已知产品寿命之加速寿命测试模式探讨

Proc.ofthe6thR.O.C.Symp.onR&M(2005)1已知產品壽命之加速壽命測試模式探討以電磁接觸器為例湯岳儒國立交通大學機械工程學系摘要隨著新時代產品的生產週期逐漸的縮短，如何在短時間內了解產品的壽命狀況與其可靠度的變化行為愈趨重要，如何擬定一套方法來縮短產品測試的時間，加速壽命試驗可達此一目的。本文引用Jayatilleka及Mogilevsky等學者所提出的加速壽命試驗的理論和觀念，將其實際應用於電磁接觸器的加速壽命測試與可靠度分析研究。本文係透過不同操作頻度條件設定，進行產品的加速壽命測試，且於合理的短時間內取得產品失效數據，並求得產品之各種嚴苛應力下所對應之可靠度分佈的參數值及加速因子。同時推估其正常使用條件的壽命，並與已知產品壽命比對其誤差在可接受的5%範圍內。文中並以圖解方式，推估產品應用於各種不同應力水準下之壽命狀況，同時加速壽命試驗應用之嚴苛應力種類及水準範圍亦將被探討，期待藉由此研究，有助於對產品的加速壽命試驗相關探討有更清楚的了解。關鍵詞：加速壽命試驗、可靠度分析、嚴苛應力、加速因子StudyontheAcceleratedLifeTestviaExistingProductLifeModelACaseStudyofContactorYuehJu,TangDepartmentofMechanicalEngineeringofNationalChaioTungUniversityABSTRACTIt’sgradualtoshortenproductiondurationofnewproductshadbeenrequired.Therefore,itmustdraftaplantounderstandlifetimeofproductandthetendencyofreliabilityversustime.Acceleratedlifetestcanbereachedthepurposewithinthereasonabletime.Inthisthesis,theconceptandtheoremhadbeenofferedbyscholarsJayatillekaandMogilevskyetc.willbeapplied.MeanwhiletheknownlifeofaMagneticContactorhadbeenactedasavehicletoexploredtheacceleratedlifetestproceduresandreliabilityanalysis.Thedifferentoperationratinghadbeenappliedintestvehiclesunderacceleratedlifetestandthefailuredatawouldbegottenatreasonableperiod.BasedonthefailuredataandvariousextremestressestheparametersoftheWeibulldistributionandtheacceleratedfactorshadbeenevaluated.Thereforethelifetimeoftestvehiclewillbeevaluatedbytheextremestressesversusoperatingstressinaccordancewiththeacceleratedfactor.Theevaluatedresulterrorcanbeacceptedwithin5%.Thegraphicalmethodisalsoappliedtoelevatetherelationshipoftheproductlifeversusvariousextremestresses.Atthesametimetheclassifyandlevelrangeofextremestressesarealsobeexploredwithintheprocessofthestudyinordertounderstandclearlytherelatedprincipleofacceleratedlifetest.Keywords：Acceleratedlifetest,reliabilityanalysis,extremestresses,acceleratedfactor.中華民國第六屆可靠度與維護度技術研討會論文集(民國94年)21.緒論1.1前言在這個競爭激烈的時代，時間已成為主宰企業產品成敗的關鍵因素，因此，如何爭取良好產品推出的時效，同時降低開發試驗費用，已成為各企業經營管理的目標之一。近年來，產品的生命週期愈發縮短，因此，誰能在最短時間內推出新產品，誰就會是贏家。在科技日新月異的今天，產品的可靠度也隨著顧客對品質的要求而相對的被重視，然而，可靠度指標必須借助產品的壽命測試數據以獲取結果；但產品壽命數據的取得，不易依正常的使用條件快速地來獲得，尤其對於高壽命的產品而言。因此，欲儘速獲取產品的失效數據以推估產品的可靠度值，一般可利用提高對於產品所施加之應力值方式，進行產品的加速壽命試驗，以期待產品在短時間內產生失效以獲取數據，再依其失效數據分佈情形來作分析，並推估正常應力下之壽命分佈狀況。加速壽命試驗是應用較正常情況嚴苛的條件，以期待在時間上加速產品的劣化程度，進而推定產品在正常使用狀態下的壽命分佈狀況或其失效率。如影響產品的劣化程度之條件單純，便很容易來擬定加速壽命試驗計畫，然產品的失效模式常因承受之嚴苛應力不適當，而導至失效模式不同於正常使用條件，且常因產品的失效條件複雜，若要對這些影響失效的因子均同時考慮以進行加速壽命實驗，誓必會因失效模式的不同而使得加速性不成立，也可能發生實用性不佳的加速壽命試驗模式；因此，為求擬定一適當的加速壽命試驗計畫，大都可透過事先了解產品的特性，再予以規劃，以免透過加速壽命分析的結果，無法正確推估正常狀況下之結果。本研究是以一已知壽命之電機產品，施以較正常使用操作條件嚴苛之應力，使其在短時間內產生失效，以獲取產品壽命失效數據之資訊，進而推估正常使用條件下之產品的可靠度與時間的關係，並由已知壽命之產品來驗証所建立之加速壽命推估模式及相關參數的正確性。1.2研究動機與目的為了增快產品的推出的時機，如何在有限的時間內以正常使用條件取得失效數據以完成產品的可靠度分析，明顯地有所因難，所以如何在短時間內了解產品的壽命分佈及其可靠度狀況是一重要的課題。由相關文獻中可得知加速壽命試驗可達此一目的，但常因推估壽命水準極高，所以無法來驗証所推估之壽命的分佈結果是否正確，故本研究動機乃利用一已知壽命之產品，擬定一適當的加速壽命測試的方法，期望能在短時間內來獲取失效數據，進行分析數據並建立適當模式以推估正常應力使用下之壽命值。並由驗証實驗與廠商所提供之壽命值來相比對，計算其誤差值且判斷是否落於卡方分佈的範圍中。本研究的目的將利用一符合國際電工規範IEC400V/4.5Kw容量20安培額定之市售電磁接觸器為例，配合可靠度與加速壽命試驗相關理論，應用不同種類之嚴苛應力，來規劃一適當的加速壽命試驗計畫。以往文獻中產品壽命測試與其失效數據分析，是以對於產品施以一嚴苛之應力值，觀察並分析其失效數據，並由美軍規範中查得相關參數值，可預估正常使用應力下的產品平均壽命與失效數據的分佈狀況。本文中對於已知壽命之電機產品施予多種之嚴苛應力，期望找到對於壽命影響程度較大之嚴苛應力種類，並由逐步加嚴試驗來決定應力等級。其中相關參數，如產品之消耗能量、電壓嚴苛應力之權重值等等，將以多水準的嚴苛應力施予產品之中，比較其失效情況可求得相關參數值，並將所估計得之平均壽命值，繪入對數圖紙中，透過相關迴歸分析原理，可在短時間內推得產品壽命與應力間的關係，再與正常使用條件下之壽命值相比較來驗証之。2.文獻回顧為了能縮短所需測試的時間及花費之資源，欲於短時間內評估產品的可靠度，常對予產品施加較嚴苛之應力，使產品早期發生失效，所進行之試驗稱為加速壽命試驗[陳耀茂，2001]。一般而言，加速壽命試驗考慮的因素大多包含有3個要素:分別為環境應力、測試時間及試驗所須之樣本數，如何在3種因素中選一適當值來進行實驗，並依其實驗結果來預估產品可靠度變化情形，實屬一重要課題。2.1文獻回顧與探討加速壽命試驗的成敗關鍵是如何掌握加速壽命試驗之加速因子(AcceleratedFactor)，該加速因子可表示為將高低應力分別施於產品上，其產品失效結果的加速程度，再應用其結果去預估第3種應力試驗下之壽命。一般標準的電機電子類零件其加速壽命參數及可靠度模式，可由美軍軍方標準手(MIL-HDBK-217D)及其相關規範中查得。也可利用熱應力如溫度來做為產品之嚴苛負苛或環境來加速獲得失效數據，其分析的方式則可採Arrhenius模式[賴耿陽，1988]；如為非熱應力如電壓等，則使用反乘幕法則(InversePowerLaw)模式[阮光業，1990]；如Proc.ofthe6thR.O.C.Symp.onR&M(2005)3為複合應力模式(CombinationModel)則可利用Eyring加速壽命試驗模式來估計壽命與應力間之關係[賴耿陽，1988]；除此之外，也可利用使用者對產品使用累積之經驗，建立零件所適用之加速壽命之模式，其中加速壽命試驗的方法可分為頻率加速，即增多間歇動作的反覆次數，或成連續動作而謀求頻率加速的有效性，另一方面則是加重動作應力或環境應力，短時間內使製品強製故障的方法，又稱強製劣化試驗[賴耿陽，1988]。在所施加之嚴苛應力中，通常施加一定應力，但也有使用應力隨時間變化的逐步而加嚴的加嚴應力試驗。應力加速法須慎選應力的種類、大小等。所施予嚴苛應力中包含有環境溫度、濕度、產品所承受之應力、電壓及其增多間歇動作的反覆次數等，本章針對過去文獻中所提及實驗環境條件、方法及理論，回顧數篇文獻並歸納如下：2.2加速壽命試驗方法可靠度試驗的目的在於驗証系統或產品是否能達到所要求的可靠度。因現代科技進步的緣故，產品壽命也逐漸的提升，但在現今社會裡，產品朝多樣化發展且汰換速度甚快，以至產品的生命週期甚短，為達快速地了解產品之壽命狀況，進而了解產品的品質並改善產品之品質達到理想的境界或要求，而欲於短時間內取得產品的失效分佈模式，可使用加速壽命測試來達此一目的。加速壽命試驗是在物理與時間上，加速產品的劣化速度，以較短的時間試驗，獲取必要之壽命分佈數據，進而予以推估產品在正常使用狀態的壽命或失效率[柯輝耀，1997]。一般所使用的加速測試方式，有2種模式，其一為物理模式，其二為統計模式，在物理模式中是對於產品施予較嚴苛應力，再依其失效情況來推估正常使用應力下之壽命分佈，在所施予嚴苛應力中可分為熱應力、非熱應力與複合應力等；其二為統計模式，其中若對於產品若已有了一些使用經驗，或是已知產品失效分佈相關公式，則可採用貝氏法則，另一方面則是找尋常態應力和嚴苛應力條件二者累積失機率函數(CumulativeDistributionFunction；簡稱為CDF)之間的關係，稱為時間轉換式[阮光業，1990]。2.2.1熱應力(ThermalStress)溫度的變化對於電機產品壽命影響，有十分密切的關係，因為電機元件其內部材質因溫度化學變化的速度是隨著溫度的不同而改變，這種關係在化學上是稱做Arrheniusequation的關係[阮光業，1990]。Kuhara等討論有關光電二極管多硫亞氨之鈍化薄層(photodiodespassivatedwithpolyimidethinfilm)之可靠度值，其應力水準分別採用110、130、150℃的溫度下進行加速壽命試驗，假設該產品之可靠度服從韋氏分佈，則可利用韋氏機率圖紙來求得其形狀參數約為2.2，其對應之平均壽命值分為為500、1700、6000小時，並利用單邊對數圖紙來推估得活化能為0.8eV，進而推得在室溫條件下平均壽命為107小時[Kuhara,Y.etal.,19