為評價產(chǎn)品壽命特征的試驗,叫作壽命試驗。壽命試驗是研究產(chǎn)品壽命特征的方法,這種方法可在實驗室模擬各種使用條件來進行。壽命試驗也是可靠性試驗中最重要最基本的項目之一,它是將產(chǎn)品放在特定的試驗條件下考察其失效(損壞)隨時間變化的規(guī)律。通過壽命試驗,借助壽命-應(yīng)力關(guān)系模型,可以了解產(chǎn)品的壽命特征、失效規(guī)律、失效率、平均壽命以及在壽命試驗過程中可能出現(xiàn)的各種失效模式。結(jié)合失效分析,可進一步弄清導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要失效機理,作為可靠性設(shè)計、可靠性預(yù)測、改進新產(chǎn)品質(zhì)量和確定合理的篩選、例行(批量保證)試驗條件等的依據(jù)。如果為了縮短試驗時間,可在不改變失效機理的條件下用加大應(yīng)力的方法進行試驗,即加速壽命試驗。壽命試驗可以對產(chǎn)品的可靠性水平進行評價,并通過質(zhì)量反饋來提高產(chǎn)品的可靠性水平。
壽命試驗是在生產(chǎn)過程比較穩(wěn)定的條件下,剔除了早期失效產(chǎn)品后進行的試驗,通過壽命試驗可以了解產(chǎn)品壽命分布的統(tǒng)計規(guī)律。壽命試驗可以劃分為多種:按任務(wù)條件可分為存儲壽命試驗、工作壽命試驗;按施加應(yīng)力可分為長期壽命試驗、加速壽命試驗;按數(shù)據(jù)處理方式可分為定時截尾試驗、定數(shù)截尾試驗。
存儲壽命試驗
在規(guī)定的環(huán)境條件下進行非工作狀態(tài)的存放試驗,稱為存儲壽命試驗。
存儲環(huán)境是指產(chǎn)品在存儲過程中所能遇到的環(huán)境,是存儲過程中影響產(chǎn)品的諸多因素的總和,按性質(zhì)可分為自然存儲環(huán)境與人工存儲環(huán)境;按場所可分為庫房環(huán)境、棚庫環(huán)境、露天環(huán)境等。存儲中對產(chǎn)品產(chǎn)生影響的因素主要有溫度、濕度、霉菌、氣壓、腐蝕介質(zhì)等,其中以溫度和濕度的影響最大。
存儲壽命試驗條件通常為室內(nèi)、棚下、露天等,因此存儲的環(huán)境試驗方法又稱天然暴露試驗。對于不可修產(chǎn)品,存儲壽命是指在規(guī)定的條件下存儲時,從開始存儲到失效的存儲時間;對于可修產(chǎn)品,存儲壽命是指從開始存儲到不可修復(fù)為止的存儲時間。
存儲壽命試驗一般需要較多的試驗樣品和長期的觀察測量,才能對產(chǎn)品做出較好的預(yù)計和評價。
任何產(chǎn)品都有其一定的壽命,無論是處于存儲狀態(tài)還是工作狀態(tài)。在整個壽命周期內(nèi),都要經(jīng)歷從誕生到存儲、運輸、待命、工作到失效的過程。在存儲過程中,影響產(chǎn)品可靠性的因素有很多,除有環(huán)境因素的影響外,存儲時間、存儲方式等也都會對其造成影響。在每個過程當(dāng)中,產(chǎn)品所處的環(huán)境不同,存儲的時間也不同。
為保證產(chǎn)品的可靠性,就必須保證產(chǎn)品在任何過程中都能完成規(guī)定的動作而不失效。絕大部分的產(chǎn)品都是處于工作階段的,其可靠性與工作環(huán)境、工作時間有密切的聯(lián)系。但對于一些特殊的產(chǎn)品,例如電子系統(tǒng)電子器件、航天用電子器件,其使用時間是遠遠短于存儲時間的,所以工作可靠性與存儲時間和環(huán)境有很大關(guān)系。對這一類的特殊產(chǎn)品而言,存儲時間和環(huán)境就成為研究其可靠性的一項重要指標。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短,因而需要在較短時期內(nèi)獲得產(chǎn)品的可靠性指標和壽命等信息。但通常的存儲壽命試驗方法要耗費大量的試驗時間、人力和物力,并且由于產(chǎn)品更新?lián)Q代等問題,長時間存儲壽命試驗后得出的結(jié)果可能已經(jīng)失去了實際意義。因此,為了縮短試驗時間,需要進行加速存儲壽命試驗。
加速存儲壽命試驗是一種在不改變產(chǎn)品在實際存儲條件下的失效機理,在不增加新的失效機理的前提下,用加大存儲環(huán)境試驗應(yīng)力的方法加速產(chǎn)品失效,根據(jù)其試驗結(jié)果預(yù)計正常存儲環(huán)境應(yīng)力下產(chǎn)品的存儲壽命,或在一個相對短的時間內(nèi)獲得失效率數(shù)據(jù)的技術(shù)。
工作壽命試驗
產(chǎn)品在規(guī)定的條件下施加規(guī)定應(yīng)力的試驗,稱為工作壽命試驗。
工作壽命試驗提供產(chǎn)品在工作狀態(tài)下的可靠性特征參數(shù)。由于工作壽命試驗比較符合產(chǎn)品的實際使用情況,所以其試驗結(jié)果是產(chǎn)品可靠性的主要指標之一。工作壽命試驗分為間歇工作壽命、穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗,其中穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗又分為靜態(tài)工作壽命、動態(tài)工作壽命試驗兩種。
間斷工作壽命試驗是對產(chǎn)品間斷地施加應(yīng)力,使產(chǎn)品受到“開”和“關(guān)”之間周期變化的電應(yīng)力,來加速產(chǎn)品內(nèi)部物理、化學(xué)反應(yīng)過程,而這種周期變化的電應(yīng)力又導(dǎo)致產(chǎn)品和外殼溫度的周期變化,最終得到測定產(chǎn)品的典型失效率或證實產(chǎn)品的質(zhì)量或可靠性。
穩(wěn)態(tài)工作壽命是驗證承受規(guī)定條件的產(chǎn)品在整個工作時間內(nèi)的質(zhì)量或可靠性。在額定工作條件下持續(xù)施加額定應(yīng)力而進行壽命試驗,其試驗時間應(yīng)足夠長,以保證其結(jié)果不具有早期失效或“初期失效”的特征,在壽命試驗期間還應(yīng)進行觀察,以監(jiān)視失效率是否隨時間有顯著變化。如果用穩(wěn)態(tài)壽命試驗來評定產(chǎn)品的基本能力或?qū)Ξa(chǎn)品進行鑒定試驗,以確保產(chǎn)品以后能用于高可靠場合,就應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)脑囼灄l件,如電輸入、負載和偏置以及相應(yīng)的最高工作溫度或試驗溫度或其他規(guī)定的環(huán)境條件代表產(chǎn)品的最大工作額定值或試驗額定值。靜態(tài)工作壽命試驗指產(chǎn)品進行穩(wěn)態(tài)壽命試驗時無信號輸入,動態(tài)工作壽命試驗則指產(chǎn)品進行穩(wěn)態(tài)壽命試驗時有信號輸入。
加速壽命試驗
加速壽命試驗是指采用加大應(yīng)力的方法促使樣品在短期內(nèi)失效,以預(yù)測在正常工作條件或儲存條件下的可靠性,但不改變受試樣品的失效機理。
按照試驗時施加應(yīng)力的方式,加速壽命試驗可分為恒定應(yīng)力加速壽命試驗、步進應(yīng)力加速壽命試驗和序進應(yīng)力加速壽命試驗。
恒定應(yīng)力加速壽命試驗是指樣品在試驗期間所承受的應(yīng)力保持不變;
步進應(yīng)力加速壽命試驗是指樣品在試驗期間所承受應(yīng)力按一定時間間隔階梯式地增加,直至樣品產(chǎn)生足夠的退化為止;
序進應(yīng)力加速壽命試驗是指樣品在試驗期間所受應(yīng)力按時間等速增加,直至樣品產(chǎn)生足夠的退化為止。
加速壽命試驗可以大大縮短正常應(yīng)力壽命試驗所需時間,節(jié)省了人力和設(shè)備,這是它的優(yōu)點。但是,加速壽命試驗也有它的局限性。
1.它是一種破壞性試驗,因而只能抽取小部分樣品進行試驗。當(dāng)然,從統(tǒng)計觀點來看,它是足以代表該產(chǎn)品的可靠性水平的,但是卻存在一個置信度的問題。
2.對于那些比較復(fù)雜的器件,如集成電路,實際上起主導(dǎo)作用的失效機理往往是復(fù)雜的,甚至有些是事先無法預(yù)知的,如果用單一的加速變量來進行加速,其結(jié)果是不夠全面的;同時,在失效機理不太明朗的情況下,采用加速外推的方法,其結(jié)果必然帶來大的誤差。也就是說,對于具有多種失效機理的產(chǎn)品,理想的加速壽命試驗是難以實現(xiàn)的。
3.加速壽命試驗只考慮了試驗的加速性方面,而沒有考慮元器件的應(yīng)用問題。實際上,用戶把這類器件用在設(shè)備上,預(yù)期保存和運用時間很長。因此,對于元器件制造者和用戶來說,在正常應(yīng)力或使用應(yīng)力下的長期壽命試驗也是必須的和重要的,因為它能真實反映元器件在使用條件下的壽命特性。
4.加速壽命試驗的基本假設(shè)是在高應(yīng)力條件下的失效機理與在正常應(yīng)力條件下的失效機理相同。此外試驗數(shù)據(jù)分析需要選擇或假定應(yīng)力與壽命之間的函數(shù)關(guān)系。實際上,高應(yīng)力可能會引入在正常條件下不會發(fā)生的新的失效模式,當(dāng)有幾種不同應(yīng)力共同作用時,各種失效模式對應(yīng)應(yīng)力有不同的敏感性,以致各失效模式的發(fā)生概率會隨應(yīng)力的改變而改變。也就是說,加速壽命試驗的基本假設(shè)通常是很難保證的。、應(yīng)力-壽命關(guān)系模型有潛在的多樣性、復(fù)雜性。試驗條件也是千變?nèi)f化的。由加速壽命試驗所估計的壽命與在現(xiàn)場觀察到的壽命可能差別很大,有可能差別達到一個數(shù)量級甚至更大。因此,除非試驗條件與現(xiàn)場使用條件很接近且試驗數(shù)據(jù)的分析和建模恰當(dāng),否則從加速壽命試驗數(shù)據(jù)外推所估計的可靠性只能看作是固有可靠性的一種近似,不應(yīng)看作為現(xiàn)場可靠性指標。雖然存在局限性,但并不影響加速壽命試驗的有用性。