環境(鑒定)試驗,各種試驗的目的不同,不能相互取代,它們的區別可參閱表1-2-1。
3 試驗安排
在安排試驗計畫時,應將可靠性試驗與性能試驗、環境應力和耐久性試驗盡可能地結合起來,構成比較全面的可靠性綜合試驗計畫。這樣可避免重複試驗,保證不漏掉在單獨試驗中易疏忽的問題和缺陷,可提高效率節省費用。
表1-2-1 環境應力篩選、環境鑒定試驗、可靠性統計試驗區別
項目
環境應力篩選
環境鑒定試驗
可靠性統計試驗
應用目的
將產品潛在缺陷加速發展成故障並排除
驗證產品的環境適應性
驗證產品的可靠性水準
典型應力
隨機振動、
溫度迴圈、電應力
溫度、濕度、鹽霧、淋雨、黴菌、振動、衝擊、低氣壓、加速度
溫度、濕度、振動、
電應力
應力水準
加強應力,既能暴露故障又不損壞產品
環境條件的極端值
動態類比真實環境條件
應力程式
按效果組合,一般:振動-溫度-振動
按使用次序或能最大回應環境應力的次序
模擬使用的次序
樣本
100%
抽樣
抽樣
故障限制
希望揭示故障樣品可修復
不許出故障
故障數有限制
接收判據
無,故障不影響產品的接收
有,故障影響對產品的接收
有,故障數超出規定時拒收
(1) 產品的性能試驗應在樣機製造出來後即進行,試驗暴露的缺陷應成為改進措施的直接依據。評定產品性能和可靠性是否滿足用戶要求,必須在標準環境條件下使用規定容限值進行性能測量,以獲得重現結果和所需的精度。
要分別測量記錄試驗前(標準條件)、試驗中(試驗條件)、試驗後(標準條件)的性能,以便進行比較。
(2) 環境應力的種類要按照實際情況進行綜合。環境應力至