加速老化实验

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1、加速老化实验【加速老化实验】 加速老化试验计算公式 加速寿命试验 寿命试验（包括截尾寿命试验）方法是基本的可靠性试验方 法。在正常工作条下，常常采用寿命试验方法去估计产品的各种 可靠性特征。但是这种方法对寿命特别长的产品来说，就不是一 种合适的方法。因为它需要花费很长的试验时间，甚至来不及作 完寿命试验，新的产品又设计出来，老产品就要被淘汰了。所以 这种方法与产品的迅速发展是不相适应的。经过人们的不断研 究，在寿命试验的基础上，找到了加大应力、缩短时间的加速寿 命试验方法。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，加快产品失效，缩短试验周期。运用加速寿命模 型，估

2、计出产品在正常工作应力下的可靠性特征。下面就加速寿命试验的思路、分类、参数估计方法及试验组 织方法做一简单介绍。1问题高可靠的元器或者整机其寿命相当长，尤其是一些大规模集 成电路，在长达数百万小时以上无故障。要得到此类产品的可靠 性数量特征，一般意义下的载尾寿命试验便无能为力。解决此问 题的方法，目前有以下几种：(1) 故障数r=0的可靠性评定方法。如指数分布产品的定时截尾试验0L=2S( tO)2xa(2)22S(t)xaa00为总试验时间。为风险，=0.1时，.1(2)=4.605心4.6；当 a=0.05 时，x 02.05(2)=5.9916。(2)加速寿命试验方法如，半导体器在理论上

3、其寿命是无限长的，但由于工艺水平 及生产条的限制，其寿命不可能无限长。在正常应力水平S0条 下，其寿命还是相当长的，有的高达几十万甚至数百万小时以 上。这样的产品在正常应力水平S0条下，是无法进行寿命试验 的，有时进行数千小时的寿命试验，只有个别半导体器发生失 效，有时还会遇到没有一只失效的情况，这样就无法估计出此种 半导体器的各种可靠性特征。因此选一些比正常应力水平S0髙的 应力水平S1，S2,，Sk，在这些应力下进行寿命试验，使产品 尽快出现故障。(3)故障机理分析方法研究产品的理、化、生微观缺陷，研究缺陷的发展规律，从 而预测产品的故障及可靠性特征量。2加速寿命试验的思路 由产品故障的应

4、力强度模型(见 图5-5)图5-5应力一强度模型其中：R（t）=P（强度应力），F（t ）=P（应力2强度）当强度与应力均为确定型时，产品在t2故障。实际上强度与 应力是概率风险型的，当均服从正态分布时，产品则可能提前在 tl,以一定概率发生故障。由此可知：要使产品早一点出现故障，要么加大应力，要么 减少强度。因当产品一经加工形成后，其强度也就基本固定了， 所以可行的办法是提高应力，以缩短寿命试验周期。3 加速寿命试验的分类 通常分为以下三种：（1）恒定应力加速寿命试验（目前常用）它是将一定数量的 样品分为几组，每组固定在一定的应力水平下进行寿命试验，要 求选取各应力水平都高于正常工作条下的应

5、力水平。试验做到各 组样品均有一定数量的产品发生失效为止，如图 5-6所示。（2）步进应力加速寿命试验。它是先选定一组应力水平，譬 如是Sl, S2,，Sk,它们都髙于正常工作条下的应力水平SO。 试验开始是把一定数量的样品在应力水平 S1 下进行试验，经过一 段时间，如tl小时后，把应力水平提髙到S2，未失效的产品在 S2 应力水平继续进行试验，如此继续下去，直到一定数量的产品 发生失效为止，如图 5-7 所示。（3）序进应力加速寿命试验。产品不分组，应力不分档，应 力等速升髙，直到一定数量的故障发生为止。它所施加的应方水 平将随时间等速上升，如图 5-8所示。这种试验需要有专 门 的设备。

6、图 5-6 恒定应力 图 5-7 步进应力 图 5-8 序进应力在上述三种加速寿命试验中，以恒定应力加速寿命试验更为成 熟尽管这种试验所需时间不是最短，但比一般的寿命试验的试 验时间还是缩短了不少因此它还是经常被采用的试验方法。目 前国内外许多单位已采用恒定应力加速寿命试验方法来估计产品 的各种可靠性特征，并有了一批成功的实例。下面主要介绍组织 恒定应力加速寿命试验及其统计分析方法，包括图估计和数值估计方法。4 恒定应力加速寿命试验的参数估计 产品不同的寿命分 布应有不同的参数估计方法，下面以威布尔寿命分布的产品为例 说明，其他寿命分布的估计问题可参考有关文献。4.1 基本假定在恒定应力加速寿

7、命试验停止后，得到了全部或部分样品的 失效时间，接着就要进行统计分析。一定的统计分析方法都是根 据产品的寿命分布和产品的失效机理而制定的。因此一个统计分 析方法成为可行就必须要有几项共同的基本假定。违反了这几项 基本假定，统计分析的结果就不可靠，也得不到合理的解释。因 为这几项基本假定是从不少产品能够满足的条中抽象出来的，所 以这几项基本假定对大多数产品来说不是一种约束，只要在安排 恒定应力加速寿命试验时注意到这几项基本假定，它们就可以被 满足。 (1)设产品的正常应力水平为so,加速应力水平确定 为S1,S2,，Sk，则在任何水平i下，产品的寿命都服从或近似 服从威布尔分布,其间差别仅在参数

8、上。这一点可在威布尔概率纸上得到验证。其分布函数为 S tiFTi(ti)=1 - exp- ni口 (2)在加速应力 S1,S2,， 理是相同的。 , ti20, i=0,1,2,.,k miSk 下产品的故障机理 与正常应力水平S0下的产品故障机m0=m1=m2因为威布尔分布的形状参数m的变化反映了产品 的故障机理的变化，故有= =k。这一点可在威布尔概率纸上得到验证。若不同档次的加速应 力所得试验数据在威布尔概率纸上基本上是一族平行直线，则假 定(2)就满足了。(3)产品的特征寿命n与所加应力s有如下关系：mlnn 二a+b (s)a, b是待估参数，e (s)是应力s的某一已知函数，上

9、式通常 称为加速寿命方程。此假定是根据阿伦尼斯方程和逆幂律模型抽象出来的：ElElnn=lnB+KTKT / n二Be, .:Ea=lnB,b二K,则有 lnn 二a+b (T)令ln 二dVc 又 T.Ilnn 二一 lnd- clnV 令 a二一 lnd,b=- c贝H lnn=a+b (V)国内外大量实验数据表明,不少产品是可以满足上述三项基 本假定的,也就是说对不少产品是可以进行恒定应力加速寿命试 验的。4.2 图估法(威布尔分布)步骤： 分别绘制在不同加速应力下的寿命分布所对应的直线。 利用威布尔概率纸上的每条直线,估计出相应加速应力下 的形状参数mi和特征寿命ni。 由假定(2)取

10、k个mi的加权平均，作为正常应力SO的 形状参数mO的估计值，即：入0二m诸八 1+n2m八 2+.+nkm八 kn1mn1+n2+.+nk ni 为第 i 个分 组中投试的样品数。 由假定(3),在以e (s)为横坐标，以 lnn为纵坐标的坐标平面上描点，根据k个点( (sl), lnn1),(e (s2)，lnn2),，(读出正常应力e (sk)，lnnk)配置一条直线，并利用这条直 线，八m n o八so下所对应的特征寿命的对数值lnnn，取其反对数，即得no的估计值0。 在威布尔概率纸上作一直线Lo，其参数分别为0和0。 利用直线Lo，在威布尔概率纸上对产品的各种可靠性特征 量进行估计

11、。5 恒定应力加速寿命试验的组织 当我们随机地从一批产 品中任取n个样品，分成k组，在k个应力水平下进行恒加试验 时，必须事前作周密考虑，慎重仔细地做好试验设计、安排、组 织工作，因为恒加试验要花费较多的人力、物力、时间，事先考 虑周到才能得到预期效果。在组织工作和实施过程中应注意以下 几个方面。5.1加速应力S的选择因为产品的失效是由其失效机理决定的，因此就要研究什么应力会产生什么样的失效机理，什么样的应力加大时能加快产品 的失效根据这些研究来选择什么应力可以作为加速应力。通常 在加速寿命试验中所指的应力不外乎是机械应力（如压力、振动、 撞击等），热应力（温度），电应力（如电压、电流、功率等

12、）。在遇 到多种失效机理的情况下，就应当选择那种对产品失效机理起促 进作用最大的应力作为加速应力。如温度对电子元的加速作用， 可用“阿伦尼斯方程”描述，即寿命为t 二Be式中：B是个正常数，B0-4EkT k玻尔兹曼常数，k = 0.8617X10ev/KT绝对温度E 激活能（ev）直流电压对电容器等的加速作用，可用逆幂率描述 即寿命 t=d,c为正常数，dO,cO 经验数据为c=5。经验还表明： 灯泡与电子管灯丝的寿命大约与电压的13次方成反比，如此等 等。值得注意的是：对于电子元器“温度+振动”这种组合应力， 更能加速其故障的出现，只是在统计处理上要困难一些。1dVc 5.2加速应力水平S

13、1,S2,，Sk的确定在恒加试验中，安排多少组应力为宜呢?k取得越大，即水平 数越多，则求加速方程中两个系数的估计越精确。但水平数越 多，投入试验样品数就要增加，试验设备、试验费用也要增加， 这是一对矛盾。在单应力恒加试验中一般要求应力水平数五不得 少于4，在双应力恒加试验情况下，水平数应适当再增加。 确 定加速应力水平S1VS2VVSk的一个重要原则，就是在诸应力 水平Si下产品的失效机理与在正常应力水平S0下产品的失效机 理是相同的。因为进行加速寿命试验的目的就是为了在高应力水 平下进行寿命试验，较快获得失效数据，估计出可靠性指标，再 利用加速方程外推正常工作应力SO下产品的可靠性指标。假

14、如在 加速应力水平S1,S2,，Sk和正常应力水平SO下产品的失效机 理有本质不同，那么外推将有困难，所以在确定应力水平 S1,S2,，Sk时，违背这条原则将会导致加速寿命试验的失败。最低应力水平S1的选取，应尽量靠近正常工作应力S0，这样 可以提髙外推的精度，但是S1又不能太接近S0，否则收不到缩短 试验时间的目的。最髙应力水平Sk应尽量选得大一些，但是应注 意不能改变失效机理，特别不能超过产品允许的极限应力值。如 要估计晶体管常温下的储存寿命，提髙储存温度是一个方法，在 常温储存时，管芯表面的化学变化是导致晶体管故障的故障机 理，温度升髙，肯定加速其变化。但当温度升得过髙时，会引起 焊锡灰

15、化，内引线脱落开路等新的故障机理，于是温度便不能选 的过髙。合理的确定S1和Sk需有丰富的工程经验与专业知识， 也可以先作一些试验后再确定S1和Sk确定了 S1和Sk后，中间 的应力水平S2，Sk- 1应适当分散，使得相邻应力水平的间 隔比较合理。一般有下列三种取法：(1) k个应力水平按等间隔取值；(2) 温度按倒数成等间隔取值1111- =(j- 】) =(- /(k- 1)TT1T1Tk， j，j=2,3,L,k 1(3) 电压V按对数等间隔取值 =(lnVk- lnV1)/(k- 1)，lnVj=lnV1+(j- 1)A，j=2,3,L,k 15.3 试验样品的选取与分组整个恒加试验由 k 组寿命试验组成，每个寿命试验都要有自 己的试验样品，假如在应力水kn二工ninSi=l。平i下，投入i个试验样品，i = l, 2,， k那末恒加试验所需要的样品数是这n个样品应在同一批产品中随机抽取，切忌有人为因素参与作用，将 n 个产品随机地 分成是k组，注意同一组的样品不能都在某一部分抽取。每一应力水平下，样品数 i 可以相等，也可以不等。由于高 应力下产品容易失效，低应力下产品不易失效，所以在低应力下 应多安排一些样品，高应力水平可以少安排一些样品，但一般每 个应力水平下