加速試驗
1 加速試驗概述
當今，許多產品都能在嚴酷的環境應力下*地運轉上千小時，為了確認設計缺陷或者驗證預計的壽命，傳統的試驗方法已經不再勝任。人們開始研究先進的試驗方法與技術。
1.1 加速試驗的目的與特點
進行加速試驗的目的可概括如下：
— 為了適應日益激烈的競爭環境；
— 在盡可能短的時間內將產品投入市場；
— 滿足用戶預期的需要。
是一種在給定的試驗時間內獲得比在正常條件下（可能獲得的信息）更多的信息的方法。它是通過采用比設備在正常使用中所經受的環境更為嚴酷的試驗環境來實現這一點的。由于使用更高的應力，在進行時必須注意不能引入在正常使用中不會發生的故障模式。在中要單獨或者綜合使用加速因子，主要包括：
— 更高頻率的功率循環；
— 更高的振動水平；
— 高濕度；
— 更嚴酷的溫度循環；
— 更高的溫度。
1.2 分類
主要分為兩類，每一類都有明確的目的：
— 加速壽命試驗--估計壽命；
— 加速應力試驗--確定（或證實）和糾正薄弱環節。
這兩類之間的區別盡管細微，但卻很重要，它們的區別主要表現在下述幾個方面：作為試驗的基礎的基本假設、構建試驗時所用的模型、所用的試驗設備和場所、試驗的實施方法、分析和解釋試驗數據的方法。表1對這兩類主要的進行了比較。
表1 兩類主要的
試驗 目的與方法 注解 加速壽命試驗（ALT） 使用與可靠性（或者壽命）有關的模型，通過比正常使用時所預期的更高的應力條件下的試驗來度量可靠性（或壽命），以確定壽命多長。 要求：
了解預期的失效機理； 了解關于加速該失效機理的大量信息，作為加速應力的函數 加速應力試驗（AST） 施加加速環境應力使潛在的缺陷或者設計的薄弱環節發展為實際的失效，確認可能導致使用中失效的設計、分配或者制造過程問題。 要求充分理解（至少要足夠了解）基本的失效機理。對產品壽命的影響問題作出估計。
1.3 的產品層次（級別）
要明確進行的產品層次（級別）是設備級還是零部件級，這一點很重要。某些加速方法只適用于零件級的試驗，而有的方法只能用于較別的總成（設備），只有少數方法同時適用于零件級和總成（設備）級。對零件級非常合適的基本假設和建模方法在對較別的設備進行試驗時可能*不成立，反之亦然。表2列出了在兩個主要的級別（設備級和零部件級）上進行試驗的信息。
表2 進行的產品級別
| 級別 | 限制（局限） | 注解 |
| 設 備 級 | 通常非常有限，很少進行。要建立起設備在高應力下與正常使用條件下的失效率之間的關系的模型是困難的。而且，也很難確定不改變設備的失效機理的應力條件。 | 可以有效地用于設備的的一個例子是增加工作周期，例如，某系統在正常情況下僅在一個班次中運行，航空電子設備在一次飛行前和飛行中只工作幾個小時，在這種情況下，在試驗中可以增加工作周期，受試系統一天可以連續工作三個班次，可使航空電子設備循環工作，在模擬飛行之間只留出足夠使設備的溫度穩定在非工作狀態的時間。這樣，盡管每個工作小時的失效率沒有改變，但是每天發生的失效數增加了。這類通常在可靠性鑒定試驗中采用。這實際上是的一種形式（盡管通常不這樣認為）。 |
| 零 部 件 級 | 部（零）件的失效模式比設備要少。因此，要確定能有效地加速失效率而又不大改變失效機理的應力就容易得多。 | 通常用一個給定的應力可以對一個或多個支配性失效機理進行，例如，電容器的介質擊穿是電壓的函數，腐蝕是濕度的函數。在這種情況下要找出失效率與使用應力之間的函數關系的加速模型相當容易。因此，加速壽命試驗廣泛應用于部件，并且極力推薦大多數類型的零件使用這一方法。 |
2 模型
模型將部件的失效率或者壽命與給定的應力起來，這樣，就可以用在中得到的度量來推斷正常使用條件下的性能。這里隱含的假設是應力不會改變失效分布的形式。
表3總結了三種zui常見的模型，實際中使用的模型不止這三種。在選用模型時，zui關鍵的準則是所選用的模型能地把加速條件下的可靠性或壽命模擬成正常使用條件下的可靠性或壽命。在選擇zui適用的模型和在具體應用中為所選用的模型選擇適當的驗證范圍時必須十分小心。把上述選擇的依據用文件記錄下來是很重要的。
表3 常見的模型
| 模型名稱 | 公式說明 |
| 逆冪率定律 Inverse Power Law | 式中N為加速因子 |
| 阿列紐斯加速模型 Arrhenius Acceleration Model | 式中，L-壽命的度量，如零件總體的中位壽命； A-對于受試零件，由實驗決定的常數； e-自然對數的底； E-活化能（電子伏特-能量的一種度量），它是每一失效機理*的量值； k-玻爾茲曼常數= ; T-溫度（開氏度）。 |
| 邁因納法則 （疲勞損傷） Miner's Rule （Fatigue Damage） | 式中，CD-臨界損傷和； CSi-給定的平均應力Si作用的循環次數； Ni-在應力Si下失效的循環數，可以根據該種材料的S-N曲線確定； k-所施加的載荷數 假定每個零件都有有限的有用疲勞壽命，每個應力循環都要用去該壽命的一小部分。當來自每一載荷的累積損傷的總和等于1時就發生失效。邁因納法則不能擴展到無窮大，只有在材料的屈服強度以下才成立，超過屈服極限點就不再成立了。 |
三、先進的方案/思想
過去，大多數都是使用單一應力和在定應力譜進行的。包括周期固定的周期性應力（如溫度在規定的上下限之間循環，溫度的上限和下限以及溫度的變化率是恒定的）。但是，在中，應力譜不必是恒定的，也可以使用多種應力的組合。常見的非恒定應力譜和組合應力包括：
— 步進應力譜試驗；
— 漸進應力譜試驗；
— 高加速壽命試驗（HALT）（設備級）；
— 高加速應力篩選（HASS）（設備級）；
— 高加速溫度和濕度應力試驗（HAST）（零件級）。
高系統性地使用大大超過產品使用中預期水平的環境激勵，因此需要詳細理解試驗結果。高用于確認相關故障，并用來確保產品對高于所要求的強度有足夠的裕度以便能經受正常的使用環境。高的目的是大大減少暴露缺陷所需要的時間。該方法可用于研制試驗，也可用于篩選。
HALT（高加速壽命試驗）是一個研制工具，而HASS（高加速應力篩選）是一個篩選工具。它們常常互相聯合使用。這是兩種相對較新的方法，與傳統的方法不同。HAL與THASS的具體目標是改進產品設計，將制造偏差和環境效應對產品性能和可靠性的影響減至zui小。通常定量的壽命或可靠性預計與高沒有。
步進應力譜試驗。使用步進應力譜，試驗樣本首先按事先規定的時間以某個給定的應力水平試驗一段，然后在高一點的應力水平下再試驗一段時間。不斷增加應力水平繼續上面的過程，直到某個試驗樣本失效，或者試驗進行到zui大應力水平時終止。這種方法能更快速地使產品失效以便分析。但是，用這種方法很難正確建立加速模型，因此很難定量地預計產品在正常使用條件下的壽命。
每一步中應該增加的應力量值與許多變量有關。但是，允許在設計中進行這樣的試驗的一個普遍的法則是：假設產品沒有缺陷，如果zui終能以適當的裕量超出預期的使用環境中的應力，就能保證總體中的每一個體都能經受住使用環境和篩選環境。（從而提高產品的壽命或可靠性）
漸進應力譜試驗。漸進應力譜或者"梯度試驗"是另一種常見的方法，試驗中應力水平隨時間持續增加。其優點和缺點與步進試驗相同，但有另外一個困難，就是很難地控制應力增加的速率。
HALT（高加速壽命試驗）。HALT一詞是Gregg K. Hobbs 于1988年提出的。HALT有時指應力增益壽命試驗（STRIFE），是一種研制試驗，是步進應力試驗的一種強化形式。它一般用來確認設計的薄弱環節和制造過程中存在的問題，以及用來增加設計強度的富裕量，而不用來進行產品壽命或可靠性的定量預計。
HASS（高加速應力篩選）試驗。HASS是加速環境應力篩選的一種形式。它代表了產品所經歷的zui嚴酷的環境，但通常持續很有限的一段時間。HASS是為達到"技術的根本極限"而設計的。此時應力的微小增加就會導致失效數的大量增加。這種根本極限的一個例子是塑料的軟化點。
HAST（高加速溫度和濕度應力試驗）。隨著近來電子技術的高速發展，幾年前剛剛出現的的可能不再適應當今的技術了，尤其是那些專門針對微電子產品的。例如，由于塑料集成電路包的發展，現在用傳統的、普遍被接受的85℃/85%RH的溫度/濕度試驗需要花上千小時才能檢測出新式集成電路的失效。在大多數情況下，試驗樣本在整個試驗中不發生任何失效。不發生失效的試驗是說明不了什么問題的。而產品在使用中必定會偶爾失效。因此，需要進一步改進。HSAT就是為代替老的溫度/濕度試驗而開發的方法。
四、在中應當注意的問題
模型是對產品在正常應力水平下以及一個或多個加速應力水平下的關鍵因素進行試驗而導出的。在使用加速環境時一定要極其注意，以便識別和正確確認在正常使用中將發生的失效和一般不會發生的失效。因為加速環境一般都使用遠高于現場使用時所預期的應力水平，加速應力會導致在實際使用中不可能出現的錯誤的失效機理。例如，將受試產品的溫度升高到超過材料性能改變的溫度點或者休眠激活門限溫度時，就會導致在正常使用中不會發生的失效的發生。在這種情況下，解決這種失效只會增加產品的費用，可靠性卻不會有絲毫的提高。理解真正的失效機理來消除失效的根本原因才是極為重要的。
編譯者注：原文發表在美國國防部（DoD）可靠性分析中心（RAC）的出版物"Selected Topics in Assurance Related Technologies （START）"第6卷第4期上。作者是美國伊利諾伊理工學院研究所的工程師Ned H. Criscimagna。
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