MTBF(平均故障间隔时间)加速模型是通过施加更高强度的环境应力(如温度、电压、湿度等),在短时间内模拟产品长期使用中的失效行为,
从而快速评估其可靠性的数学工具。以下从模型分类、适用场景、选择依据及工具支持等方面进行综合解析:
MTBF加速模型分类及具体展开
1. 温度模型
阿伦尼斯模型(Arrhenius Model)
公式:
:激活能(eV),需通过实验或文献确定(如硅器件 )。
:绝对温度(Kelvin),加速试验中常选取高温(如125℃)与常温(如25℃)对比。
应用步骤:
在高温 和 下进行寿命试验,记录失效时间 。
计算加速因子 。
推算常温寿命:。
科芬-曼森模型(Coffin-Manson Model)
公式:
:温度变化幅度(如-40℃至85℃), 为材料常数(焊点通常 )。
应用步骤:
设定温度循环条件(如循环次数、速率)。
通过加速试验得出失效循环次数 。
外推实际使用条件下的寿命(如汽车电子温度循环次数)。
2. 电压/电流模型
逆幂律模型(Inverse Power Law)
公式:
:施加电压(如额定电压的1.5倍), 为电压敏感因子(需通过实验拟合)。
应用步骤:
在多个电压水平(如12V, 15V, 18V)下测试失效时间。
拟合 值(对数坐标下斜率)。
通过加速因子 计算实际寿命。
3. 湿度模型
劳森模型(Lawson Model)
公式:
:相对湿度(如85%加速条件 vs. 40%使用条件)。
应用步骤:
在高温高湿(如85℃/85%RH)下测试。
分离温湿度影响,分别计算加速因子后叠加。
4. 综合应力模型
艾琳模型(Eyring Model)
公式:
:非热应力(如电压、振动)。
应用步骤:
设计多应力组合试验(如温度+电压+湿度)。
通过正交实验法确定各应力对寿命的影响权重。
关键参数获取方法
激活能 :
通过不同温度下的失效数据拟合阿伦尼斯曲线斜率。
行业经验值(如电解电容 )。
电压敏感因子 :
在双对数坐标系中,寿命与电压的线性斜率即为 。
试验设计实例
案例:电源模块MTBF评估(逆幂律模型)
加速条件:
额定电压 ,测试电压 。
试验数据:
在36V下,平均失效时间 。
拟合 。
计算:
。
。
模型验证与误差控制
一致性检验:
对比加速试验与实际使用失效模式(如SEM分析焊点裂纹)。
置信区间修正:
使用威布尔分布或对数正态分布计算MTBF的90%置信下限。
工具操作示例
加速模型速算工具(以阿伦尼斯模型为例)
输入参数:,,。
自动计算:
。
输出:加速42倍,1000小时测试等效于4.2年实际寿命。
注意事项
失效机制偏移:避免过度加速导致新的失效模式(如高温下材料熔化)。
环境相关性:若实际环境含振动/粉尘,需补充其他模型(如振动疲劳模型)。
通过具体参数、试验步骤和案例展开,可精准量化产品可靠性并优化验证流程。