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详解寿命试验技术如何工作?

2019-11-07 10:50
可靠性杂坛
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为评价产品寿命特征的试验,叫作寿命试验。寿命试验是研究产品寿命特征的方法,这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。寿命试验也是可靠性试验中最重要最基本的项目之一,它是将产品放在特定的试验条件下考察其失效(损坏)随时间变化的规律。通过寿命试验,借助寿命-应力关系模型,可以了解产品的寿命特征、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。结合失效分析,可进一步弄清导致产品失效的主要失效机理,作为可靠性设计、可靠性预测、改进新产品质量和确定合理的筛选、例行(批量保证)试验条件等的依据。如果为了缩短试验时间,可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法进行试验,即加速寿命试验。寿命试验可以对产品的可靠性水平进行评价,并通过质量反馈来提高产品的可靠性水平。

寿命试验是在生产过程比较稳定的条件下,剔除了早期失效产品后进行的试验,通过寿命试验可以了解产品寿命分布的统计规律。寿命试验可以划分为多种:按任务条件可分为存储寿命试验、工作寿命试验;按施加应力可分为长期寿命试验、加速寿命试验;按数据处理方式可分为定时截尾试验、定数截尾试验。

存储寿命试验

在规定的环境条件下进行非工作状态的存放试验,称为存储寿命试验。

存储环境是指产品在存储过程中所能遇到的环境,是存储过程中影响产品的诸多因素的总和,按性质可分为自然存储环境与人工存储环境;按场所可分为库房环境、棚库环境、露天环境等。存储中对产品产生影响的因素主要有温度、湿度、霉菌、气压、腐蚀介质等,其中以温度和湿度的影响最大。

存储寿命试验条件通常为室内、棚下、露天等,因此存储的环境试验方法又称天然暴露试验。对于不可修产品,存储寿命是指在规定的条件下存储时,从开始存储到失效的存储时间;对于可修产品,存储寿命是指从开始存储到不可修复为止的存储时间。

存储寿命试验一般需要较多的试验样品和长期的观察测量,才能对产品做出较好的预计和评价。

任何产品都有其一定的寿命,无论是处于存储状态还是工作状态。在整个寿命周期内,都要经历从诞生到存储、运输、待命、工作到失效的过程。在存储过程中,影响产品可靠性的因素有很多,除有环境因素的影响外,存储时间、存储方式等也都会对其造成影响。在每个过程当中,产品所处的环境不同,存储的时间也不同。

为保证产品的可靠性,就必须保证产品在任何过程中都能完成规定的动作而不失效。绝大部分的产品都是处于工作阶段的,其可靠性与工作环境、工作时间有密切的联系。但对于一些特殊的产品,例如电子系统电子器件、航天用电子器件,其使用时间是远远短于存储时间的,所以工作可靠性与存储时间和环境有很大关系。对这一类的特殊产品而言,存储时间和环境就成为研究其可靠性的一项重要指标。随着科学技术的高速发展,产品更新换代的周期越来越短,因而需要在较短时期内获得产品的可靠性指标和寿命等信息。但通常的存储寿命试验方法要耗费大量的试验时间、人力和物力,并且由于产品更新换代等问题,长时间存储寿命试验后得出的结果可能已经失去了实际意义。因此,为了缩短试验时间,需要进行加速存储寿命试验。

加速存储寿命试验是一种在不改变产品在实际存储条件下的失效机理,在不增加新的失效机理的前提下,用加大存储环境试验应力的方法加速产品失效,根据其试验结果预计正常存储环境应力下产品的存储寿命,或在一个相对短的时间内获得失效率数据的技术。

工作寿命试验

产品在规定的条件下施加规定应力的试验,称为工作寿命试验。

工作寿命试验提供产品在工作状态下的可靠性特征参数。由于工作寿命试验比较符合产品的实际使用情况,所以其试验结果是产品可靠性的主要指标之一。工作寿命试验分为间歇工作寿命、稳态工作寿命试验,其中稳态工作寿命试验又分为静态工作寿命、动态工作寿命试验两种。

间断工作寿命试验是对产品间断地施加应力,使产品受到“开”和“关”之间周期变化的电应力,来加速产品内部物理、化学反应过程,而这种周期变化的电应力又导致产品和外壳温度的周期变化,最终得到测定产品的典型失效率或证实产品的质量或可靠性。

稳态工作寿命是验证承受规定条件的产品在整个工作时间内的质量或可靠性。在额定工作条件下持续施加额定应力而进行寿命试验,其试验时间应足够长,以保证其结果不具有早期失效或“初期失效”的特征,在寿命试验期间还应进行观察,以监视失效率是否随时间有显著变化。如果用稳态寿命试验来评定产品的基本能力或对产品进行鉴定试验,以确保产品以后能用于高可靠场合,就应选择适当的试验条件,如电输入、负载和偏置以及相应的最高工作温度或试验温度或其他规定的环境条件代表产品的最大工作额定值或试验额定值。静态工作寿命试验指产品进行稳态寿命试验时无信号输入,动态工作寿命试验则指产品进行稳态寿命试验时有信号输入。

加速寿命试验

加速寿命试验是指采用加大应力的方法促使样品在短期内失效,以预测在正常工作条件或储存条件下的可靠性,但不改变受试样品的失效机理。

按照试验时施加应力的方式,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是指样品在试验期间所承受的应力保持不变;

步进应力加速寿命试验是指样品在试验期间所承受应力按一定时间间隔阶梯式地增加,直至样品产生足够的退化为止;

序进应力加速寿命试验是指样品在试验期间所受应力按时间等速增加,直至样品产生足够的退化为止。

加速寿命试验可以大大缩短正常应力寿命试验所需时间,节省了人力和设备,这是它的优点。但是,加速寿命试验也有它的局限性。

1.它是一种破坏性试验,因而只能抽取小部分样品进行试验。当然,从统计观点来看,它是足以代表该产品的可靠性水平的,但是却存在一个置信度的问题。

2.对于那些比较复杂的器件,如集成电路,实际上起主导作用的失效机理往往是复杂的,甚至有些是事先无法预知的,如果用单一的加速变量来进行加速,其结果是不够全面的;同时,在失效机理不太明朗的情况下,采用加速外推的方法,其结果必然带来大的误差。也就是说,对于具有多种失效机理的产品,理想的加速寿命试验是难以实现的。

3.加速寿命试验只考虑了试验的加速性方面,而没有考虑元器件的应用问题。实际上,用户把这类器件用在设备上,预期保存和运用时间很长。因此,对于元器件制造者和用户来说,在正常应力或使用应力下的长期寿命试验也是必须的和重要的,因为它能真实反映元器件在使用条件下的寿命特性。

4.加速寿命试验的基本假设是在高应力条件下的失效机理与在正常应力条件下的失效机理相同。此外试验数据分析需要选择或假定应力与寿命之间的函数关系。实际上,高应力可能会引入在正常条件下不会发生的新的失效模式,当有几种不同应力共同作用时,各种失效模式对应应力有不同的敏感性,以致各失效模式的发生概率会随应力的改变而改变。也就是说,加速寿命试验的基本假设通常是很难保证的。、应力-寿命关系模型有潜在的多样性、复杂性。试验条件也是千变万化的。由加速寿命试验所估计的寿命与在现场观察到的寿命可能差别很大,有可能差别达到一个数量级甚至更大。因此,除非试验条件与现场使用条件很接近且试验数据的分析和建模恰当,否则从加速寿命试验数据外推所估计的可靠性只能看作是固有可靠性的一种近似,不应看作为现场可靠性指标。虽然存在局限性,但并不影响加速寿命试验的有用性。


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