2014 年 03 月

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江苏出入境检验检疫局机电产品检测中心

20142014 年年 0303 月月

可靠性试验及设计

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目录目录可靠性

可靠性的历史渊源

可靠性试验

可靠性试验设计

3一

3二

3三

3四

3五加速寿命试验

环境应力对产品的影响

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可靠性

• 在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力（ GJB451\GB6583 ）。

• 产品在给定时间内、给定条件下完成所需功能而不出现失败的概率（ AGREE ）。

• 系统及其组成部分在无故障、无退化或不要求保障系统的情况下，执行其功能的能力（美国防部）。

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可靠性

三个规定时间（寿命的一种单位）条件（使用和环境）

功能（可修复 / 不可修复、失效分类）

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一、可靠性的历史渊源

1 、 40年代，萌芽时期，电子管（雷达、通讯） ——运输到远东后， 60%失效 ——储存期间， 50%失效采用新材料和新工艺发展质量控制和检验统计

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2 、 50年代，兴起和形成时期 1952年，电子设备可靠性咨询组（ AGREE） 1957年发表研究报告“军用电子设备可靠性” ——9 个方面阐述了可靠性设计、试验和管理等的程序和方法

——确定了美国可靠性工程发展的方向，标志着可靠性工程成为一门独立的学科

——发展的里程牌，一份奠基性文件

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3 、 60年代，全面发展，贯彻执行 ——研究报告“军用电子设备可靠性”被接受

——形成了一套完善的设计、试验和管理标准

F-15A M1 卫星阿波罗登月

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4 、 70年代，成熟阶段 F-18A M1

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5 、 80年代开始，更广、深、准、细军方，可靠性要求的制度化

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——军用到民用 ——分散到集中 ——电子到非电子 ——硬件到软件 ——定性带定量 ——宏观到微观 ——单指标到多指标

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二、可靠性试验

可靠性工程 : 是为了达到产品可靠性要求而进行的有关设计、试验和生产等一系列工作。

可靠性：可靠性工程 + 可靠性管理

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• 广义地说，凡是与可靠性有关的试验都可以称为可靠性试验。

• 为考核（如例行试验）、分析（如失效分析试验）、提高（如老练和筛选试验）和评价（如寿命试验）产品的可靠性而进行的试验的总称。

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• 可靠性试验的目的是：发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷；考核产品在运输、储存和使用等情况下的的可靠性；为改善产品的完好性、提高任务成功率、减少维修保障费用提供信息；确认是否符合规定的可靠性定量要求。

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二、可靠性试验• 通常的可靠性试验，就是指室内的模拟可靠性试验。

• 试验条件必须模拟产品在运输、储存和使用时的客观条件，也就是对受试样品施加一定的应力，诸如：电气应力、环境应力、机械应力或它们的综合，在这些应力的作用下，受试样品反映出其性能是否稳定，结构状态是否完整或变形，从而判定其是否失效，或者能工作多长时间。

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二、可靠性试验• 可靠性试验原理：• 就是模拟现场工作条件和环境条件，将各种工作模式和环境应力按照一定的时间比例、按一定的循环次序反复施加到受试样品上，经过失效分析和处理，将得到的信息反馈到设计、制造、材料和管理等部门进行改进，以提高产品的固有可靠性。同时通过试验的结果对产品的可靠性做出评定，作出接受（或通过）或拒收的最后判定。

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• 试验验证的可靠性与实际使用的可靠性要完全一致是不可能的。

• 可靠性试验要到达预期的结果，要特别重视：数据的积累、试验方案的调整。

• 重视：试验条件的选择、试验周期（循环）的设计和失效判定标准的确定。

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二、可靠性试验• 一般情况下，产品试验验证的可靠性与现场的使用可靠性要完全一致是难以达到的。但是只要产品的可靠性要求必须经过试验验证，则产品技术规范的与使用有关的工作可靠性要求就一定要转化为适合于可靠性实验验证的要求。

• 产品试验验证的 MTBF（平均无故障工作时间）或 λ（可靠度）值与现场使用的 MTBF或 λ 值愈接近，说明试验方案愈合理，试验结果就愈理想、成功。这个理想目标的实现必须经过多次反复。

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二、可靠性试验• 可靠性试验的分类• 按试验目的分：• ——工程可靠性试验（提高产品的固有可靠性）（包括研制过程中的可靠性增长试验、失效分析试验和筛选试验等）

• ——统计可靠性试验（评价产品可靠性水平）（包括鉴定试验、定级试验和升级试验、验收试验、可靠性维持试验、例行试验、认证试验、寿命试验和加速寿命试验等）

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•从试验方式和场所来分：• ——模拟试验（模拟现场环境或工作条件对受试样品施加应力的试验）、（包括单应力试验和复合应力试验）

• ——现场试验（在工作现场进行的试验）、（现场储存试验和现场使用试验）

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•从施加应力大小来分：• ——破坏性试验（使良品样品产生结构缺陷的试验）

• ——非破坏性试验（如一个试验连续进行 5 次，受试样品性能未发生变化）

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•按施加应力的类别来分：• ——环境应力试验（含气候环境试验和辐射环境试验）

• ——机械应力试验• ——电应力试验• ——湿度应力试验• ——特殊应力试验等

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• 四种基本应力：• ——电应力（ 10%-20%）• ——温度（高温、低温和循环）• ——振动（扫频振动和随机振动）• ——潮热

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三、可靠性试验设计

• 可靠性试验应按照试验对象、产品用途和试验目的，选择适当的试验方法（模拟试验、现场试验）、试验条件，并确定合理的评价标准。

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• 1 、明确设计依据（设计输入条件）• 2 、试验方法的选择• 3 、试验条件选择• 4 、样品的准备

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• 1 、明确设计依据（设计输入条件）• ——设计任务书、合同协议、指定要求• ——相关标准• ——类似产品的要求• ——其他可借鉴的资料

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• 2 、试验方法的选择• ——考核（如例行试验）• ——分析（如失效分析试验）• —— 提高（如可靠性增长、老练和筛选试验）

• ——评价（如寿命试验）

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• 3 、试验条件选择• ——样品的归类（固定 / 运动、室内外、天地海）• （ SJ/Z 2166-82 ）• ——试验条件的分类选择• ——应力强度的选择• ——应力的组合• ——试验时间

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• 4 、样品的准备• 样品的代表性和记录• 检查：振动检查（谐振点）• 热检查（稳定时间）• 老炼预处理（剔除早期失效）

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• GB/T 2423系列电工电子产品电工电子产品环境试验• GBT 2424系列电工电子产品电工电子产品环境试验规程• GB/T 4797系列电工电子产品自然环境条件• GB/T 4798系列电工电子产品应用环境条件• GBT 4796-2008 电工电子产品环境条件分类 • 第 1 部分：环境参数及其严酷程度• GBT 7288.1-1987 设备可靠性试验推荐的试验条件• 室内便携设备——粗模拟• GBT 7288.2-1987 设备可靠性试验推荐的试验条件• 固定使用在有气候防护场所设备——精模拟• GJB150.1 ～ 25军用设备环境试验方法全套

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• GJB 367A-2001 军用通信设备通用规范• GBT 13543-1992 数字通信设备环境试验方法• GBT 15844.2-1995 移动通信调频无线电话机• 环境要求和试验方法• YDT 1591-2009 移动通信终端电源适配器• 及充电∕数据接口• 技术要求和测试方法• YD-T 1539-2006 移动通信手持机可靠性技术要

求• GBT 6587-2012 电子测量仪器通用规范

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四、环境应力对产品的影响• 温度、湿度、振动、冲击等环境条件对产品的作用。

• 维持地理系统常态的各环境要素的压力、阻力、动力、能力。

• 利用环境应力，使在电子硬品在制程因较弱零组件与不良工艺等因素所造成之非设计疵病，提早暴露而被检测出来，因而得以采取修改行动或将之剔除，提高该硬品之制造质量，使之维持设计时赋予之水平。

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四、环境应力对产品的影响• 1 、温度• 高温主要失效模式• ——软化或弱化（金属、某些塑料）• ——融化（金属、某些塑料）• ——炭化（塑料、有机材料）• ——其他化学变化• ——润滑剂的粘性减少或丧失• ——交互作用，比如温度加速的腐蚀（热胀冷缩、化学反应以及

其他物理过程都会被不断升高的温度加速）• ——绝缘材料的失效导致电气短路• 一般而言，温度每升高 10-20°C，过程速率（加速因子）将

以 2 倍系数增加

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四、环境应力对产品的影响• 1 、温度•低温主要失效模式• ——塑料的脆化• ——润滑剂的粘性增加 • ——冷凝剂或冷却剂的冻结• ——电气特性的参数变化导致与器件失效

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四、环境应力对产品的影响2 、湿度和冷凝• 潮湿环境能够引起或加速像腐蚀和长霉这样的失效过

程，温度低于露点温度时，湿气即凝结在表面，液态水能够引起进一步失效，包括：

• ——化学腐蚀，如果污染也存在• ——电解腐蚀，通过提供电解液• ——电气系统的短路• ——长霉• 塑料通常是吸湿的，因此封装在塑料内的任何零部件

，原则上都会受到湿气侵入。

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四、环境应力对产品的影响• 3 、温度变化• 与高温相比，重复的温度变化带来的损伤更大，疲劳损伤或蠕变变形

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四、环境应力对产品的影响• 4 、电流• 引起导体升温（甚至融化，如保险丝），热量传递导则热损伤。

• 大电流引起元器件参数值飘移• 产生磁场，如果有振荡，还会产生噪声和机电振动，电气干扰入。

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四、环境应力对产品的影响• 5 、电压• 电压产生电流，如容量不够，导致失效（实际上还是电流的作用）

• 电弧放电，产生电磁噪声，并且逐渐损坏接触表面导致失效

• 电晕放电，由于电离，导致灰尘和其他颗粒的聚集

• 低电压不能防止氧化、污染、冷焊而失效

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四、环境应力对产品的影响• 6 、功率•元器件的稳态温度是环境温度和内部发热产生的温度的总和。

•功率应力引起元器件参数值飘移。•功率应力循环引起的热循环导致失效，并导致疲劳。

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四、环境应力对产品的影响• 7 、振动和冲击• ——由于疲劳和机械过应力而断裂• ——零部件磨损• ——紧固件松动• ——密封件磨损或接头松动导致泄露• ——噪声

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五、加速寿命实验

在进行评价产品可靠性水平的寿命试验中，人们发现器件的失效是因物理和化学反应所导致的，而应力的大小又决定这种反应的速度。由此人们开始尝试用加大相关应力的方法来加快试验的进程，从而产生了加速寿命试验(ALT)这一新技术。

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五、加速寿命实验加速寿命试验又分加速寿命试验 (ALT) 和高加速寿命试验 (HALT)。其中加速寿命试验适用于描述由磨损造成的失效机理，通常用来检验样品长期工作时间情况下产生的失效情况。高加速寿命试验适合用于发现设计缺陷，确定失效机理，描述产品裕度。当主要失效机理不是由于耗损原因引起时，最好用高加速寿命试验。

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1 、应力—寿命关系模型1 ）阿列尼乌斯模型 1880年化学家 Arrhenius 表明了化学反应过程中反应速率与反应温度的关系，它只考虑温度应力对物质的化学与物理性质变化的影响。

kTEAedt

dM / TBAeTR /)( 或

E ：温度的激活能

k ：玻尔兹曼常数

A ：待定常数

E ：温度的激活能

k ：玻尔兹曼常数

A ：待定常数

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1 ）阿列尼乌斯模型该模型下的加速因子

)2

1

1

1(/

2/

1/

)2(

)1( TTkE

kTE

kTE

eAe

Ae

TR

TR

)(/ TtTfKEExp

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1 、应力—寿命关系模型2 ）爱林模型 Eyring 实际上，很多的物理现象和化学反应过程，还与很

多非温度应力因素如电压、湿度、机械应力等密切相关。爱林模型综合了温度、湿度、电压、电流、电功率、振动等多种应力和寿命之间的关系。

210),( ffRSTR

Ro：只有温度应力时的爱林反应速率

f1：由于非温度应力存在而对能量分布调整的修正因子

f2：由于非温度应力存在而对激活能调整的修正因子

Ro：只有温度应力时的爱林反应速率

f1：由于非温度应力存在而对能量分布调整的修正因子

f2：由于非温度应力存在而对激活能调整的修正因子

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2 ）爱林模型在该模型下，只考虑非温度应力 S 时，令 S=f(g)

，则从某些材料制造的元器件的试验结果表明， f(g)可以用一恒定温度下的电压对数来表示，即：

f(g)=lnV 那么当施加相同温度应力时，爱林模型的加速系数就

表示为：

)(1

2)ln(ln 12

V

Ve

这也就是逆幂律的加速系数公式。这也就是逆幂律的加速系数公式。

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1 、应力—寿命关系模型3 ）寿命与电压关系的逆幂律模型有些元器件的寿命与电压之间符合逆幂律的关系，如某些绝缘材料、介电材料、电容器、电子管和微电机。

有些元器件的寿命与电流和电功率等也符合逆幂律的关系，

KVt

1

其中 φ只与元器件的种类有关。其中 φ只与元器件的种类有关。

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3 ）寿命与电压关系的逆幂律模型以电压为加速变量，其加速因子为

）（u

t

V

V

其中：对纸介质、塑料介质和瓷介质的电容器，如施加直流电压， φ=3～ 5 。

其中：对纸介质、塑料介质和瓷介质的电容器，如施加直流电压， φ=3～ 5 。

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1 、应力—寿命关系模型4 ）电解腐蚀寿命与湿度的关系在潮气存在下，失效机制加剧。

5.4)(% RHctm

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4 ）电解腐蚀寿命与湿度的关系在湿度下的加速因子

n

u

s

RH

RH)

%

%(

其中： n 可取 2.5-5。

其中： n 可取 2.5-5。

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5 ）快速温变下的加速因子

n

u

s

T

T)(

其中： n 可取 2-8。

其中： n 可取 2-8。

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2 、加速因子的举例1 ） PCB板加速因子——温度循环• 实际环境： 25 →55℃ ℃ （ ΔＴｆ： 30℃ ）• 7 年运作： 3360循环 (20天 / 月、 1 天 2cyc.)• 可靠性试验：• MIL STD 883 METHOD 1010• -60℃ ～ 25℃ ～ +120 (Δ℃ Ｔｔ： 180 )℃• 加速系数 :• Ａ＝（ ΔＴ t/ΔＴ f ） 2 ＝（ 190/30） 2 ＝ 36• 完成 7 年运作量所需的试验循环数 :• 3360循环 ÷36≈93循环

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2 、加速因子的举例2 ） PCB板加速因子——带电高温高湿• 实际环境： 30℃ 、 60%RH 、 5V• 5 年运作： 43200 h (1个月 720h）• 可靠性试验：Ｔ a—85℃ 、 Ha—90%RH 、 10V• 加速系数：• Ａ＝ Av×At×Ah≈130• 其中 Av=Vt/V ｆ =10/5 ＝ 2• Ah=(Ht/Hf ） 5=(90/60 ） 5≈7.6• At=exp ｛ Ea/K×(1/Tf － 1/Tt)}=exp ｛ Ea/K×(1/85 －

1/30)}≈5.7• 完成 7 年运作量的试验时间 :43200÷76≈570h

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3 、高加速寿命试验 HALT是高加速寿命试验

（ Highly Accelerated Life Test）的英文缩写。它是由美国Hobbs工程公司总裁 Gregg K. Hobbs博士首先提出来的，并在 1998年由他推出了这一名称。

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3 、高加速寿命试验 HALT是一种发现缺陷的试验 , 它通过设置逐级递增的严酷的环境应力，来加速暴露试验样品内在缺陷和薄弱点，而后对暴露的缺陷和薄弱点从设计、工艺和材料等诸方面进行分析和改进，从而达到提升可靠性的目的，最大的特点是设置高于样品设计运行极限的环境应力，从而使暴露缺陷的时间大大短于正常可靠性应力条件下的所需时间。

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3 、高加速寿命试验 HALT试验的目的是提高产品的可靠性，而不

是衡量产品可靠性的水平，属于可靠性增长试验。与只是衡量产品可靠性水平而完全不能提高产品可靠性的可靠性验证试验和评价试验相比，这种方法更积极，这也是 HALT和传统方法最主要的区别。

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3 、高加速寿命试验 HALT试验一般应用于产品开发早期。由于产品开发早期样品相对较少。为了保护HALT试验中所选的试验样本，以保证从这些样本中获得尽可能多的信息，各种应力类型的试验顺序遵守一个这样的原则：先试验破坏性比较弱的应力类型，然后再试验破坏性比较强的应力。

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3 、高加速寿命试验一个完整的 HALT试验步骤可分以下几步： • 1 、低温步进应力试验 • 2 、高温步进应力试验• 3 、快速热循环试验• 4 、振动步进应力试验• 5 、综合应力试验 • 另外为了进一步加速、暴露缺陷，有时还根据产品

各自的特点选择其它的一些应力，例如功率循环、电力开关循环、电压偏离及频率偏离等等。

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谢谢！Thank You

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