环境试验讲义(学)

1培训教材老化、环境及可靠性试验冯敬东信息产业部电子第五研究所研究分析中心赛宝可靠性研究分析中心2第一章可靠性概论可靠性的基本概念和理论1．1可靠性工作的特点1．2可靠性工作的技术内容1．3可靠性试验的意义第二章可靠性试验的分类2．1试验目的分类2．2试验场地分类2．3试验方法分类2．4型式试验（验证试验、定型试验）2．5例行试验第三章可靠性试验3．1可靠性试验的要素3．1．1试验条件3．1．2故障判据3．2试验的基本原则3．3试验的综合安排第四章老化试验与筛选4．1环境应力筛选定义及其说明4．2环境应力筛选作用4．3环境应力筛选的基本特性4．4筛选用的典型环境应力4．4．1恒定高温4．4．2温度变化4．4．3扫频正弦振动4．4．4随机振动4．5温度变化与随机振动效果的比较4．6各种应力筛选效果的比较4．7试验方案及评价方法4．8注意事项4．9老化试验第五章环境试验5．1环境试验标准和试验步骤5．1．1环境试验标准5．1．2试验顺序5．2环境应力对产品的影响5．2．1温度应力对产品的影5．2．2湿度对产品的影响5．2．3机械冲击和振动对产品的影响5．3环境试验内容35．3．1高温试验的试验技术5．3．2低温试验5．3．3温度变化试验5．3．4湿热试验5．3．5机械振动5．3．6大气腐蚀试验*5．3．7其他试验*5．3．8综合试验*5．4如何制定环境试验方法5．4．1有具体标准规定的环境试验5．4．2无具体标准规定的环境试验方法5．4．3针对失效机理的试验方法4第一章可靠性概论国民经济和科学技术的发展，对产品的质量提出了越来越高的要求，不仅要求电子产品具有良好的技术性能，而且希望它能作到高可靠、长寿命。所谓产品的可靠性，就是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。由于人们希望对产品的可靠性从定性的认识上升到定量的认识，因而便提出了失效率、平均无故障工作时间、可靠度、维修度、有效度等可靠性指标。可靠性指标是衡量产品质量的重要内容之一。怎样评价产品的可靠性？产品可靠性水平不高的原因是什么？如何分析并提高产品的可靠性？这一系列的问题，就构成了可靠性这一学科的主要内容。可靠性的基本概念和理论a．可靠性的定义•产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力•产品的主要性能参数在规定条件下随时间变化的稳定程度•产品所能适应的环境应力范围•产品的寿命、失效率或质量等级•必须消除或控制产品的失效模式b．可靠性发展的历史国外40年代重视可靠性，50年代调查分析、统计试验，60年代失效分析，70年代可靠性工程国内:60年代提出可靠性问题、70年代开展可靠性研究（军用七专生产线、民用彩电可靠性）80年代以后可靠性保证、管理、系统工程可靠性是战争的产物；是军用产品的重要指标；是企业的命脉c．可靠性概念可靠性相关因素：工作和环境条件、规定时间、规定功能（失效判据）产品的失效分类产品的失效可以分为：a．致命失效、漂移性失效、间歇失效等。B．早期失效、偶然失效和耗损失效5致命失效是指产品完全失去规定功能能力的一类失效。漂移性失效是指产品的一个或几个参数超过规定值所引起的一类失效，如半导体器件的电流增益、反向漏电流的漂移超过所规定的数值，电阻器的阻值，电容器的容量、损耗角正切、绝缘电阻发生漂移引起的失效等。间歇失效是指产品在使用或试验过程中呈现时好时坏一类的失效。（管壳内混有可动导电微粒，造成振动引起的瞬时短路）独立失效系指和系统中其他失效不相关的失效。从属失效系指因系统中某一部件失效而引起的相关失效。早期失效往往是由于产品存在有先天不足的缺陷所造成的。对于可修复的产品而言，两次故障之间的时间间隔称为该产品的寿命。d．可靠性指标可靠度R(t):产品在规定条件下使用时间t后，还能完成规定功能的概率随机事件、概率R(t)=p(Tt)R(t)=[N-n(t)]/NN为总数、足够大、n(t)t时刻的失效数累计失效概率（寿命分布函数）F(t)：产品在规定条件下工作到时间t的失效概率F(t)=Q(Tt)F(t)=n(t)/nN为总数、足够大、n(t):t时刻的失效数F(t)+R(t)=1失效概率密度函数f(t)：产品在t时刻的单位时间内的失效概率f(t)=dF(t)/dt失效率λ（t）＝f(t)/R(t)浴盆曲线失效率单位1Fit=1*10-9/小时e．寿命特征•在明确一在明确一批产品的失效率λ((t)特征后，可得到表征寿命的特征量：平均寿命(MTBF)可靠寿命：R(t)=r所经历的工作时间中位寿命：R(t)=0.5所经历的工作时间6特征寿命:R(t)=1/e所经历的工作时间f．常见的分布函数指数分布：偶然失效期的特征，失效率为常数正态分布：众多随机因素的综合影响表现为叠加或均匀耗损期的特征，对数正态分布：众多随机因素的综合影响表现为连乘，半导体器件多符合威布尔分布：凡由于局部失效而导致整体失效的模型1.1可靠性工作的特点可靠性工作有其自身的特点，产品的可靠性指标与产品技术性能有着极为密切的联系。产品的可靠性指标，可以针对某些单项技术性能指标而言，也可以针对许多技术性能指标的综合而言。产品的可靠性，不但有与设计和生产有关的所谓“固有可靠性”，而且有与使用条件有关的所谓“使用可靠性”。有人将“可靠性”称为“质量的时间指标”。因此，时间应力对于产品可靠性的影响是不可忽视的。产品的可靠性指标与产品的技术性能指标之间还有一个很重要的区别。那就是产品的技术性能指标可以通过仪器的直接测量，用灵敏度、选择性、不失真功率、图象明亮度、清晰度、保真度来表示。而产品的可靠性指标是一个统计指标，只有在进行可靠性试验、分析及调查研究的基础上，才能对产品的可靠度、失效率、有效度以及寿命特征进行正确的统计评价。可靠性指标的综合性决定了可靠性工作内容的广泛性；可靠性指标的时间性及统计性决定了可靠性评价和分析方法的特殊性。影响产品可靠性的因素是多方面的，既有原材料和元器件方面的因素，也有设备及系统工程方面的因素；既与设计生产技术有关，也与科学管理水平有关。可靠性工作具有科研和管理双重性，可靠性管理和可靠性技术是可靠性工作中两个不可缺少的环节。1.2可靠性工作的技术内容可靠性技术是研究如何评价、分析和提高产品可靠性的一门综合性的学科。可靠性技术与数学、物理、化学、管理科学、环境科学、人机工程、系统工程以及电子技术各专业学科密切相关并相互渗透。研究产品可靠性的数学工具是概率论与数理统计学；暴露产品薄弱环节的重要手段是进行环境与寿命试验；评价产品可靠性的重要方法是收集可靠性信息并进行统计分析；分析产品失效机理的重要基础是失效物理学；提高产品可靠性的重要途径是加强可靠性管理、制定可靠性计划、研究可靠性理论，暴露并分析产品的薄弱环节、进行信息反馈、应用可靠性技术、开展可靠性设计和可靠性评审。7可靠性技术包括可靠性系统分析、可靠性设计、可靠性生产、可靠性维护、可靠性试验、可靠性失效分析以及可靠性数据收集处理和交换技术等等。1.3可靠性试验的意义可靠性试验是为评价分析产品可靠性而进行的试验。通过可靠性试验可以确定产品在各种环境条件下工作或贮存时的可靠性特征量，为设计、生产、使用提供有用的信息。通过试验也能充分暴露产品在设计、原材料、工艺等方面存在的问题，经过失效分析进而找出改进的措施。在这样一个“发现－分析－纠正”的循环中，不断地提高产品的可靠性。由此可见，开展可靠性试验和进行失效分析是生产高可靠产品的重要环节。可靠性试验的目的是:(a)发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷。（摸底）(b)为改善产品完好性、减少维修费用及保障费用提供信息（鉴定）。(c)确认是否符合可靠性定量要求。（验收）(d)评价产品的使用寿命。因此，不要认为可靠性试验只是为了对产品作出接收、拒收或合格、不合格的结论，另一个重要的作用是通过可靠性试验发现产品的存在的问题，采取有效的措施予以纠正，从而提高产品的可靠性。可靠性与费用的关系一般来说，可靠性试验的费用较高。但如上所述，有效的可靠性试验可成十倍地提高初始样机的可靠性，因此从费效比来权衡，还是值得的。当然，这并不排斥要充份利用其他试验的信息、或与其他试验结合起来节省费用。可靠性工作的经济效益对产品进行可靠性投资可以提高产品的良品率，延长产品的使用寿命，减少产品的维修费用，降低产品的备份数量，扩大销售额，缩短研究周期，从而在产品的整个使用寿命周期内，将会节省和回收更多的资金。对产品的可靠性要求越高，其投资费用也就越大，而维修费用就会越低。图1－1可靠性试验费用与维护费用8第二章可靠性试验的分类可靠性试验的分类由于不同的应用有不同的分类方法，下面从试验目的、试验场地、试验方法分类。2．1按试验目的分类可靠性试验可分为工程试验与统计试验两大类。工程试验的目的在于暴露产品的可靠性缺陷并采取纠正措施加以排除(或使其出现率低于容许水平)。这种试验由承制方进行，以研制样机为受试产品。在试验过程中，如产品出现可靠性缺陷(故障)，一般即时撤换故障件，修复后继续进行试验。对故障原因进行分析，采取有效的针对性措施予以纠正，提高产品的可靠性。(装备研制与生产的可靠性通用大纲GJB.450—88)工程试验包括“环境应力筛选试验”及“可靠性增长试验”。环境应力筛选试验是应力筛选的一种。是为发现和排除不良零件、元器件、工艺缺陷和防止早期失效的出现在环境应力下所做的一系列试验。典型应力为随机振动、温度变化及电应力。(电子产品环境应力筛选方法GJB1032-90)可靠性增长试验是为暴露产品的可靠性薄弱环节，并证明改进措施能防止可靠性薄弱环节再现(或使其出现率低于容许水平)而进行的一系列可靠性试验。（可靠性增长试验GJB1407－92）统计试验包括可靠性测定试验及可靠性验证试验。可靠性测定试验是为确定产品的可靠性特性或其量值而进行的试验。这是一种目的不在验收与否的可靠性试验。承制方通过可靠性测定试验对产品当前达到的可靠性水平获取信息，来判断离开要求的水平还有多大距离。这是一种经常被忽视但很重要的可靠性试验。可靠性验证试验是为确定产品的可靠性特征量是否达到所要求的水平而进行的试验。可靠性验证试验的目的是为了验证产品的可靠性，主要不是在于暴露产品的可靠性缺陷(当然，对可靠性验证试验中暴露的重大可靠性缺陷，承制方有责任找到原因并采取纠正措施)。可靠性验证试验的试验计划由承制方制订，但因牵涉到接收、拒收，合格、不合格的判决，故必须经订购方的认可。它分为可靠性鉴定试验与可靠性验收试验。可靠性鉴定试验是为确定产品可靠性与设计要求可靠性的一致性，并以此作为批准定型的依据(对维修性而言，亦称为验证试验)。可靠性验收试验是用已交付或可交付的产品在规定条件下所作的试验，其目的是确定产品是否符合规定的可靠性要求。（可靠性鉴定和验收试验GJB899－90）92．2按试验场地分类可靠性试验可以是实验室试验，也可以是使用现场试验。实验室试验(laboratorytest)是在实验室内模拟实际使用条件或在规定的工作及环境条件下进行的试验。使用现场试验(eldtest)是在实际使用状态下所进行的试验。对产品的工作状态、环境条件、维修情况和测量条件等均需记录。实验室试验是在规定的受控条件下的试验。它可以模拟现场条件，也可以不模拟现场条件。大多数装备是在不同的、比较复杂的环境条件下使用的。产品在不同的环境下使用时，可靠性不一定相同。在实验室试验中，显然不可能去模拟各种使用环境。因此必须根据各种可能的使用环境条件及其出现概率，综合出一个有代表性的典型的实验室试验用的环境条件，供实验室试验使用。使用现场试验从原理上说，能最忠实地反映产品的实际可靠性水平。但是这里也有很多问题，如上所述，不同使用环境的产品可靠性是不一定相同的。而使用现场试验的环境条件不可控，因此现场可靠性数据需要折算到标准的典型环境条件下的可靠性，由于这种折算关系相当复杂，一般只能作一些近似折算。更重要的问题是使用现场试验往往需要较长的试验时间，因此只有在投入使用现场试验较长时间后，人们才能测定产品的可靠性或发现它的潜在缺陷。这时再要采取纠正措施，即使还来得及