北斗导航终端设备可靠性加速试验与快速评价技术研究

沈炉明，高 军，文 武

（1.广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663； 2.华南理工大学，广州 510000；3.广东科鉴检测工程技术有限公司，广州 510000）

北斗导航终端设备可靠性加速试验与快速评价技术研究

沈炉明1，高 军2，3，文 武3

（1.广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663； 2.华南理工大学，广州 510000；3.广东科鉴检测工程技术有限公司，广州 510000）

针对北斗导航终端设备开展传统可靠性试验时间长、成本高，难以实现在短期内完成高可靠性指标考核的现状，借鉴加速试验建模技术和相关标准的加速模型参数，进行北斗导航整机可靠性加速建模，设计加速试验剖面和方案，预先评估出北斗导航终端设备的加速因子，通过一组样品即可完成北斗导航的加速试验，实现对北斗导航终端设备高可靠性指标的快速评估。

北斗导航；加速建模；加速试验；加速系数；快速评估

引言

近10年可靠性工程技术在国内广泛应用以来，电子装备的可靠性要求和水平同时得到了大幅提升。北斗导航作为国家近年来重点扶持的一个高端电子装备产业，北斗导航终端设备的可靠性水平要求十分高，特别是机载类型的终端设备高达数千上万小时[1-4]。传统的可靠性试验方法用于高可靠指标评估已经具有很大的不可操作性和经济上无法承担，采用加速试验技术通过提高试验应力使得每小时的加速试验时间等效典型使用条件下数十上百小时的时间，这样就可大大压缩试验考核时间和降低试验成本[5]。然而，典型的加速试验通常需要通过三组以上高应力加速试验，才可能外推出典型应力下的可靠性与寿命水平，三组以上加速试验通常需要大量样机和三套以上实验设备，因此，实际上的经济成本也是较高的，即便缩短了试验时间，加快了研制进度，但对于新研产品来说往往也不具备那么多样机可用于做考核验证。

为解决高可靠北斗导航设备可靠性指标评价的难题，本文基于加速建模理论和应力预计法，以某型北斗导航终端设备为对象，建立可靠性加速模型，设计加速试验剖面，预估北斗导航终端设备加速因子，用于指导北斗导航终端设备的考核。

1 北斗导航终端设备整机高温加速老化建模探讨

北斗导航终端设备是典型的电子设备，由若干个元器件组成，其累积失效概率服从指数分布模型，即：

式中：

λ —在某应力水平下北斗导航终端设备整机及其组成元器件的失效率；

F( t)—在某应力水平下北斗导航终端设备整机及其组成元器件的累积失效概率函数。

根据可靠性建模理论可知，北斗导航终端设备整机的失效率与其组成的各元器件的失效率数学模型为：

式中：

i

λ—在某应力水平下第i个组成元器件的失效率；s

λ—在某应力水平下北斗导航设备整机的失效率。

根据加速试验理论，加速因子的定义为：产品在正常应力水平下达到某一失效概率所经历的试验时间，与产品在加速应力水平下达到相同失效概率所经历的试验时间之比。

根据GJB 299C和GJB 108B可知，元器件的失效率模型为：

式中：

ip

λ—在某应力水平下第i个组成元器件的预计失效率；

ib

λ—第i个组成元器件的基准失效率；

综合A上述三个公式，可以推导出：

式中：

AF—加速因子；

tsu—正常应力水平下，达到累积失效概率 F0时，对应的正常试验时间；

tSa—加速应力水平下，达到累积失效概率 F0时，对应的加速试验时间；

λSu—在正常应力水平下，北斗导航终端设备整机的失效率；

λSa—在加速应力水平下，北斗导航终端设备整机的失效率；

λiu—在正常应力水平下，北斗导航终端设备的第i个元器件的失效率；

λia—在加速应力水平下，北斗导航终端设备的第i个元器件的失效率；

λibu—在正常应力水平下，第i个元器件的基本失效率；

λiba—在加速应力水平下，第i个元器件的基本失效率，特别说明：部分元器件基本失效率不随应力变化即λibu＝λiba＝ λib定值，部分元器件基本失效率随应力发生变化即λibu≠ λiba；

πju—在正常应力水平下，第i个元器件的第j个因素的π系数；

πja—在加速应力水平下，第i个元器件的第j个因素的π系数；

F0—事先约定的目标积累失效概率值。

综上所述，北斗导航终端设备在高应力下相对典型应力下的加速系数为各组成元器件失效率的比值，因此，通过计算高应力和典型应力两种状态下的失效率，再通过进一步除法运算可确定北斗导航终端装备整机的加速系数AF。基于高温应力分析的北斗导航终端设备加速建模流程如图1所示。

2 北斗导航终端设备整机高温加速老化建模简化

考虑到元器件的失效率模型中工艺、材料、结构、技术成熟度、环境因素等的π系数是相等的，不随应力发生变化。通常的，部分元器件基本失效率ibλ随应力发生变化，部分元器件的温度系数Tπ随应力发生变化。因此，大部分π系数可在进一步运算时相互抵消。考虑到应力预计法计算的繁碎性，我们可进一A步对整机加速系数模型进行简化处理：

当以温度作为加速应力时，在某一时刻的反应速度与温度的关系，是19世纪Arrhenius从经验中总结得到的阿伦尼斯（Arrhenius）模型：

式中：

μ( Tl)—在 Tl温度应力水平下的退化速度；

Tl—第l组的温度，K；

A—频数因子；

Ea——激活能，以eV为单位；

K——玻尔兹曼常数，8.6171×10-5 V/K。

通过对GJB 299C和GJB 108B的深入研究，我们进一步可发现，多数元器件的失效率通常随着环境温度增大而上升，部分元器件基本失效率数据λb或温度系数数据π T也存在此类情况。究其原因，这部分元器件的基本失效率λb或温度系数πT函数往往为各种形式的加速模型。同时，我们注意到美军标与国军标存在一定差别，美军标采用π T体现应力带来的失效率变化，基本失效率通常是基准温度下给出一个定值，这样更为接近现代加速理论模型，πT等价于加速因子的概念。标准各类元器件加速模型形式较多，借鉴的加速模型经验参数相对而言较小，从而导致建模后计算得到的大部分元器件乃至整机的加速效应较小。

图1 基于高温应力分析的整机加速建模

最新发布的国际标准IEC 61709-2011《失效率的基准条件及转换应力模型》中，均采用阿伦尼斯高温老化加速模型进行电子组件可靠性预计，采用该标准的方法，可以大大简化电子设备的可靠性预计，同时，为我们采用其中的加速模型及其经验参数进行整机加速建模提供了参考。从IEC 61709的变化来看验证了我们对国军标和美军标相关问题的分析。尽管该新标准简化了可靠性预计，采用了相对简化统一的加速模型，但是模型经验参数缺乏依据性和科学性，如标准中大部分元件的Ea为0.15、分立器件的Ea为0.3，集成电路的Ea为0.45，少数种类器件Ea为0.6，从现代加速理论角度来看，这些模型参数取值依然较为保守。

因此，北斗导航终端设备整机的高温加速老化模型为：

考虑到当前标准中的加速模型参数特别是Ea取值相对当前认识和研究的结果较小，因此，利用较新研究的Ea数据重新置入后，可获得更接近现阶段研究认识的加速效应。

除了采取上述方法获得整机加速因子直接确定加速试验考核时间外，还有一种情况可能获得或假定整机激活能Ea，进一步设计加速试验剖面和计算加速因子，从而确定加速试验考核时间。

3 北斗导航终端设备整机综合应力加速模型的设计

上述，我们探讨了高温老化加速建模的问题，考虑到工作状态下可能承受温变、振动等综合应力的影像，为此，我们进一步探讨北斗导航终端整机的温度变化和振动应力加速模型。

1）振动应力下加速系数AFG的确定

根据GJB 1032-1990[7]、GJB 150[8]给出的不同振动应力下的等效时间公式，不同振动应力水平的加速系数AFG的计算方法为：

其中：

Ga—加速试验剖面中的振动功率谱密度；

Gu—传统试验剖面下的振动功率谱密度；

n—加速模型的逆幂次数，通常地n取2~7。

2）温度循环的加速效应

温度变化对电子设备尤其是各类互连结构的变形满足蠕变理论，不同的温度变化率产生的结构蠕变速率是不一样的，温度变化速率与循环次数（温变次数）满足逆幂模型。

其中：

Δ Ta—加速温变试验下高低温度差，ΔTa= Tah-Tal；

Δ Tu—常规温变试验下高低温度差，ΔTu= Tuh-Tul；

va—加速温变试验下温度变化速率；

vu—常规温变试验下温度变化速率；

Tah—加速温变试验下高温工作温度；

Tuh—常规温变试验下高温工作温度；

k, l, m—在分别为加速模型的温度梯度、温变率、高温差参数，在JEDS94标准中，k＝1.9、l－1/3、m＝0.01，通常地不同对象k、l、m值不同。

3）综合应力剖面的定性设计：

综合高温老化、快速温变和振动应力加速模型，我们可以设计出典型加速试验剖面，由高温、快速温变组成，同时时序施加振动应力，如图2所示：

推演出整机加速模型形式可表述为：

耦合效应问题较为复杂，为了简化工程实施，我们简化采取各应力加速效应匹配设计的 原则而忽略耦合加速效应，设计思路如图3所示：

4 加速试验剖面各应力与时间参数的量化计算

图2 某型北斗导航系统可靠性加速试验剖面

如表1所示，已知北斗导航电子装备可靠性指标MTBF为4000 h，典型加速试验剖面数据设计数据如表所述，每个循环经历-55、-45、36、43、36、70、60、41℃等8个温度段合计840 min，温度变化过程中温度变化速率均为Vu=5 ℃/min，同时，每个循环中产品经历振动应力0.05 g条件下经历6 min、0.01 g条件下经历714 min。则传统试验时间为4 000×1.204＝4 816（台时），当仅有1台样机进行考核时，则试验循环数为4 816÷（840÷60）＝344循环。根据每个循环的应力时间参数和试验循环数，可以推算出整个传统试验考核期间各类应力的总的施加时间。

根据传统试验剖面我们设计确定加速试验剖面几个参数：高温确定为Tah =85 ℃，低温确定为Tal=-55 ℃，温变率确定为Va= 15 ℃/min，考虑到低温没有加速效应，以充分浸透产品为原则，结合产品尺寸和结构，确定低温冷浸时间为48 min。我们还可以间接获得其它参数信息：△Ta=140，其余待定的参数有：加速试验循环数以及每个循环中高温保持时间、振动应力及其保持的时间。我们以快速温变的加速效应优先确定加速试验的总的循环数。

图3 加速试验各类应力匹配设计

获得加速试验循环数后，我们进一步计算每个循环高温老化加速的保持时间，从传统试验剖面和所需循环数，在假定获得整机激活能的前提下，我们可计算出每个高温保持段对应的加速因子以及加速试验所需的时间。在本项目中，假定已经获得整机加速因子为Ea=0.8，如前所述已知高温温度Tah=85 ℃，则一个传统试验循环各个高温段对应的加速试验等效时间计算如下表2所示，一个传统试验剖面高温保持时间对应折算到加速试验剖面下为28.4 min，由于传统试验剖面有344个循环，则整个加速试验对应高温加速时间为344×28.4＝9755 min，已知加速试验循环数为74循环，则每个加速循环匹配的高温时间为：9 755÷74＝131.8 min。

表1 快速温变加速计算（温度单位：℃）

最后我们确定振动应力及其对应时间，由于传统试验中最大振动量值为0.05 g，我们采取它作为加速试验的量值，则我们进一步计算出传统试验中总振动时间，再利用加速效应计算出加速试验中总振动时间和应该分配到每个循环中的加速振动时间，如表3所示。

表2 高温老化加速计算

表3 振动加速计算

由此我们根据各类加速应力加速效应匹配的原则完成了加速试验剖面设计，每个循环试验时间为：48+9+131.8＝197.8 min，合计74个循环，则整个加速试验时间为197.8×74÷60＝244 h。因此，我们可以计算出加速试验相对传统试验的总体加速效率：

4 816÷244＝19.74倍 （10）

当然，该加速效率的计算中，忽视了传统试验中低温段时间直接被压缩掉了，也计算到了总体加速效应中。

5 结论

本文针对北斗导航终端设备高可靠性指标考核的需要，综合应用典型高温、温循、振动应力对应的高温老化、热疲劳和机械疲劳机理，通过采取各类加速效应匹配的思路，进行了加速试验剖面综合设计， 可以解决北斗导航终端设备整机加速试验的问题，大大缩短了试验考核时间，可提高试验效率、缩短试验时间和显著降低试验费用。

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[7] GJB 1032-1990 电子产品环境应力筛选方法[S].

[8] GJB 150-1986 军用设备环境试验方法[S].

沈炉明，男，（1975-），合肥工业大学，主要从事环境试验和可靠性试验研究以及北斗技术标准、测试平台研究。

Research on Reliability Accelerated Test and Rapid Evaluation Technology of Beidou Navigation Terminal Equipment

SHEN Lu-ming1, GAO Jun2,3, WEN Wu3
(1.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663; 2.South China University of Technology, Guagnzhou 510000; 3.Guangdong Scientific Verification & Testing Engineering Technology Co., Ltd., Guangzhou 510000)

The traditional reliability test of Beidou navigation terminal equipment will take a long time and high cost, it is difficult to achieve in the short time to complete the high reliability index assessment.This paper refers the technology of acceleration modeling and acceleration model parameters in related standards, the acceleration model, accelerating test profile and accelerating test scheme of Beidou navigation machine are designed.In addition, the acceleration factor of Beidou navigation terminal equipment is estimated in advance, and the acceleration test of Beidou navigation can be completed by a group of samples to realize the rapid evaluation of Beidou navigation terminal equipment high reliability index.

Beidou navigation; accelerated modeling; accelerated test acceleration factor; rapid assessment

TB114.3

A

1004-7204（2016）05-0090-06