加速试验
1.引言
----为了提高竞争能力，使产品进入市场的时间最短，满足用户的期望，企业转向采用复杂的试验方法和手段。今天的许多产品都能在极端环境应力下工作数千小时而不出现失效。传统的试验方法已经不足以找出设计弱点或验证寿命预计值了。
----加速试验方法能够在一定的试验时间内获得比平常多的信息。它采用的试验环境比正常设备使用时遇到的环境要更严酷。由于使用了较高的应力，加速试验必须注意避免引起正常使用中不会遇到的失效模式。使用的加速因素（或单个或组合）包括有：
?更频繁的功率循环
?更高的振动水平
?高湿度
?更严酷的温度循环
?更高的温度。
----加速试验一般分为两类，每一类都有其特定的目的：
?加速寿命试验——寿命估计
?加速应力试验棗找出（或确认）问题/弱点，并改正。
----两类试验之间的区别既细微又显著，包括试验所根据的基本假设前提，构成试验所使用的模型，试验设备和试验箱，试验本身进行的方式以及试验结果数据的分析和解释方法。表1是两者的比较。
表1：两类主要的加速试验
试验目的和方法说明
加速寿命试验（ALT）使用模型建立起高应力下的测量可靠性（寿命）与正常使用条件下的预期可靠性（寿命）之间的关系，以确定寿命长度要求：
?了解预期失效机理
?掌握有关这一失效机理的加速幅度与加速应力之间关系的知识
加速应力试验（AST）使用加速环境应力使潜在缺陷或设计弱点变成实际失效，以找出会引起现场失效的设计、部件或生产问题。要求对基本失效机理有全面的了解（至少具有相关的实用知识）。对产品寿命的估计可关心也可不关心。
----加速试验进行的级次是非常重要的。某些加速方法只适合于部件级的试验，而有些则只可用于较高的组件级，只有很少一部分方法既可用于部件级又可用于组件级。对部件级完全有效的基本假设和模型可能对较高的设备级试验完全无效，反之亦然。表2提供了在两个主要级次（设备和元器件）上进行试验的信息。
表2：加速试验进行的级次
级次限制说明
设备级通常很受限制；很少进行。要建立起高应力设备失效率与正常工作条件下的失效率之间的有效关系模型是很困难的。另外，要形成不会改变设备内发生的失效机理的应力条件也是很困难的。在设备上有效应用加速试验的一个例子是：对只在一个轮次中正常工作的系统，或只在一次飞行之前和过程中操作几小时的航空电子设备，提高其工作循环。在这种情况下要在试验中提高工作循环是很容易的，受试系统一天可连续工作3个轮次，或让航空电子设备连续循环，只让两次模拟飞行之间有足够的时间使设备内的温度稳定到非操作状态。虽然每个操作小时的失效率并没有改变，但每天出现的失效数增加了。这类加速试验一般是在可靠性鉴定试验中进行的，虽然并没有得到广泛的认识，但实际上它确实是一种加速试验。
元器件级元器件（部件）一般比设备的失效模式要少，因此要找出能够有效加速失效率而又不严重改变失效机理的应力要容易得多。一定的应力通常可加速一个或以上的潜在失效机理，如与电压有关的电容介质击穿，或与湿度有关的腐蚀。在这种情况下，找出一个加速度模型建立失效率与操作应力的关系通常较容易。为此加速寿命试验被广泛用于元器件，这一方法对大多数类型的部件和部件应用都是值得高度推荐的。
1.加速试验模型
加速试验模型建立起失效率或元器件的寿命与一特定应力之间的关系，以便加速试验过程中取得的测量值可以外推回到正常操作条件下的预期性能。在此隐含的假设前提是：应力不会改变失效分布的形状。
表3总结了3个最常用的加速试验模型。这些并不是唯一能用的模型。在选择模型时，关键原则是：它可准确建立加速条件下可靠性或寿命与正常操作条件下可靠性或寿命之间的关系模型。在为特定应用选择适当的模型和适当的有效范围时要非常认真仔细。对选择的理由进行记录归档也是很重要的。
表3：常见加速试验方法
模型名称定义公式
逆幂定律
式中N为加速度系数
阿列尼厄斯加速度模型
其中
寿命=寿命衡量尺度，如一组部件的平均寿命
A=由部件实验决定的常数
e=自然对数的基数
E=激活能（电子伏特椖芰康暮饬砍叨龋??扛鍪?Щ?矶加卸捞氐闹怠?/P>
k=波尔兹曼常数=8.62x10-5eV/K
T=温度（K）
Miner的原则（疲劳损坏）
其中
CD=累积范围
CSi=以一定平均应力Si施加的循环数
Ni=在应力Si下的失效循环数（根据特定材料的S-N图而定）
k=施加负载数
假设每个部件都有有限的使用疲劳寿命，每个循环都消耗这一寿命的一小部分。当每一个负载增量损坏的总和等于1时就有可能发生失效。但Miner的原则并不延伸到无限。它只在材料的屈服强度之内有效，超过这一点就不再有效了。
2.加速试验中的先进概念
----过去大多数加速试验都是用单应力和恒定应力剖面来进行的。这包括循环应力（如规定极限之间的温度循环），其中固定不变的是循环（温度上、下限和温度变化率），而不是温度。但在加速试验中，应力剖面不需要恒定，也可使用应力组合。下面是一些常见的非恒定应力剖面和组合应力剖面：
?分步应力剖面试验
?渐进应力剖面试验
?高加速寿命试验（HALT）（设备级）
?高加速应力筛选（HASS）（设备级）
?高加速温度和湿度应力试验（HAST）（部件级）
----高加速试验是系统地施加远超过产品使用过程中预期水平的环境刺激源。因此对结果需要认真解释。它可用于确认相关故障，保证产品有超过正常操作环境下生存所需的足够的强度范围。高加速试验意在大大减少找出这些缺陷所需的时间。该方法可用于开发试验或筛选。
----HALT是一个开发工具，HASS是一个筛选工具，两者通常联合使用，是较新的有别于经典加速试验的方法。它们的特定目标是在改进产品设计时使生产变化和环境作用对性能和可靠性的影响降到最小。定量寿命或可靠性预计常常不在其考虑范围内。
----分步应力剖面试验。使用分步应力剖面，试验品首先经过一定时间和一定水平的应力，然后在接下来的时间内接受较高水平的应力。这一过程随着应力水平逐步提高而继续下去，直到所有样品都失效，或施加了最大应力水平结束的时候。这一方法能比分析更快地找出失效。但用这种方法很难适当地建立加速度模型，因此也很难定量预计产品在正常使用情况下的寿命。
----在任何一个步骤中应力应该提高的量与许多变量有关，这超出了本文的讨论范围。但在试验设计中要遵循的一个通用原则是：最终要以充分的余量超过预期的环境，以便所有元件（如果没有缺陷的话）都能在现场环境和筛选环境中生存。
----渐进应力剖面试验。渐进应力剖面或“斜升（ramp）试验”是另一个使用频繁的方法，应力水平是随时间逐渐增加的。其优点和缺点和分步应力试验相同，除此之外，它还难以准确控制应力增加的速度。
----HALT试验。HALT这一术语1988年由GreggKHobbs提出。HALT一词有时指应力加寿命试验（STRIFE），是一种开发试验，一种增强型的分步应力试验。一般用于发现设计的弱点和生产过程问题，目的是提高设计的强度裕度，而不是预计产品的定量寿命或可靠性。
----HASS试验。HASS是一种加速环境应力筛选。它提供了产品遇到的最严酷的环境，但一般时间很有限。HASS的目的是达到“技术的基本极限”，即应力的小量增加就会大量增加失效的应力水平。例如塑料的软化点。
----HAST（高加速温度和湿度应力试验）。随着电子技术最近的发展和技术改进的速度，几年前才设计的加速试验对于今天的技术来说可能已不再足够和有效。特别是专用于微电子的那些加速试验。例如，由于塑料IC封装的改进，传统公认的85℃/85%RH温度/湿度试验现在一般要花几千小时才能发现新集成电路中的所有失效。在大多数情况下，试验样品在完成了整个试验时都没有出现任何失效。没有失效的试验可告诉我们的东西极少。但我们知道产品在现场中仍然会偶尔失效。因此，我们需要进一步改进我们的加速试验。HAST的目的是尝试取代旧的温度/湿度试验。
4．结语
----一个加速试验模型是通过相关产品在正常应力水平下和一个或一个以上的加速应力水平下所进行的试验而获得的。在使用加速环境来认识和恰当地确认将在正常现场使用中发生的失效和非正常使用的失效时要非常小心。由于加速环境一般意味着施加超过预期现场应力的应力水平，因此加速应力可引起在实际现场使用中不可能发生的错误失效机理。例如，把受试产品的温度提高到材料性质改变或超过潜伏激活阈值的程度，就可能发现正常现场使用中不会发生的失效。在这种情况下，改正失效可能只会增加产品的费用而不能提高可靠性。了解真实的失效机理对于消除失效的根源是最为重要的。