什么是加速寿命试验
加速寿命试验是用加大试验应力(诸如热应力、电应力、机械应力等)的方法,激发产品在短时间内产生跟正常应力水平下相同的失效,缩短试验周期,但不改变受试样品的失效分布。然后运用加速寿命模型,评估产品在正常工作应力下的可靠性或寿命特征。加速试验是近年来快速发展的一项可靠性试验技术。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。
测试方法以及试验应力:
按照试验应力的加载方式,加速寿命试验通常分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验三种基本类型,如图所示。它们分别表示了三种基本加速寿命试验的应力加载历程。
(1)恒定应力试验(Constant-Stress Testing: CST)
其特点是对产品施加的“负荷”的水平保持不变,其水平高于产品在正常条件下所接受的“负荷”的水平。试验是将产品分成若干个组后同时进行,每一组可相应的有不同的“负荷”水平,直到各组产品都有一定数量的产品失效时为止。恒定应力试验的应力加载时间历程见图 1(a)。
(2)步进应力试验(Step-Up-Stress Testing: SUST)
此试验对产品所施加的“负荷”是在不同的时间段施加不同水平的“负荷”,其水平是阶梯上升的。在每一时间段上的“负荷”水平,都高于正常条件下的“负荷”水平。因此,在每一时间段上都会有某些产品失效,未失效的产品则继续承受下一个时间段上更高一级水平下的试验,如此继续下去,直到在最高应力水平下也检测到足够失效数(或者达到一定的试验时间)时为止。步进应力试验的应力加载时间历程见图 1(b)。
(3)序进应力加速寿命试验(Progressive Stress Testing:PST)
序进应力试验方法与步进应力试验基本相似,区别在于序进应力试验加载的应力水平随时间连续上升。图 1(c)表示了序进应力加载最简单的情形,即试验应力随时间呈直线上升的加载历程。
加速寿命试验应用前提要求:
若加速寿命与实用寿命的失效模式相同,即可运用加速寿命试验。但实际上,有时失效模式相同,失效机理(Mechanism)却不同,或即使失效机理亦相同,但失效判定条件或使用条件变动的话,加速性就变化。在长期的研发改进过程中,产品的设计或制造方法都可能发生变化,顾客的使用条件方可能发生变化;或是以规定的技术方法所生产的产品,也因存在无法控制的因素影响,造成失效机构的改变,这些都可能造成无法利用加速寿命试验。
如,电子管的寿命满足Arrhenius的关系式,所以可提高阴极温度,实施加速寿命试验。如,电视机用布朗管若使阴极温度成为额定值的100%,可实施加速因子为2.2倍至3倍的加速寿命试验。但不论是阴极温度低于额定,或不从阴极取电流而使用电子管时,都会显著减短寿命。两者之失效模式都是电子放射不良,但其间的差异在于失效机理不同。电子管常因阴极活性物质的减少而使电子放射特性劣化,但阴极温度减低的话,管内不纯气体的作用亦会使电子放射特性劣化;若不取电流而动作的话,阴极内部生成的中间层化合物电阻增大,亦使电子放射特性劣化,所以即使判定寿命的失效模式相同,失效机理也不同。故电子管须检讨实际使用时阴极温度的偏差、间歇动作等条件,才能决定实施加速寿命试验之方法。
除了以上所提的问题外,在规划加速寿命试验时须综合考虑下列问题,才能选定加速寿命试验的条件,以决定其适用的范围:
(1)施加应力之大小不同可能形成不同的失效模式,在此种情形下,应力加速法之使用受到限制。
(2)失效发生时间与施加应力强度之间,可能因应力大小之不同或因机械操作条件不同而有不同的关系,放在加速寿命试验规划之初,就应该注意到此种应力加速适用范围的问题。
(3)可在若干不同的试验方法及不同的失效分析基准之中,选用加速因子较大的方法,以较短试验时间评估寿命的效用。
(4)产品在实地使用状况下,应力的变动大,失效发生的条件方可因使用者不同而异;或即使是反应机构相同的失效,分散亦颇不均匀,因此利用实验数据推定实际使用寿命时,应尽量指定累积失效率加以推定,以避免因数据不充足造成错误的分析。
常用的加速寿命试验加速模型有:
阿伦尼斯模型(Arrhenius)、逆幂律模型、Peck模型、艾林模型
1、阿伦尼斯模型
在加速寿命试验中用温度作为加速应力是非常普遍的,因为高温能使产品的电子元器件、绝缘材料加快化学反应,造成产品提前失效。
阿伦尼斯模型是使用较为普遍的加速试验模型,它也称为热老化模型。
2、逆幂律模型
在加速寿命试验中用电应力如电压、电流、功率作为加速应力也是非常常见的。
逆幂律模型温度变化速率与循环次数满足逆幂律模式:
3、温湿度两综合的加速模型主要有:艾琳模型和Peck模型。
实际试验过程中,高温老化用阿伦尼斯模型、温度循环加速模型用W-E模型和逆幂律模型、温度+湿度两综合应力加速模型用Peck模型和艾林模型、机械应力或电应力采用逆幂律加速模型、也有采用温度+湿度+振动三综合应力加速模型的。
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