美国可靠性强化试验技术发展点评
陈奇妙
1 环境可靠性试验简要回顾
随着竞争的发展与深化，市场对产品的要求也越来越高，物既要美，价亦要廉，作为产品质量与可靠性保障重要手段的环境可靠性试验也相应地得到不断的发展。
1.1 环境模拟试验
早在40年代美国就对产品的设计开始采用单因素环境的研制试验与鉴定试验，以检验设计的质量与可靠性[1]。至70年代发展到采用综合环境可靠性试验(CERT) 和任务剖面试验。为检验工艺则采用不带设计余度的验收试验。
随着环境模拟试验技术的发展与成熟，各**部门及军兵种相继颁布了一系列的国标、军标，以严格的法规形式来保证产品的质量和可靠性，其中最有代表性的如环境模拟试验军标MIL-STD-810，可靠性试验军标MIL-STD-781和空间飞行器试验军标MIL-STD-1540以及它们的修订版，具体产品型号则根据这些标准与型号的特点制订详细的试验大纲。长期以来环境模拟试验便成为保障产品可靠性主要手段。
该技术的特点是:模拟真实环境，加上设计裕度，确保试验过关。因此，环境模拟的真实程度和设计裕度的大小便成为两个关键的因素，要提高可靠性就必须对环境进行更精确的模拟和加大设计裕度，但这样一来便使难度增大，周期拖长和增大成本。
这种方法的不足之处是对设计和工艺缺陷未作专门处理，只分别通过鉴定试验与验收试验解决，因此潜在缺陷残留量仍不少，随时都可能在外场使用时出现故障，可靠性的增长靠自然反馈缓慢地实现，这时木已成舟，留给设计修改的时间与空间都极其有限，从而使市场竞争的优势大为降低。
1.2 环境应力激发试验
激发试验(Stimulation)与模拟试验(Simulation)的思路相反， 它是用人为的施加环境应力的方法，快速激出并清除产品的潜在缺陷来达到提高可靠性的目的，因此试验时不仅不求获得通过，反而求激出潜在缺陷越多越好，这一思路虽早为人知，但发展却比模拟试验慢得多。
早在50年代的老化试验便是激发试验的最初形式，所加应力有高温、温度循环和温度冲击等，至70年代后发展成当今广义的环境应力筛选。由于试验的目的是激发、清除缺陷，故所加应力不必模拟真实环境，只要激发的效率越高越好，这样一来试验就简单多了，根据经验至今公认为最基本最有效的应力是高温变率的温度循环和宽带随机振动。
这里应着重指出的是自从1979年美国海军颁布了海军生产筛选大纲NAVMAT P-9492后收到了惊人的效果，产品可靠性获得上倍的提高，1982年美国环境科学学会又颁发了指导性文件《电子产品环境应力筛选指南》使应力筛选进入了一个蓬勃发展的时期。在此期间发表了大量的文献，其中有人也试图用“军标”的形式来加速这一技术的发展，但这种尝试是错误的也是极其有害的，极易把问题搞混淆，重新把问题拉回到“模拟”的轨道，把“激发缺陷”又变成“试验通过”。因为“获得通过”有时是由于筛选方案不当或应力量级太小所致，而产品的可靠性并未获得真正的提高，故应力筛选只能用“指南”的形式执行，不同的缺陷类型和不同的失效机理必须使用不同的筛选方案而无统一的标准可言。
要强调的另一点是当今的应力筛选方法都是在设计无缺陷的前提下针对生产过程的缺陷的，实际上设计缺陷除用鉴定试验外并无其他专门的方法检测和清除，因此专门研究设计缺陷的排除以提高产品的可靠性仍有很大的潜力可挖，这就是本文点评的重点。
2 可靠性强化试验(RET)的兴起与发展
80年代初就在应力筛选迅速发展的同时，人们就已经注意到由于设计潜在缺陷的残留量仍不少，为可靠性的提高提供了可观的空间，另外，还有价格和研制周期问题，这是当今动态市场竞争的焦点，实践证明可靠性强化试验正是综合解决这一问题的最好方法。从图1中可以清楚地看到[2]:RET获得的可靠性比传统方法高得多，更可贵的是RET在短时间内就获得早期高可靠性，无需像传统法那样需长时间的可靠性增长，从而也降低了成本。
最先从事这方面工作称得上先驱者的是G.K. Hobbs,K.A. Gray和L.W. Condra等人，他们称这种试验为高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS)，前者针对设计，后者针对生产，方法的核心是施加大应力，一步步地加，一次次地排除缺陷，故也叫步进应力法,以此获得高可靠性，从80年代末至90年代初，相继在各工业部门推广应用，无一例外地取得了很大的成功，由于商业竞争与军工保密的原因至今许多重大成果仍未解密发表。连名称也尚未统一，有的叫步进应力试验(Step Stress),高加速寿命试验(HALT)，应力寿命试验(STRIFE)，应力裕度和强壮试验(SMART)和可靠性强化试验(RET)等等，波音公司把RET当作这一试验技术的统称是较为合理的，因为它突出了强化试验的特点。
RET得到迅速发展的原因还在于90年代市场可靠性观念的更新和关键技术的突破。
L.Condra在其系列论文中说[3]，美国生产厂家在80年代认识质量的重要性，深知市场只接受质高价廉的产品，到90年代又认识到可靠性的重要性，深知市场对产品不仅要求高的开箱率，而且要求在设计寿命期内确保性能良好不变。这是新一轮对可靠性的挑战，而RET正是满足这一挑战的最好方法。
Condra指出按传统的可靠性定义去应付瞬息万变的动态市场显得太被动了，厂家只对用户的条件(规范)负责，不对产品的使用负责必然导致在市场中的失败。于是90年代的一种进取性的市场可靠性定义便应时而生:
一种可靠的产品应随时都能完成用户需其完成的任何任务。这样一来，厂家便变被动为主动，了解用户对产品的要求，关注市场的发展，不断改进更新产品，以上乘的质量可靠性换取不断扩大的市场占有份额，获取丰厚的利润回报，因此可靠性便不再是一种成本负担，相反可靠性正是商家追求的一种资产、一种财富。
但是，传统的可靠性试验既极费钱又极费时，必须要开发一种新的经济有效的替代法来适应这一需求，这便是RET法。RET技术的理论依据是故障物理学(Physics of failure),把故障或失效当作研究的主要对象，通过发现、 研究和根治故障达到提高可靠性的目的。对当今高度复杂的电子或机电产品，要发现潜在故障非易事，特别是一些“潜伏”极深的或间歇性故障，必须采用强化应力的方法强迫其暴露，实践证明RET法效果显著。
Gregg K.Hobbs先生曾就强化应力的效果问题设计了一种金属试件， 对疲劳寿命进行了研究[4],发现当应力强度增加1培时，疲劳寿命降低为1/1000，在实际应用时振动引起的失效就属这一类型，除了施加强化应力外，由于有缺陷产品的应力集中系数高达2--3倍，从而使疲劳寿命相应降低好几个数量级，这样就使产品内的有缺陷元件与无缺陷元件在相同的强化应力下疲劳寿命拉大了挡次，使缺陷迅速暴露的同时无缺陷元件损伤甚小，这一理想的效应正是我们所需要的。
对于温度循环则属热疲劳性质，S.Smithson先生在《效率与经济性》一文中[5]也给出了类似的效果，若以两个不同的温变率为例，一个5℃/min,另一个强化到40℃/min，则它们的疲劳寿命效率比为4400∶1，对其他温变率的情况见下表:
────────────────────────────────
温变率℃/min 5 10 15 20 30 40
循环数 400 55 17 7 2.2 1
min/每循环 66 33 22 16.5 11 8
总时间 h 440 30 6 1.9 0.4 0.1
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根据上述数据可以看到RET的综合效果是:大幅提高可靠性，高度压缩时间，从而也降低了成本。
要实施强化应力必须要有相应和设备，沿用传统的试验设备进行RET也能取得某种程度的成功，但由于现有温箱的温变率偏低，多在5～10℃左右，振动台只有单轴台， 试验时需换向，价格也贵，无法满足RET的要求。因此，一种崭新的高效价廉设备的应时推出配合了RET技术的发展，新设备由高温变率温箱和气动式3轴6自由度(6DOF) 振动台组成，高温变率用液氮致冷取得，这本非新技术，但由于过去人们误对液氮成本过高的担心，致使长期被搁浅，现经全面比较，因RET的高效率的时间和高压缩而反使成本有所降低，从而得以确认使用。
6DOF台由气动反复冲击机发展而成，该机原用于模拟炮射冲击环境， 因其有6自由度空间和价廉的特点，被看中用来改装模拟随机振动，经过不断的改进发展获成功，关键技术主要有二，一是锤头击打频率f=30～50Hz和锤头击打力度可随机调制(通过冲程)，这样由若干个锤头和一个台面构成的气动振动台便可产生一种非高斯型的准随机激励。二是累积疲劳系数(AFF)分析方法在该类激励的成功应用。根据G.Henderson引用Lambert,R.G.的研究成果[6]，累积疲劳损伤主要由大于2σ的应力峰所造成，而6DOF台具有丰富的远大于2σ的峰值概率分布，故具有极强的激发缺陷的能力，根据对AFF的计算结果，6DOF台的效率与单轴振动台比为2114∶1。
原担心作为6DOF台的缺点的试验均匀性和重复性问题，经G. Hobbs和惠普公司等进行了长达一年多的试验研究也得到了很好的解决。
3 可靠性强化试验技术
3.1 可靠性强化试验(RET)的目的
RET是故障防治策略中的关键环节，与应力筛选针对生产缺陷不同， 它的目标主要针对设计缺陷或设计薄弱环节，旨在通过强化试验手段查找设计薄弱环节，分析原因，采取改进措施，彻底排除，不许重现，以获预期的设计高可靠性。 RET在设计完成后但未投产前进行。
3.2 RET的内容与应力参数
RET包括步进应力试验和加速寿命试验。应力参数以温度循环和随机振动为基础， 根据产品的特点再酌增工作应力(电应力)或其他应力如加湿。
应力量级按步长逐步递增，直到远超出规范范围甚至达到破坏极限。以下参数供选用参考:
温度循环
温 度 范 围: 高低温步长各10～15℃，至最大为-60～+125℃
温 变 率: 步长2～3℃/min,至最大30℃/min
端点保温时 间: ～10min
在保温段同时进行通、断电试验。
随机振动(3轴6自由度)
频 率 范 围: 5～5000Hz
振 动 量 级: 步长2～3gRMS,从2起至28gRMS
振 动 时 间: 每步～10min
结束试验的原则:
(1)至破坏极限，
(2)根据对设计余度的要求确定，
(3)出现非正常失效，如材料熔化。
3.3 强化应力筛选
强化应力筛选的目的与传统的应力筛选相同，是针对生产过程的工艺和元器件缺陷，但所用的应力量级要大，根据RET的结果即破坏极限来确定，以下参数供选用参考:
温度循环:端点温度取破坏极限的～80%;
随机振动:取破坏极限的50%或更低一些;
筛选方案验证:旨在验证该方案的合理性，即快又彻底地激出缺陷， 但又不损伤好的硬件。做法为选取至少3个样件，每个样件反复试验10～20次，以不再出现故障为准。
4 关于RET技术的应用与展望
在民用产品方面已成功地应用在通讯、电子、电脑、能源、汽车等工业部门。这类产品的可靠性增长过去主要靠用户的自然反馈信息进行，周期长、更新换代慢，因此，RT主要被用于新产品的开发和老产品改型中关键部件的改进以及预先研究。例如有名的福特汽车和惠普公司就是使用RET技术获得产品的高可靠性和快速更新换代的。
由于民用产品类别繁多，性能要求各异，在使用该技术时需灵活掌握，应力量级可高可低，以获得所需的可靠性、成本和周期的综合优化值，在排除设计、工艺缺陷时，既可分别处理，也可综合处理，视要求而定。十几年来这一技术是在应力筛选的统称下发展起来的，因而学科上形成了一个新的分支，叫商用应力筛选(CSS)。可以断言，RET技术将成为民用产品创造名牌的重要手段。
在军工、航空、航天方面的应用要晚一些，近几年来应用越来越多，发展也快。航空方面波音公司已于1994年在波音-777飞机上应用，获得了成功。接着计划在波音-737新一代应用。航天方面参加1995年11月波音公司召开的故障防治策研讨会就有9家，其中Allied Signal Aerospace和Olin Aerospace 公司就是选用TVC-9试验系统作这类试验的。据CHI Systems公司透露，在航天工业有时也采用RET技术做卫星整星或导弹仓段试验，但必须将专用激振锤安装到结构内的特定部位上，以形成一种分布式激励系统。
由于航天航空产品对可靠性要求高，因此必须把RET与模拟试验结合起来，用RET技术获得大的设计余度，确保高可靠性，用模拟技术按“军标”或“国标”规定的条件进行鉴定试验和验收试验，以确认设计可靠性和验收产品。
有越来越多的实践证明，经RET和强化应力筛选的产品已获得足够高的可靠性， 往往使鉴定试验和验收试验变成一种形式或橡皮图章。由此，我们有理由断言，随着经验的积累，RET技术与模拟技术必然朝着相辅相成、取长补短、互相渗透、简化取代以获取可靠性、经费和进度三者的最隹综合效益的方面发展。
参考文献
1 John sexton. Environmental Testing And Stress Sereening.
2 陈奇妙编译.波音公司的故障防治策略和可靠性强化试验技术.见:陈奇妙主编. 可靠性强化试验技术.1998:14～21
3 Lloyd W Condrs. Accelerated Testing for Product Reliability Assurace.
4 Gregg K Hobbs. Highly Accelerated StressScreens ASS. Proceedings ES 1992
5 Stephen A Smithson. Effectiveness and Economics ardsticls for ESS Decisions. Proceedings ES 1990
6 G Henderson. 6DOF Machine Characteristics and Methods of Measuring Effectiveness. Test Engineering & Management, June/July 1992
发表于 2007-3-12 01:54
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发表于 2007-5-26 11:31
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