基于可靠性预计法的加速寿命试验案例

广东科鉴检测工程技术有限公司

2020/10/22 16:57

基于可靠性预计法的加速寿命试验案例

近日，科鉴实验室公众号不少读者反馈看完试验简介后仍对电子产品加速试验存在疑惑，提出不清楚加速寿命要如何实施、加速因子如何选取等问题，本文以某型数字诊疗装备电路板为例，结合可靠性预计法，从加速因子的简介、加速因子的求解到整机加速因子推导流程归纳，并给出电子产品加速因子评估案例，为读者实施加速寿命试验提供参考。

1 概述

在本文中，先依据GJB/Z 299C-2006电子设备可靠性预计手册，对某型数字诊疗装备电路板进行加速预计。GJB/Z 299C针对在正常工作条件下工作的电子设备开展可靠性预计工作，总共包括两种预计方法，分别为：适用于设备研制阶段的元器件应力分析可靠性预计法和适用于产品研制初步设计阶段的元器件计数可靠性预计法。目前，该数字诊疗装备核心电路板属于研制定型阶段，故选用元器件应力分析可靠性预计法进行加速预计，给出加速应力及加速因子。

2 术语和定义

1）元器件基本失效率

元器件在电应力和温度应力作用下的失效率，是元器件未计其质量控制等级、环境应力、应用状态、性能额定值和种类、结构等影响因素，仅计温度和电应力比（工作电应力/额定电应力）影响时的失效率。基本失效率通常用温度（T）和电应力比（S）对元器件失效率影响的关系模型来表示。

2）元器件工作失效率

元器件在应用环境下的失效率。除个别元器件类别外，工作失效率都包含基本失效率和温度、电应力之外的元器件质量控制等级、环境应力、应用状态、性能额定值和种类、结构等失效率影响因素。即，通常由基本失效率乘以上述各因素的调制系数来表示。

3）环境类别

依据电子设备使用时遇到的气候条件、机械条件、生物条件、化学活性物质以及机械活性物质等的特点及其相似的程度对环境进行划分，形成环境类别。

4）环境系数

不同环境类别的环境应力（除温度应力外）对元器件失效率影响的调整系数。

5）元器件质量等级

元器件装机使用之前，按产品执行标准或供需双方的技术协议，在制造、检验及筛选过程中其质量的控制等级。

6）质量系数

不同质量等级对元器件工作失效率影响的调整系数。

3 电子整机加速建模

加速系数是产品在正常应力水平下达到某一失效概率所经历的试验时间，与产品在加速应力水平下达到相同失效概率所经历的试验时间之比。那么对于服从指数分布的电子产品，失效率为常数，其失效概率函数为：

假设在正常应力水平下的某元器件的失效分布函数为，失效率为，为失效概率达到的时间，即，又设该元器件在加速应力水平下的失效分布函数为，失效率为，为失效概率达到的时间，即。根据加速系数的定义，则：

而根据基本可靠性的串联模型，各个单元的失效率等于包含的所有元器件失效率之和，产品的失效率等于各个单元的失效率之和：

因此，产品在高温条件下的加速因子为：

式中：

——在正常应力水平下第个组成单元的失效率；

——在加速应力水平下第个组成单元的失效率；

——在正常应力水平下产品的失效率；

——在加速应力水平下产品的失效率；

——组成产品的单元数。

根据以上的推导可知，受试样机在指标条件下的失效率，与其在传统可靠性试验剖面下的失效率之比，即为在不同环境应力水平下应用应力分析方法确定加速系数。

根据相关标准可知每类器件的失效率模型和参数，通过利用整机的元器件信息开展2轮可靠性预计，可分别得到高温下的电子设备可靠性失效率和常温下的电子设备失效率，从而得到电子设备的加速因子，加速因子评估方法流程见图1。

图 1 电子整机加速因子评估方法流程

4 元器件应力分析可靠性预计

4.1 加速环境与基准确定

本次加速试验样品为数字诊疗装备核心电路板，该电路板属于10℃ ~ 35℃常温设备，使用在医院实验室内。由此，可确定环境类别属于地面良好，符号GB，对应，正常工作环境温度25℃。依据数字诊疗装备核心电路板元器件详细清单信息，考虑到选用的器件最小的高温极限为85℃，为保障试验施加应力不超过产品破坏应力的极限，同时尽可能使加速因子增大，压缩试验时间，初步拟确定加速应力为高温80℃，作高温加速试验。

4.2 工作失效模型

GJB/Z 299C给出的元器件工作失效率预计模型（以半导体芯片为例）：

其中，是工作失效率，单位10^-6/h；是环境系数；是质量系数；C1及C2是电路复杂度失效率，单位10^-6/h；C3是封装复杂度失效率，单位10^-6/h；是温度应力系数；是电压应力系数；是测试系数。

针对数字诊疗装备核心电路板，，实验室加速环境只添加温度应力，对元器件进行分析得到C1是C2 和C3的10-30倍，通过公式简化得到适用数字诊疗装备核心电路板的元器件工作失效率简化预计模型：

正常工作温度：25℃，有：

实验室加速温度：80℃，有：

λ_P80_℃=π_QC₁π₈₀_℃π_Vπ_L

通常情况下，元器件加速因子：

考虑到元器件的加速效应可用其在不同温度应力下失效率的商来表达，大量非温度应力相关系数可以相约掉，最后仅与温度应力相关。元器件失效率的数量级主要与基本失效率相关，因此，可以将元器件失效率简化为基本失效率和温度系数函数的乘积为表达，实际上温度应力系数中隐含这加速模型，采用现代理论加速模型方法，并利用各类元器件的激活能参数，这样能够更加简洁和快速地计算出元器件在典型工作环境和加速工作环境下的失效率，从而快速评估出元器件的加速系数：

其中：是各元器件激活能，单位eV；

k为波尔兹曼常数，8.62 × 10^-5 eV/ K。

对于一个元器件，其加速应力下的失效率可以表达为：

将每一个元器件的失效率带入整机模型，则可以进一步推算出整机加速因子：

4.3 加速因子详细计算

数字诊疗装备核心电路板实验室加速因子详细计算方法见表1，最终确定实验室加速因子为39.487。再根据客户需求验证核心电路板寿命≥1年，即实验室等效运行时间365天（1年）。由计算加速因子39.487，可计算出实际在80℃试验时间不低于9.3天。

表1 加速因子计算方法简表

序号	元器件名称	器件数量	加速系数	综合Ea	25℃工作失效率	80℃工作失效率
板卡名称：高压控制板
1	直流固态继电器	1	9.083399409	0.364	0.0218	0.198018107
2	继电器	1	9.083399409	0.364	0.0218	0.198018107
3	高压干簧继电器	3	9.083399409	0.364	0.0654	0.594054321
4	电阻	1	11.57578453	0.404	0.0025	0.028939461
5	电阻	2	11.57578453	0.404	0.005	0.057878923
6	电阻	2	11.57578453	0.404	0.005	0.057878923
7	电阻	1	11.57578453	0.404	0.0025	0.028939461
8	电阻	2	11.57578453	0.404	0.005	0.057878923
9	接插件	1	11.93199842	0.409	0.0002	0.0023864
10	瞬态抑制二极管	1	11.93199842	0.409	0.0002	0.0023864
11	三极管	1	43.13342158	0.621	0.0054	0.232920477
12	发光二极管	2	11.93199842	0.409	0.006	0.071591991
13	排线插座	1	11.57578453	0.404	0.0002	0.002315157
14	排线插座	1	11.57578453	0.404	0.0002	0.002315157
15	接插件	1	11.57578453	0.404	0.0002	0.002315157
16	接插件	1	11.57578453	0.404	0.0002	0.002315157
板卡名称：主控制卡
1	CPU	1	51.73571166	0.651	0.01428	0.738785963
2	Flash	1	51.73571166	0.651	0.03078	1.592425205
3	芯片	2	51.73571166	0.651	0.06156	3.18485041
4	接插件	3	11.57578453	0.404	0.0006	0.006945471
5	芯片	3	51.73571166	0.651	0.09234	4.777275615
6	芯片	3	51.73571166	0.651	0.09234	4.777275615
7	芯片	5	51.73571166	0.651	0.1539	7.962126025
8	接插件	1	11.57578453	0.404	0.0002	0.002315157
9	电阻	2	11.57578453	0.404	0.005	0.057878923
10	电阻	1	11.57578453	0.404	0.0025	0.028939461
11	电阻	1	11.57578453	0.404	0.0025	0.028939461
12	电阻	10	11.57578453	0.404	0.025	0.289394613
13	电阻	10	11.57578453	0.404	0.025	0.289394613
14	电阻	2	11.57578453	0.404	0.005	0.057878923
15	电阻	1	11.57578453	0.404	0.0025	0.028939461
16	电阻排	5	11.57578453	0.404	0.0125	0.144697307
17	电阻排	5	11.57578453	0.404	0.0125	0.144697307
18	电阻排	2	11.57578453	0.404	0.005	0.057878923
19	精密多圈电位器	2	37.06808461	0.596	0.72	26.68902092
20	电阻	1	11.57578453	0.404	0.0025	0.028939461
21	电容	1	19.4961916	0.490	0.00404	0.078764614
22	电容	51	19.4961916	0.490	0.20604	4.016995316
23	电容	9	19.4961916	0.490	0.03636	0.708881526
24	电容	1	19.4961916	0.490	0.00404	0.078764614
25	钽电容	2	19.4961916	0.490	0.0224	0.436714692
26	电解电容	1	19.4961916	0.490	0.0255	0.497152886
27	圆柱晶振	1	11.57578453	0.404	0.01	0.115757845
28	蜂鸣器 5V	1	11.57578453	0.404	0.004264	0.049359145
29	发光二极管(红)	3	11.93199842	0.409	0.009	0.107387986
30	三极管	1	43.13342158	0.621	0.0054	0.232920477
31	三极管	1	43.13342158	0.621	0.0054	0.232920477
32	瞬态抑制二极管	1	11.93199842	0.409	0.009297	0.110931789
33	直插式按键开关	1	11.57578453	0.404	0.0061	0.070612286
34	时钟芯片	1	51.73571166	0.651	0.03078	1.592425205
35	施密特触发器	4	51.73571166	0.651	0.12312	6.36970082
36	电压转换器	1	51.73571166	0.651	0.03078	1.592425205
37	4光电耦合器	5	51.73571166	0.651	0.1539	7.962126025
38	三端稳压器3V	1	51.73571166	0.651	0.03078	1.592425205
39	运放	2	51.73571166	0.651	0.06156	3.18485041
40	运放	1	51.73571166	0.651	0.03078	1.592425205
41	DC/DC变换器	1	51.73571166	0.651	0.164	8.484656713
42	扁平电缆插头座	1	11.57578453	0.404	0.0002	0.002315157
43	扁平电缆插头座	1	11.57578453	0.404	0.0002	0.002315157
44	扁平电缆插头座	1	11.57578453	0.404	0.0002	0.002315157
45	4线接插件	3	11.57578453	0.404	0.0006	0.006945471
46	5线接插件	2	11.57578453	0.404	0.0004	0.004630314
48	纽扣电池座	1	11.57578453	0.404	0.0002	0.002315157
51	双排母插座	8	11.57578453	0.404	0.0016	0.018521255
失效率合计					2.319141	91.57630706
加速因子：		39.487

5 总结

可靠性加速试验方案多种多样，如时间压缩加速，应力法加速等等，具体选取何种方法试验，加速因子如何确定，要结合产品实际情况进行分析及验证。本文给出单应力的高温加速试验，并采用可靠性预计方法来确认加速因子，希望能让读者更多地了解可靠性加速试验。

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