产品全寿命周期管理中的加速环境试验技术

摘要： 加速环境试验技术已应用于电子、军工、航空、航天等领域内的可靠性工程中。将加速环境试验融入产品的设计、研制和生产中，对于提高产品的可靠性水平，增强其市场竞争能力具有现实意义。
关键词： 加速环境试验；可靠性强化试验；加速寿命试验；环境应力筛选
中图分类号： TN406  
文献标识码： A
Abstract：Accelerated environmental testing technology is widel
y applied to reliability engineering for many fields such as electronics weapon 
industry，aviation and aerospace.It is important and valuable to apply accelera
ted environmental testing to product designing，developing and manufacturing.

Keywords：accelerated environmental testing；reliability enhance
ment testing；accelerated life testing；environmental stress screening

1  引  言
环境试验为产品研制服务，它贯穿于产品的整个研制过程中。通过环境试验来考核产品、暴露产品的设计和制造质量中的问题，从而提高其可靠性，是一种十分有效的措施。
在产品的全寿命周期中，由于产品的特点、研制过程、生产的数量以及使用环境各不一样，环境试验的设计和应用都各不相同，因此，环境试验的类型和名目繁多，很不统一。但是，归根到底，都是通过各阶段的环境试验暴露产品的缺陷，使产品的可靠性不断提高。
传统的环境试验是基于真实环境模拟的试验方法，称为环境模拟试验。这种试验方法的特点是：模拟真实环境，加上设计裕度，确保试验过关。其缺陷在于试验的效率不高，并且试验的资源耗费巨大。
加速环境试验(Accelerated Environmental Testing)是一项新兴的可靠性试验技术。该技术突破了传统可靠性试验的技术思路，将激发的试验机制引入到可靠性试验，可以大大缩短试验时间，提高试验效率，降低试验耗损。加速环境试验技术领域的研究与应用推广对可靠性工程的发展具有重要的现实意义。
2  加速环境试验
激发试验(Stimulation)通过施加激发应力、环境快速检测来清除产品的潜在缺陷。试验所施加的应力并不模拟真实环境，而以提高激发效率为目标。
加速环境试验是一种激发试验，它通过强化的应力环境来进行可靠性试验。加速环境试验的加速水平通常用加速因子来表示。加速因子定义为设备在自然服役环境下的寿命与在加速环境下的寿命之比。
施加的应力可以是温度、振动、压力和湿度(即所谓“四综合”)及其他应力，应力的组合亦是有些场合更为有效的激发方式。高温变率的温度循环和宽带随机振动是公认最有效的激发应力形式。加速环境试验有2种基本类型：加速寿命试验(Accelerated Life Testing)、可靠性强化试验(Reliability Enhancement Testing)。
可靠性强化试验(RET)用以暴露与产品设计有关的早期失效故障，但同时，也用于确定产品在有效寿命期内抗随机故障的强度。加速寿命试验的目的是找出产品是如何发生、何时发生、为何发生磨耗失效的。下面分别对2种基本类型进行简单阐述。
2.1  加速寿命试验(ALT)
加速寿命试验只对元器件、材料和工艺方法进行，用于确定元器件、材料及生产工艺的寿命。其目的不是暴露缺陷，而是识别及量化在使用寿命末期导致产品损耗的失效及其失效机理。有时产品的寿命很长，为了给出产品的寿命期，加速寿命试验必须进行足够长的时间。
加速寿命试验是基于如下假设：即受试品在短时间、高应力作用下表现出的特性与产品在长时间、低应力作用下表现出来的特性是一致的。为了缩短试验时间，采用加速应力，即所谓高加速寿命试验(HALT)。
加速寿命试验提供了产品预期磨损机理的有价值数据，这在当今的市场上是很关键的，因为越来越多的消费者对其购买的产品提出了使用寿命要求。估计使用寿命仅仅是加速寿命试验的用处之一。它能使设计者和生产者对产品有更全面的了解，识别出关键的元器件、材料和工艺，并根据需要进行改进及控制。另外试验得出的数据使生产厂商和消费者对产品有充分的信心。
加速寿命试验的对象是抽样产品。
2.2  可靠性强化试验(RET)
可靠性强化试验有许多名称和形式，如步进应力试验、应力寿命试验(STRIEF)、高加速寿命试验(HALT)等。RET的目的是通过系统地施加逐渐增大的环境应力和工作应力，来激发故障和暴露设计中的薄弱环节，从而评价产品设计的可靠性。因此，RET应该在产品设计和发展周期中最初的阶段实施，以便于修改设计。
国外可靠性的有关研究人员在80年代初就注意到由于设计潜在缺陷的残留量较大，给可靠性的提高提供了可观的空间，另外价格和研制周期问题也是当今市场竞争的焦点。研究证明，RET不失为解决这个问题的最好方法之一。它获得的可靠性比传统的方法高得多，更为重要的是，它在短时间内就可获得早期可靠性，无须像传统方法那样需要长时间的可靠性增长(TAAF)，从而降低了成本。
RET的目的是要引起失效，因此它是破坏性试验，试样数量尽可能少。进行RET
的理想时间是在设计周期的末期，此时设计、材料、元器件和工艺等都准备就绪，而生产尚未开始。通常RET的做法是施加预定的环境应力和工作应力(单独加、顺序加或同时加)，从小量级开始，然后逐步增加直到出现以下3种情况：
全部试样失效；
应力值大大超出服役期望值；
出现非相关失效。
非相关失效是指服役中不可能出现的失效模式。
可靠性强化试验也是针对少量抽样产品进行的。
2.3  其它类型加速环境试验
可靠性试验还包括可靠性统计试验，即可靠性鉴定试验和可靠性验收试验。基于加速环境的可靠性统计试验(即加速可靠性鉴定试验和加速可靠性验收试验)是加速环境试验亟待解决的一个问题。该问题的核心是通过高量级的加速环境试验数据去评估试样在低量级的服役环境中的可靠性水平。在产品的全寿命周期管理中，它们的功能在一定条件下可以由前述2种加速环境试验来实现。
3  加速环境试验在产品全寿命
  周期管理中的应用
    在产品的设计、研制、生产和使用直至寿命末期整个寿命周期内，其可靠性的设计、改进、评估都离不开环境试验手段，而加速环境试验在产品的设计、研制和生产中是实现产品的可靠性增长和确定、评估产品可靠性水平的重要手段。
图1示出了加速寿命试验和可靠性强化试验以及在此两种试验中交叉进行的环境应力筛选是如何溶进产品设计、研制和生产过程的。在线工序用长方形表示，是设计和生产周期的组成部分。它们是用真实产品的试样来进行试验。而线外工序不是设计、研制和生产周期的组成部分，通常不用真实产品的试样，而是用代表原材料、元器件或者工艺方法的通用件进行试验。

图1  各种加速试验和产品设计与生产周期的关系

根据市场需求和用户的要求确定产品之后，就可初步设计好产品雏形。此时一般需要对元器件和原材料进行选择，选择代表试样进行加速寿命试验，从而确定所选择的元器件和原材料。产品设计完成并制造试样后就可以进行可靠性强化试验(RET)，以实现可靠性增长。这将是一个逐步清除设计上的薄弱环节的过程，同时，可以对材料和工艺方法进行加速寿命试验，为产品的正式生产奠定基础。这是一个反复的过程，即是一个试验——分析改进——试验的循环过程。为了确定产品的有效寿命，需要对产品的抽样进行加速寿命试验(ALT或HALT)，同时加速寿命试验还将为ESS提供必要的有关产品的数据。在清除了设计上的缺陷及薄弱环节之后，产品可以正式批量生产。环境应力筛选方案可以根据ALT(或HALT)确定的极限来确定。以最为有效的温度循环和宽带随机振动为例，两端的温度应该比工作极限约低20%，用在生产中的ESS振动量级应该约为振动破坏极限的50%。在确定了试验剖面后，便应该对几个(一般至少3个)试样进行筛选方案的验证(POS)，以证实筛选既不造成缺陷，又不消耗掉很多有效寿命。
通过筛选的产品可以出厂，没有通过筛选的产品在经过纠正后同样可以出厂，因为筛选并没有过多地降低产品的有效寿命，只是检测到了在制造过程中引入的缺陷。
应该指出的是，何时进行何种试验并没有严格的界线，如环境应力筛选可能会在可靠性强化试验中进行，不过此时所进行的环境应力筛选目的是对试样进行筛选、老炼、排除产品试样的早期故障，使其故障率趋于稳定，而不让早期故障在可靠性强化试验中暴露，造成不必要的浪费。另外，并不是所有的加速环境试验都是必需的，如可靠性强化试验所提供的信息，在承制方及订购方的共同认可下，是可以完成加速可靠性鉴定试验的功能的，而环境应力筛选(或高加速应力筛选)亦能实现加速可靠性验收试验的要求。
产品在使用过程中所获得的数据对于产品的可靠性增长也是相当有用的。同样的产品在不同的环境条件下使用，可能会表现为不同的可靠性量值，故产品的可靠性必须在真实的使用环境中或者在模拟的真实环境条件下验证，才能获得准确的可靠性数据。因此，应该重视在使用中反馈的信息，与以前的试验进行分析比较，对于改进试验方法、进一步提高产品的可靠性都有重要的意义。
总之，可靠性管理是贯穿于产品全寿命周期的一项工程，也是增强产品的市场竞争力的保证。
加速环境试验已应用于通讯、电子、电脑、能源、汽车等工业部门，并且在航空、航天、军工方面的应用也得到了迅速的发展。据报道，惠普、福特、波音等国际知名企业已相继采用可靠性强化试验技术进行新产品研制的可靠性增长试验，并由此获得高可靠性，缩短产品研制周期，取得了明显的经济效益。我国有关研究机构也对此进行了研究，加速环境试验将成为可靠性试验的补充和发展。

 

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