应用强化试验的必要性

技术的发展使机载电子产品的功能越来越全面，随之而来的是其要求的提高：大量新技术的应用导致产品更为复杂和集成度更高；高机动能力导致产品所处的环境条件更加恶劣；多任务平台能力导致产品经受环境特征具有多样性；高可靠要求，导致产品组成单元的基本可靠性要求非常高。

随着机载电子产品的可靠性水平越来越高、研制和生产周期越来越短，完全按传统的环境模拟试验对军用电子设备进行可靠性验收试验，对可靠性指标要求较高的新研或改型设备，无论是试验时间还是试验费用等都难以保证。

应用传统的可靠性试验方法，将会面临试验效率低、暴露问题试验时间长和不彻底的题，最终导致设计周期长，影响研制进度和增加了研制费用。

研究一套操作性好、快速有效的，特别是满足机载电子产品可靠性发展需求的可靠性试验方法,已成为我国军工电子产品设计定型工作的急需。

可靠性强化试验是目前国际上最流行的可靠性试验技术之一，是一种全新概念的可靠性试验技术。采取强化环境条件，激发效率高，能快速激发出产品的潜在缺陷，消除隐患，加固薄弱环节，提高产品的使用质量和可靠性，加快产品研制和交付的周期；

不考虑产品应用的平台环境，目的是尽快激发现场可能存在的隐患和寻找极限应力，健壮产品设计；是解决高可靠产品的试验与经费进度之间的矛盾的有效方法。

案例1：从A、B惯导电子部件与系统可靠性强化试验的试验时间来看，四次可靠性强化试验的时间分别为54小时、109.4小时、51小时和147.3小时，平均时间仅为90.4小时。若不考虑惯导系统可靠性强化试验中由于惯导系统测试时间长的情况，电子产品的可靠性强化试验时间一般在60小时左右，耗时极短，具有推广应用的价值。                           

案例2：从A、B惯导电子部件与系统可靠性强化试验的实施过程与结果来看，可靠性强化试验激发故障率达到0.091个/小时，而近5年来电子五所承担的近92项空军装备可靠性试验总试验时间为63467.26台时、出现故障数61个，激发故障率仅为0.00096个/小时，可靠性强化试验是传统可靠性试验的近100倍。

因此，根据我国军工科研特点，研究了一套符合我国国情的可靠性强化试验应用方法，制订相应的可靠性强化试验技术规范，为我国军工电子产品的可靠性提高提供新的、可操作的试验手段；并能指导研制厂所应用可靠性强化试验，提高产品的使用质量和可靠性，加快产品研制和交付的周期。

强化试验的国内外现状

1、国外发展情况

九十年代末，可靠性强化试验技术相继在通讯、电子、电脑、能源、汽车等工业部门的零件上推广应用。如福特汽车、通用、惠普公司等。在军工、航空、航天方面的应用要晚一些，其中最著名的就是波音公司在波音777飞机电子设备上的应用获得成功军事上，美国国防部在“美国空军2025”中提出，可靠性试验要提高试验的效率，减少无用的试验时间。其中，缩短暴露故障的时间是其主要的目标

2、国内发展情况

   可靠性强20世纪90年代中后期，国内可靠性工程界才开始关注国外可靠性强化试验技术的研究和应用动态，并发表了关于可靠性强化试验技术的综述性和介绍性文章，但对可靠性强化试验技术并没有开展实质性的研究；

化试验对于许多机电产品制造公司还是一个陌生的概念，其应用更几乎是空白。

直到2000年后，国内少数单位先后引进能满足可靠性强化试验需要的高加速综合环境试验系统后，我国关于可靠性强化试验技术的研究才真正起步，并逐渐进入工程应用。

   由于国际贸易需求，国内企业已越来越强烈地感受到，如果再用传统的方法控制生产，产品带着设计、工艺缺陷投入使用，带来的后果就是产品可靠性水平低，保障维修费用大。为此，珠三角某些大型民用通讯、电子整机企业在激烈的竞争下，也开始采用可靠性强化试验这一技术提高产品可靠性来增强竞争力。仅是参考或直接引用国外企业制定的要求进行试验，尚未形成自己的规范或要求。

军工企业只有少数单位进行可靠性强化技术探索，也没有形成相应规范，导致了可靠性强化试验技术在我国军工企业应用并不广泛。

强化实验的特点和步骤

  采用对受试产品系统地施加步进应力的方法,让受试产品承受逐步增加的环境应力(振动、温度等) 、附加应力(电源周期通断、电压拉偏和频率拉偏等) 和工作应力来快速激发产品的设计缺陷,暴露设计薄弱环节,确定产品的工作极限和破坏极限,从而在短期内为产品改进设计提供信息。在应力步进施加过程中各量级应力可以大大超出技术规范极限。

  可靠性强化试验的显著效果得益于应力的强化,传统的试验设备不能满足这种要求,只有在高效率的试验设备面世以后，可靠性强化试验技术才得以迅速发展。

可靠性强化试验系统特征：

  液氮快速制冷温箱

  气动式三轴六自由度振动台

  多应力综合试验系统

液氮快速制冷温箱

   采用液氮制冷,其极限温度范围可达- 100～ + 200 ℃, 温变率可高达40～60 ℃/ min。因而, 试验过程一般只需要较少的几个循环便可激发出产品的缺陷

多应力综合试验系统

      系统综合了最关键的环境应力:高强度三轴六自由度随机振动、高温变率大温度范围的温度循环。实践表明在综合应力作用下缺陷的激发比单应力快的多。

可靠性强化试验前准备工作：

确定试验时产品状态；

环境响应调查。

确定试验时产品状态

低温步进、高温步进、温度快速循环尽量能使用镂空机箱

快速响应温度变化，考核更高效

消除产品内部热点，考核更充分

振动步进、综合应力使用真实机箱，尽量将不承力的顶盖去掉

温度步进应力试验注意事项

1. 温度步进应力可从受试产品的设计规范值开始，如从-55℃开始低温步进，从70℃开始高温步进）；

2. 每步阶的增加值一般不小于10℃；

3. 每步阶停留时间最小为10分钟，以便使受试产品上的温度传感器温度与周围温度达到平衡状态；

4. 在某一步阶若产品出现功能或性能参数不正常，应降低温度应力，观察产品功能或性能参数能否恢复正常，以确认是否达到产品工作极限值，例如将温度降（升）回常温或常温与上下温度工作极限之间的任何步阶；

5. 一旦当工作极限值被决定之后，就继续增加或降低10℃的应力值以找寻破坏极限值，无论如何当受试产品不能完全达到某功能时，就必须减低所施加的温度应力，观察其功能是否完全；

6. 当发现工作极限值或破坏极限值时，应尽力找寻该极限值的根本原因，若有可能则可在受试产品上施加更为严厉的环境应力，希望发现更高的极限值，同时收集更多的受试产品的试验数据资料；

7. 温度步阶的停留时间应视受试产品的结构体积大小而定，使温度在受试产品上达到设定点。

快速温度循环试验注意事项

1. 至少要执行五个温度循环周期，而温度的变化率也要尽可能的维持最大；

2. 温度变化的范围应设在低温工作极限与高温工作极限的5℃的范围内为最大的限制；

3. 阶段停留时间最少为5分钟，才可能使受试产品的温度达到在温度传感器上所设定的温度值。

1. 振动步进试验的应力应始于5Grms并且逐步增加5Grms直到此阶段完成；

2. 每一阶段所维持的时间最少为10分钟，并同时在每阶段的停留时间进行功能或性能测试；

3. 持续执行振动步进应力试验直到受试产品的工作极限被确定或试验设备的最大极限值已被达到；

4. 一旦当工作极限值被确定后，应继续执行每次增加5Grms的步骤直到找到破坏极限值或到达试验设备的最大限制才停止试验，无论如何，因为受试产品本身此时已无法发挥其完整的功能，故有必要减少振动的应力值（回复到0Grms或操作界限值内）使能观察其功能是否正常，当受试产品的Grms值到达破坏极限值时，其功能将不再恢复正常。

1. 综合环境试验最少需要5个循环来试验，除非破坏界限值在五个循环前就已被发现；

2. 综合环境试验的温度部份应参照已执行过的快速温度变换试验阶段确定的温度值，每一阶段的应力停留的时间应至少为10分钟；

3. 综合环境试验的振动值应将由振动试验所得的最大振动值除以5加以试验，而每1个循环增加相同的振动值；

4. 在每个台阶的停留时间中都必须执行功能测试，而停留时间的延长可视功能测试而定。

缺陷处理原则

§ 产品规范规定的应力水平之内发现的产品缺陷和短板必须改进

§ 产品规范规定的应力水平之外发现的产品缺陷和短板，原则上也必须改进，但受原材料、元器件等水平的限制而不能进行改进的，需给出论证报告

§ 所有的失效，必须查明原因，搞清失效机理，若为元器件失效，必须进行失效分析

§ 受技术发展水平、认识水平限制，短期内不能改进的缺陷和短板，所内需专题立项，进行长期技术攻关

§ 所有的改进，采取措施后必须进行试验验证

§ 验证有效的改进措施由产品设计师系统在现有产品和后续新研产品中进行落实和推广

强化试验注意事项：

1）强化试验的层次性要求

电子产品的强化试验可以在元器件级、印制电路板级、单元级和设备级进行,在强化试验过程中只有按照这种由低到高的层次关系进行试验,才能充分暴露产品中的缺陷,更准确的分析产生这些缺陷的根本原因,确定下一层次试验的试验方案,得到最佳的试验效果,从而使产品的可靠性从根本上得到保障。

• 2）试验夹具

• 在强化试验中使用的夹具不是模仿产品实际使用中安装方式来设计的。而是要最大限度地将能量传输到产品上以加速故障的析出。这就是说，简单、便宜的夹具只要能尽可能紧地将受试产品固定在振动台上就行了。下图就是典型的强化试验用的夹具，要保证有最大的气流流经受试样品，产品不是直接放在台面上而是置于一个铝制的U型槽内，然后再用几个U型横条夹住样品，用全螺纹的螺杆和螺钉固定再台面上。

3）强化试验结果处理    

       强化试验完成后,要建立保存强化试验所得到的各种有用信息的数据库，这些信息包括:

• 强化试验中所施加的应力类型、应力量级、步进增量以及在试验中这些参数的优化过程；

• 试验过程中的故障监测方式(目测、实时监测、诊断等) ；

• 试验所得到的产品工作极限、破坏极限、失效类型；

• 试验后对产品缺陷所采取的改进措施以及通过强化试验产品可靠性增长过程的总结等。

• 4）强化试验数据积累

• 根据数据库中所记录的强化试验过程中,在各种环境应力和工作应力作用下出现的失效类型和改进措施,可以分析产品改进或其他条件变化对产品可靠性带来的影响,这些变化包括:工程设计的改进、器件特性参数的变化、使用标称参数不完全相同的新供应商的器件,或者不足的工作裕量、生产过程的失控、使用了一批与生产日期和批次相关的不好的器件等常见因素。这样可以借鉴这些信息用来分析和改进与该产品类型相同的其他产品。

• 数据库中记录的产品工作极限和破坏极限,一方面可以为以后本产品或同类产品的强化提供参考,以选择到合适的振动和温度应力量级,并可以指导换代产品的强化试验;另一方面,还可以通过比较各间段产品的这些基本信息,来判定产品质量的改进和退化。

强化试验的典型案例

根据以往的经验，电子部件的环境适应性及可靠性要明显高于惯性平台的环境适应性及可靠性，为了充分暴露电子部件的缺陷，强化试验分两步进行研究：

◆电子部件的试验

◆系统试验

可靠性强化试验激发的故障绝大部分都是可以改进的

可靠性强化试验中，A惯导共计故障13个，10个已制定改进措施并验证有效，另外3个故障中2个为器件选型问题，该类高精度器件已经到了工作极限，难以选到更宽温度范围的同类器件，目前不做设计更改；另外1个故障纠正措施的制定还需进一步攻关，针对其已制定攻关行动计划。B惯导共计故障17个，16个已制定改进措施并验证有效，另外1个故障已定位但纠正措施未制定，还需进一步攻关，针对其已制定攻关行动计划。从以上情况可以看出30个故障中仅2个故障需要进一步公关，剩余28个故障全部进行了纠正措施或者处理，所以可靠性强化试验激发的故障绝大部分都是可以改进的。