加速壽命試驗方法自美羅姆航展中心于1967年提出以來，已經(jīng)廣泛應用于各個領域，并形成了相關標準IEC 62506:2013。國內(nèi)于2017年翻譯了IEC 62506標準形成了GB/T 34986-2017 《產(chǎn)品加速試驗方法》，標準中雖然提供了加速試驗方法及相關案例，但這些方法的準確性不高，例如溫度加速的激活能值是經(jīng)驗值，振動加速應力的系數(shù)也是經(jīng)驗值。本文基于上述加速試驗方法的不足及缺陷，闡述了不同加速應力方法及加速模型的應用，同時結(jié)合實際案例，詳細闡述加速壽命方法的應用，為相關人員進行加速壽命評估提供參考。
隨著科學技術的發(fā)展，材料質(zhì)量的提升，生產(chǎn)工藝的改進，產(chǎn)品的質(zhì)量提升的同時其使用壽命也變得越來越長。與此同時，給各個產(chǎn)品生產(chǎn)廠家也帶來了極大的競爭力，要求他們能夠以更短的時間、更低的成本來評估產(chǎn)品特性及使用可靠性。在這樣的背景下，誕生了加速壽命理論。加速壽命方法，就是將受試產(chǎn)品放置于高于其正常使用應力的條件下，以很短的時間使產(chǎn)品失效，通過在高應力條件下的獲得的壽命數(shù)據(jù)，選擇某種壽命分布，外推產(chǎn)品正常使用條件下的壽命。加速壽命試驗的統(tǒng)一定義最早由美羅姆航展中心于1967年提出，國內(nèi)最早于1981年發(fā)布了GB 2689系列的標準，標準中闡述了恒定應力加速壽命試驗方法，同時給出了數(shù)據(jù)處理的過程，這是國內(nèi)第一個加速壽命評估方法的標準。隨后衍生出步進、序進以及步降的加速壽命方法。加速壽命試驗成功的前提就是產(chǎn)品的失效機理不能與實際使用發(fā)生失效的機理有偏差。簡言之，加速壽命試驗是加大應力、失效機理不變、通過數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)折算預估實際壽命的一種壽命試驗方法。加速壽命試驗，縮短了試驗時間，提高了試驗效率，降低了試驗成本。
加速壽命試驗技術具有效率高，成本低，對高可靠、長壽命產(chǎn)品的定壽延壽研究具有重要的應用價值。目前加速壽命試驗技術在軍用及民用領域應用都較為廣泛，并取得了一定研究成果。如民用軌道交通領域的膠粘劑、LED等都形成了各自的壽命評估標準；軍用領域，也形成了類似于彈藥貯存可靠性的相關標準規(guī)范。隨著研究的不斷深入，加速壽命試驗技術在各個領域?qū)⒂袕V闊應用前景。
加速壽命方法
加速壽命方法的目的就是以更快的速度獲取產(chǎn)品的可靠性或壽命信息。任何可以達到這種目的的方法，都可認為是加速壽命試驗的方法。加速壽命方法根據(jù)使用目的的不同，主要分為三種類型：
A類（定性加速試驗）：用于發(fā)現(xiàn)故障模式和（或）故障現(xiàn)象；
B類（定量加速試驗）：用于預計產(chǎn)品正常使用時的失效分布；
C類（定量時間和事件壓縮試驗）：用于預計產(chǎn)品正常使用時的失效分布。
三類方法中，A類是定性加速，B、C類是定量加速。
01.定性加速試驗（A類）
定性加速試驗主要用于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在的設計缺陷及制造工藝導致的產(chǎn)品缺陷。一般是通過對產(chǎn)品施加逐漸升高的工作應力逐步找到這些缺陷。定性試驗的目的是在試驗過程中激發(fā)產(chǎn)品全部的功能性能問題。產(chǎn)品在現(xiàn)場使用過程中，由于設計或工藝缺陷，或?qū)е乱徊糠之a(chǎn)品過早的發(fā)生失效，導致產(chǎn)品整體可靠性水平不高。因此，可通過此類定性試驗，一般稱為HALT或HAST試驗，逐漸提高產(chǎn)品實際壽命周期中可能承受的應力，盡早的暴露產(chǎn)品缺陷，對這些缺陷在最佳的效費比的前提下進行工藝或設計的改進，已達到提高產(chǎn)品可靠性的目的。
02.定量加速試驗
定量加速試驗，主要是通過累積損傷方法或以定量時間和事件壓縮，短時間內(nèi)得到產(chǎn)品的預期壽命，達到外推產(chǎn)品實際工作條件下壽命為目的。定量加速試驗是在比產(chǎn)品預期壽命短得多的時間內(nèi)實現(xiàn)預期的累積損傷或規(guī)定的動作次數(shù)。其中，B類加速試驗通過加大應力使產(chǎn)品失效，但是是基于失效機理（失效模式）確定加速因子，通過加速因子、加速應力條件下的壽命確定確定預期使用環(huán)境應力下壽命的方法；C類試驗主要用于評估能夠以使用次數(shù)等耗損型為主要故障模式的部件壽命，比如開關、鍵盤、繼電器、連接器、軸承等，這類試驗主要是通過延長應力施加的持續(xù)時間或頻次來實現(xiàn)的。
加速壽命模型
加速壽命試驗實施，一般都需要具體的、可操作的加速方法或模型去具體實施，定性加速試驗與定量加速試驗，由于試驗目的的不同，二者之間的加速方法或模型是有顯著區(qū)別的。
01、定性加速試驗模型
定性加速試驗一般沒有可用的數(shù)據(jù)模型，一般只有響應的試驗應力及實施方法。定型加速試驗的主要目的是在產(chǎn)品的設計階段激發(fā)產(chǎn)品的缺陷，對激發(fā)的這些缺陷，在平衡效費比的前提下，對引起這種缺陷的設計或工藝進行改進，提高產(chǎn)品應用可靠性。定性加速試驗，應用較多的是HALT試驗，對于電子產(chǎn)品，有相應的標準，例如GBT 29309-2012，主要是針對電工電子產(chǎn)品進行的溫度類、振動類以及溫度和振動混合的步進試驗（HALT試驗），以達到激發(fā)產(chǎn)品缺陷的目的。HAST試驗，是介于定性與定量試驗之間的一種試驗，這種類型試驗一般用于電子產(chǎn)品較多，這種試驗一般是在溫濕度條件下，進行電壓拉偏試驗。即使這些試驗無法得出可靠性評估值，但是也可以作為質(zhì)量鑒定試驗中的有效手段，以確保產(chǎn)品的可靠性不會因組件的變化而受到影響。例如，在JESD22-A110，采用的溫度和濕度的應力水平分別為130℃和85%RH。
02、定量加速試驗模型
定量加速試驗，主要是通過加大試驗量級，短時間內(nèi)使產(chǎn)品達到累積損傷，以評估產(chǎn)品實際使用條件下的壽命分布。通過在加速應力條件下獲得的壽命數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行擬合處理，獲得加速因子并外推得到預期工作環(huán)境條件下的壽命，要進行這樣的數(shù)據(jù)處理，需要一些模型，例如溫度模型、溫濕度模型、電壓模型以及加速頻率等。
1）溫度加速模型
溫度在定量加速壽命試驗中，是應用最為廣泛的環(huán)境應力，它能有效地激發(fā)某些失效機制，縮短失效時間。在許多應用中，阿倫尼斯模型可以很好地描述產(chǎn)品壽命與溫度之間的關系。
溫度應力加速模型-阿倫尼斯模型為：
式中，
—壽命；
—電子伏特的活化能（eV）；
—玻爾茲曼常數(shù)，8.6171×10eV/℃；
—絕對溫度（273.15℃）；
—是與材料特性有關的常數(shù)。
在實際應用中，經(jīng)常要計算的是加速因子，在知道試驗應力、加速因子，既可以得出產(chǎn)品的預期壽命，常使用的模型如下：
式中，
Af —加速因子；
其他參數(shù)的含義同上述。
2)熱循環(huán)壽命模型
熱循環(huán)壽命模型雖然也是采用的溫度應力，但它通常會激發(fā)與前面討論的恒溫引起的故障模式所不同的故障模式，它由Coffin和Manson二人給出了溫度循環(huán)的加速壽命模型，具體模型為：
式中，L—循環(huán)壽命或壽命；
—最高溫度和最低溫的差值
；A,B—是材料性能和產(chǎn)品設計的常數(shù)特性,B是正數(shù)。
在某些應用中，疲勞壽命也是循環(huán)頻率和高溫的函數(shù)，如Ghaffarian、Teng和Brillhart以及Shohji等在其論文中，考慮到這些熱循環(huán)變量的影響，Norris和Landzberg(1969)修改了傳統(tǒng)的Coffin-Manson模型，修改后的模型如下：
式中，
L—失效循環(huán)數(shù)；
A、B、C—為材料特征常數(shù)；
Tmax—為絕對高溫度；
f—為循環(huán)頻率；
Ea—電子伏特的活化能（eV）；
k—玻爾茲曼常數(shù)，8.6171×10eV/℃；
T—絕對溫度（273.15℃）。
為了便于進行數(shù)據(jù)分析，上式會變成線性模型，如下：
式中，
；
；
；
；
未知系數(shù)a、b、c、d可以用多元線性回歸方法估計。
3）電應力壽命模型
由于電應力導致的失效機制，可采用電應力加速模型，例如電容器，變壓器和絕緣體等。電壓對壽命的影響通常用逆功率關系來建模。這種關系的一些應用分別由Kalkanis and Rosso和Feilat et al.，以及江正平指出。
這里我們討論逆冪模型，具體的模型關系如下：
式中，
L—特征壽命；
V—電應力；
A、B—常數(shù)，與材料性能、產(chǎn)品設計、失效準則等因素有關。
4）振動應力壽命模型
振動有時作為加速變量來加速電子和機械產(chǎn)品的疲勞失效。通常，疲勞壽命L可以用逆冪模型來建模，可以寫成：
式中，
A、B—常數(shù)；
G—為加速度的均值方根
；
Grms—等于正弦振動的峰值加速度乘以0.707，隨機振動的功率譜密度(PSD,g/ Hz)下面積的平方根。
5）頻率與壽命關系
增加使用率也是一種加速方法，用于在現(xiàn)場以低速率運行的某些產(chǎn)品。使用率的增加可能會影響使用率到故障，此時的使用率是以循環(huán)、轉(zhuǎn)數(shù)、英里或其他度量為單位的。換句話說，不同使用率下對故障的使用可能不相同。一些實驗結(jié)果和理論解釋如Tanner et al.將壽命建模為使用率的冪函數(shù)。模型表示為
式中，
L—正常頻率下的壽命；
F—正常的使用頻率；
A和B—依賴于材料性能、產(chǎn)品設計、失效準則和其他因素的常數(shù)。
案例分析
本文介紹兩個定量加速壽命實施的案例，作為加速壽命實施及計算的參考。
01.溫度加速壽命試驗
壽命溫度模型是產(chǎn)品的工作環(huán)境或失效因素主要是受溫度影響，以溫度作為加速應力，以阿倫尼斯模型作為壽命評估模型。阿倫尼斯模型中關鍵的未知參數(shù)為激活能，激活能有經(jīng)驗值也可根據(jù)方程求得，本文以求方程的形式獲得激活能。
對阿倫尼斯模型：
進行轉(zhuǎn)換，得到的模型如下：
式中，
；b=Ea/K。
對某型號傳感器，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格書及HALT試驗，選擇85℃、100℃、115℃三種溫度應力下，對傳感器進行加速壽命試驗，評估傳感器在35℃條件下的壽命。
傳感器在三個產(chǎn)品下的平均壽命見表1。
表1 不同溫度下壽命數(shù)據(jù)
對表1中的數(shù)據(jù)擬合，得到擬合線圖1。
圖1 壽命數(shù)據(jù)擬合線圖
因此，a= -2.644，b= 3748。
由于b=Ea/k, 且k=8.6171×10，所以激活能 Ea= 0.323eV。
由
進行對數(shù)、指數(shù)轉(zhuǎn)換，得到預期溫度的壽命平均值為：
=
= 13695h。
02.熱循環(huán)加速壽命試驗
對于熱循環(huán)的加速壽命試驗，本文以對溫度循環(huán)敏感的芯片焊點為例，進行熱循環(huán)加速壽命試驗模擬。
本文選擇了12個不同試驗剖面的的溫度循環(huán)，每個剖面選擇5個樣品進行試驗，試驗直至每個剖面的5個樣品均有焊點開裂情況為止，壽命試驗數(shù)據(jù)見表2。
表2 不同溫度循環(huán)剖面下的壽命數(shù)據(jù)
將熱循環(huán)模型對數(shù)變換，得到如下方程：
將表2中數(shù)據(jù)進行相應的轉(zhuǎn)換，并進行數(shù)據(jù)擬合，得到的擬合溫度循環(huán)的擬合方程如下：
LN（L）= 9.52 - 2.064 LN(△T) + 0.345 LN(f) +20051/Tmax，同時利用MINITAB擬合得到的殘差正態(tài)概率圖見圖2，數(shù)據(jù)點基本在一條直線上，可以認為殘差服從正態(tài)分布。
圖2 殘差正態(tài)概率圖
因此，假設產(chǎn)品預期工作的低溫為-10℃，高溫為25℃，24h進行一次循環(huán)，則預期的對數(shù)循環(huán)數(shù)為：
LN（L）= 9.52 - 2.064 LN(35) + 0.345 LN(24) + 20051/（25+273）= 8.909
所以，預期使用條件下的平均循環(huán)壽命為
= 22167個循環(huán)。
總 結(jié)
本文對加速壽命理論及常用的加速壽命模型進行了闡述，并說明了定性加速試驗與定量加速試驗的區(qū)別、應用階段及具體的應用。因此，要進行加速壽命試驗，首先要考慮使用的目的，是為了提高可靠性為還是為了評估產(chǎn)品使用條件下壽命特性，同時根據(jù)產(chǎn)品實際使用條件下敏感應力特性，選擇相應的定性或定量加速應力及方法，進行可靠性或壽命評估。