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深度干货:电子元器件加快寿命试验

  (2)通过数理统计及外推的方法,获得有效的可靠性特征数据,例如产品的失效分布、可靠度、平均寿命以及产品特性参数时间的变化等。

  (4)运用加严的环境条件和应力条件,检查元器件是否有异常分布,剔除有缺陷的早期失效的产品,即对元器件进行可靠性筛选。

  (5)通过在加严的环境条件和应力条件下的试验,确定产品能承受安全应力的极限水平。

  失效机理的一致性是指在不同应力水平下产品的失效机理保持不变。通常,失效机理的一致性是通过试验设计保证的,即要求加速寿命试验中的最高应力等级不能高于产品的破坏极限。

  失效过程的规律性是指产品和寿命之间存在一个确切的函数关系式,即加速模型。

  失效分布的同一性是指在不同的应力水平下产品的寿命服从同一分布,这是寿命数据统计的基本前提。

  按照试验时施加的应力方式,加速寿命试验可分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验。

  恒定应力加速寿命试验如图1所示,简称恒加试验。图中,t 表示试验时间,S 表示试验应力,×表示样品失效。试验过程中,选定一组高于正常应力水平 S0 的加速应力水平S1<S2<…<Sk,将一定数量的样品分为 k 组,每组样品在彼此独立的应力水平下进行寿命试验,直到各组均有一定数量的样品发生失效为止。

  步进应力加速寿命试验如图 2所示,简称步加试验。步加试验是选定一组高于正常应力水平 S0的加速应力水平 S1<S2<…<Sk,试验开始时,先将一定数量的样品置于 S1应力下进行试验。经过 t1时间,把应力提高到 S2,把在 S1应力下未失效的样品在 S2应力下继续进行试验;如此重复下去,直到在Sk应力下有一定数量的样品发生失效为止。

  序进应力加速寿命试验如图 3所示,简称序加试验。序加试验施加的应力水平随时间连续变化,最简单的就是图 1-8 所示的线性上升,此外还有许多复杂的应力施加方式,如循环应力、弹簧应力、三角函数应力等。序加试验的特点是应力变化快,失效也快,因此序加试验需要专用设备跟踪和记录产品失效。

  根据加速寿命试验的假设:产品在正常应力水平和加速应力水平下的失效机理不变。加速寿命试验中选择的加速应力要求能加速产品的失效,但同时不能改变失效机理,一旦改变了失效模式,就失去了加速寿命试验的基础。

  应力的选择对试验的加速效率影响很大,一般应根据产品的失效机理与失效模式来选择加速应力。加速寿命试验中常用的应力有温度、湿度、振动、压力、电应力、温度循环等,这些应力既可以单独使用,也可以多种组合使用。

  加速系数的定义:产品承受的加速应力为S,在第i级加速应力水平为Si,正常应力水平记为S0,在Si、S0下,可靠度值为R时,产品的寿命分别为tR,i,tR,0,则时间比

  加速系数是加速寿命试验的一个重要参数,它是加速应力下产品某种寿命特征值与正常应力下寿命特征值的比值,也可称为加速因子,是一个无量纲数。加速系数反映加速寿命试验中某加速应力水平的加速效果,即加速应力的函数。

  加速寿命的基本思想是利用高应力下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征。实现这个基本思想的关键在于建立寿命特征与应力水平之间的关系,这种寿命特征与应力水平之间的关系就是通常所说的加速模型,又称加速方程。寿命特征与应力之间的关系常是非线性的,但可以通过对寿命数据或应力水平进行数学变换,如对数变换、倒数变换等,有可能将其转换为线性的。

  应力与寿命是密切相关的,应力的种类与水平是决定产品寿命的重要因素。应力及其水平选择得是否恰当,将决定试验能否达到预期的目标。因此,有必要研究它们之间的关系。

  产品的寿命与应力之间的关系是以一定的物理模型为依据的。常见的物理模型有失效率模型、应力与强度模型、最弱链条模型和反应速度模型等。

  失效率模型将失效率曲线划分为早期失效、随机失效和磨损失效 3 个阶段,并将每个阶段的产品失效机理与其失效率相联系起来。

  应力与强度模型是研究实际环境应力与产品所能承受强度的关系。应力与强度均为随机变量,因此,产品的失效与否将取决于应力分布和强度分布。随着时间的推移,产品的强度分布将逐渐发生变化。应力分布与强度分布一旦发生了干预,产品就会出现失效。

  最弱链条模型是基于产品的失效是发生在构成产品的诸因素中最薄弱的部位这一事实而提出来的。

  反应速度模型反映了反应速度与温度的关系。在可靠性试验中通常应用的阿伦尼斯模型和艾林模型,都属于这一类。它们同时也是加速寿命试验实现外推正常应力下寿命特征的依据。

  阿伦尼斯模型是在大量的化学反应数据基础上总结出来的,它表明了化学反应过程中反应速率与反应温度的关系。阿伦尼斯模型表示为

  材料、产品的微量化学物理变化,将引起产品特性参数的退化,当其中特性参数退化到某一极限值时,产品就会失效,而退化所经历的时间就是产品的寿命。实践证明,寿命与温度T之间的关系是符合阿伦尼斯模型的,这时,可将阿伦尼斯模型进行如下变换:

  这是一个线性方程,R(T)是方程的斜率,反映了参量 D 随时间 t 的变化速率,即产品的退化率。R(T)是一个与温度有关的量,当温度一定时,它是一个常数。

  这个假设说明,对于元器件的某个参量,如果通过某些变换能使其随时间变化的规律符合假设的要求,那么就可以应用阿伦尼斯模型来描述其寿命过程。

  式中,τ就是加速系数,它反映了施加不同应力时,产品寿命相对变化的倍数。显。

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