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作者：胡詩妍 趙德良 單位：中國人民公安大學 大唐聯誠信息系統技術有限公司
環境應力條件與邊界條件
移動通信系統的可靠性試驗是檢驗產品質量的一個重要手段之一?？煽啃栽囼炓话惆N類較多,而其中的可靠性篩選試驗又有元器件級、單元級和系統級。篩選試驗需關注的因素有試驗應力條件的選取、試驗剖面的制定以及監控和過程控制等,尤為重要的是應力條件的確定。環境應力(EnvironmentalStressor)是指產品受所處環境的影響而使產品受到的環境壓力的因素。電子產品的一般環境應力通常指環境四應力,即溫度應力、濕度應力、振動應力、電應力,加上氣壓應力和電磁應力,也有稱環境六應力。而我們常說的環境適應性是指產品對工作背景下的自然和社會環境的適應能力,若為加快激發產品的缺陷,有時選取高于自然和社會環境應力的條件和剖面,也就是常說的加速應力。
1篩選試驗應力選取的現狀和問題首先,一般篩選試驗的初始條件依據國家和行業標準規定的應力條件選取,因標準規定的應力條件門檻低,對高可靠性產品,不易很快激發產品缺陷,往往費時費力,增加試驗成本;其次,一些篩選試驗的組合應力目的性不明確;第三,多數綜合試驗箱提供的應力不夠全面,往往不能全面激發產品缺陷,如大多無法同時提供電磁條件,但產品實際應用中電磁條件卻客觀存在;第四,試驗過程中的監控方法科學性和全面性重視不夠,如有些同行試驗中只監視局部的軟件功能等。由于上述現狀,多數同行在試驗中往往會遇到一些尷尬的問題。不使用加速應力時,面臨長時間無法找到產品缺陷的窘境;使用加速應力時,加速因子或步進應力一旦控制不好,往往造成不必要、不正確,甚至破壞性的故障觸發,不僅浪費人力物力,而且并不能說明一定是產品的缺陷。因一般篩選試驗應力選取具有上述的不足,為了提高篩選試驗效率,全面覆蓋環境應力,本文結合多年可靠性篩選試驗的經驗,提出了邊界條件的概念。
2邊界條件概念的提出工作條件是指產品使用地區的自然和社會環境對應的應力條件。邊界條件是指產品全部應用環境中的工作條件的上下限值所包含的應力范圍。邊界條件可以對應一個應力或多個組合應力,包含異常環境條件。在電磁兼容性標準中規定的抗擾度條件,定義為標準電磁條件;在設備實際應用環境中可以發生的,無法衡量是否超過標準電磁條件的條件,定義為非標準電磁環境條件。
3邊界條件經驗數據的總結參照國家和行業相關標準,以實際應用環境中能發生的為前提,實際工作中通常選用的試驗應力的邊界條件如下。(1)電磁邊界條件電信中心環境取超過EMC最新行業標準指標一個等級,若沒有明確的更高等級,取超標范圍為標準應力值的10%(一般為標準應力限值的波動最大值);非電信中心和室外應用條件下還可以更嚴酷一些。(2)溫度邊界條件電信中心環境取低溫0℃,高溫+40℃;非電信中心室內溫度邊界環境條件:低溫-10℃,高溫+55℃;室外應用的溫度邊界環境條件:低溫-40℃,高溫+70℃[1]。(3)電壓邊界條件電信中心環境取額定電壓的±20%;非電信中心和室外應用甚至可以設計為額定電壓的±30%。(4)濕度邊界條件電信中心環境取相對低濕10%,相對高濕95%[1];室外和非電信中心的濕度范圍甚至可以選擇5%~98%。(5)振動邊界條件一般選10~1000Hz的正弦或隨機平譜加梯形譜,能級0•001~0•003g2/Hz。振動加速應力條件可選頻率在20~2000Hz(80~350Hz時為0.04g2/Hz),一般6g(均方根值),最大可用10g,每個軸向振5~10min[2]。(6)氣壓邊界條件民用設備一般選取45(例如青藏高原)~106kPa(軍用設備低氣壓一般選18.8kPa(12000m高空))。邊界條件是產品設計和測試時必須重點考慮的重要因素之一,上述邊界條件數值僅供大家參考。在可靠性篩選試驗時,往往用綜合試驗臺模擬產品實際應用環境。因此,可靠性篩選試驗的環境應力條件應作為首選項,記錄在試驗報告或日志上。
4邊界條件提出的意義首先,因有了全面的試驗應力的邊界條件,更容易在不加速應力的前提下,激發產品缺陷;其次,因明確而較準確地總結了實際可發生的邊界條件應力,所激發的產品缺陷更有說服力;第三,因邊界條件的應力門檻較高,因此,依據邊界條件規劃的試驗剖面比依據國家或行業標準規劃的試驗所用時間少,成本低;第四,因邊界條件是非加速的范疇,也不易造成不必要的損壞。
非加速應力篩選試驗的應力條件
1單應力篩選試驗單應力常規篩選試驗是在邊界條件下進行的驗證性試驗。通信系統設備的常規單應力試驗有安全試驗(機械結構、發熱和防火、電氣安全、化學安全等)、電磁兼容性試驗、環境適應性試驗(溫度、濕度、振動、電應力、氣壓、太陽輻射、覆冰、凍雨和霉菌等)。另外,其他單應力試驗還有單應力加速壽命、單應力篩選試驗等。
2組合應力篩選試驗表1是移動通信系統設備常用的環境應力組合方式試驗項目列表,其中的溫度、濕度、振動、電磁應力四綜合試驗是嘗試性的組合應力試驗,因為試驗環境是模擬產品的現實應用環境進行的,所以在大量的試驗中激發出了產品的很多潛在問題。根據用戶需求,應提出環境應力篩選項目和要求。確定篩選范圍,如器件、電路板、模塊、組件/分設備等[3]。非加速篩選試驗在邊界條件下進行,加速應力試驗的應力條件超過了邊界條件。
3邊界條件組合應力篩選試驗案例第一次做類似剖面試驗時,未添加電磁應力[4],結果未激發產品的缺陷;后來分析產品應用的實際環境,到現場采集數據,進行對比分析,結果發現電磁應力的重要性。因此,在改進后,依據邊界條件構建剖面時,合理地增加了電源端口、信號端口耦合的電磁應力。結果在實際組合應力試驗過程中,僅在第一個溫度循環周期內,就發現了一個工藝隱患,第三個周期又發現了設計裕度不足的問題。這樣,不僅節省了時間,而且避免了使用加速應力試驗可能帶來的損失。通過本案例的多次試驗研究,證明組合應力剖面模型要以實際現場為原型,在合理的基礎上構建,才能增加試驗的有效性和科學性。激發潛在故障和薄弱環節的試驗技術,今后將會得到越來越廣泛的應用[5]
加速應力篩選試驗的應力條件
1極限條件定義極限條件包括產品應用環境中可能存在的極限環境條件和用戶需求的條件中更苛刻的條件。極限條件在產品設計和測試時,應該考慮,但對產品的可靠性影響不大;一般地,把極限條件作為可靠性強化和產品壽命檢測的參考條件之一。工作極限和破壞極限的定義見文獻[6]。設計極限是為了讓產品穩定地工作于產品的邊界條件下,滿足期望的工作極限要求,在總體設計和指標分解時,規定的產品設計極限,考慮設計裕度,有時設計極限的部分指標也有低于工作極限的情況。#p#分頁標題#e#
2邊界條件與極限條件的關系邊界條件與工作極限的區別是工作極限的極限值是產品自身屬性,可以超過邊界條件所指的產品正常工作的自然和社會環境應力值。圖2是邊界條件和各種極限條件的應力范圍的關系。激發產品缺陷的常用應力是環境四應力,應力條件選擇常用的原則是參考邊界條件選取?？煽啃院Y選試驗的應力選取若按照工作極限來構建試驗剖面,有可能形成較大的設備損壞成本。然而,現代通信產品的系統級設備,因為是連續不間斷工作,具有較高的可靠性,僅僅使用邊界條件所做的非加速應力,有時較難很快激發由于設計裕度不足而造成的產品潛在問題。因此,除了邊界條件的相關試驗外,有時還按照略低于極限條件的要求,來做更深入加速應力試驗,從而更快地激發產品的某些缺陷。
可靠性篩選試驗應力條件的選取
可靠性篩選試驗結果的可信度除了與試驗剖面的科學性、試驗方法和過程控制的嚴謹性有關外,很大程度取決于應力選取的合理和科學性。應力選取除了依據相關標準和產品的實際環境外,有時也根據不同的目的,進行有側重的應力強度的適當加強、減弱,或應力數量的添加或剪裁。加速試驗應力,希望最低試驗應力與實際使用或額定應力條件較接近,即邊界條件,最高試驗應力水平應盡可能高,但不得超過所能承受的極限應力,以免引進新的失效機理[7]。
1單應力篩選試驗應力條件的選取單應力的常規篩選試驗,應力條件一般根據產品實際應用(工作地區)的環境邊界條件進行選擇。若是為了一定程度的加速壽命,或加大篩選力度,有時也選擇加嚴邊界條件或者取接近極限條件來進行試驗,但是一個最重要的原則是加速應力激發的“問題”必須在非加速應力的其他組合剖面下可復現或者有很大的復現趨勢(即設計裕度不足),才能確認為有效產品缺陷,構建的加速應力剖面才是有效的,否則就不能稱其為加速應力試驗,而是破壞試驗。以某室外應用的通信終端的溫度循環試驗為例來說明。該終端正常工作的大多數應用環境邊界條件是高溫60℃,低溫-40℃。但是經過若干循環,發現問題不明顯或監控發現部分性能有惡化趨勢。為了激發問題,選擇了異常應用條件(如夏季長時間太陽輻射下的汽車內、高樓夾層中等密閉環境)的高溫條件70℃~80℃進行試驗,就激發了產品的設計和工藝缺陷,后來又針對該問題,在一般邊界條件的組合應力試驗中復現了該缺陷?？梢?單應力邊界條件也不是一成不變的,只要應力施加方法科學、目的明確、構建剖面有理有據,尤其是監控方法準確、全面,激發的問題就有說服力和代表性。單應力的高加速壽命試驗(HALT)由于剖面構建、加速方法、監控手段單一等原因,經常造成一些不必要的損失。
2組合應力試驗應力條件的選取對于可靠性鑒定和可靠性篩選試驗,所選應力組合方式和剖面要求,也隨著試驗目的的不同而有較大差異。例如,鑒定試驗多選邊界條件組合,篩選試驗往往突破邊界條件束縛,但是無論哪種試驗,一般有以下原則供大家參考。(1)組合應力選擇的依據必須是現場應用可能發生的,盡量貼近工程實際,并參考相關標準的要求。(2)即使為了篩選出早期失效,適當的高出工程應用現場環境條件時,也必須小心設置應力加強的梯度,最好是有目的地先保持其他應力不變,逐步緩慢改變最有可能激發出問題的應力,但必須清晰計算、測試或預估出最高應力上限,并預估應力增加的每階段可能帶來的破壞程度,盡量做到在不產生破壞的情況下激發早期失效。(3)因器件的非理想性和分布參數的非線性,理論預計可能存在較大偏差,因此在做可靠性篩選試驗時,盡可能地增加對受試產品監測的種類、方式和監測點,并對監測的合理性、科學性,以及各種方式之間的影響等充分評估后,才能規劃出合理的監控方法。例如,圖1的案例的監控方法就不僅包含了通信鏈路軟件性能、指標、軟件告警等,而且包括鏈路波形、關鍵芯片溫升、輸出功率變化、關鍵信號畸變、關鍵芯片電壓和電流、振動強度等。
3HASS試驗應力條件的選取高加速應力篩選(HASS)試驗一般是建立在HALT試驗的基礎上。單應力的HALT試驗還好控制,而HALT組合應力試驗的關鍵是如何構建科學的應力剖面,使得激發的極限點只是工作極限,而不是破壞極限。這方面一般原則是根據單應力HALT的數據,設置一些保護和警告,然后參考HASS的剖面選取合適的HALT應力組合剖面,同時結合經驗,使用最小的代價獲取HALT數據。根據我們工作實際經驗的總結,結合國外和業界同行的做法,通信系統設備的HASS試驗每個單應力參數一般選取原則是設置所選應力的數值為HALT工作極限范圍的80%,或者選取破壞極限的50%[8]。但如果破壞極限的50%超過了工作極限,則取工作極限的80%。HASS試驗的剖面在具體試驗過程中不一定是一成不變的,應在試驗過程中,根據監測數據的惡化程度,適當調整剖面的應力強度,以便將損失減到最低。圖3是一個HASS試驗剖面范例,試驗過程中發現第二次的低溫啟動不成功,并在增加監控點時發現晶振的輸出波形不正常,因此改變低溫邊界或者減低振動強度后,發現可以成功啟動。最后通過制作評估板,單獨對晶振進行篩選試驗,發現了晶振的批次問題。在進行HASS試驗前,須仔細評估HALT的各種數據變化趨勢,做到有重點地監控,改變某一種或幾種應力的數據,結合設計裕度、降額系數、器件DATASHEET等,合理設置監控點和監控方法,以達快速激發和定位問題的目的。
結束語
基于對3G/4G無線通信系統設備較多次可靠性篩選試驗的條件、結果、數據對比和案例分析,提出了可靠性篩選試驗邊界條件的概念,全面總結了移動通信系統設備可靠性篩選試驗中包含電磁應力在內的邊界條件數據,舉例說明了可靠性篩選試驗常用的應力選取方法和原則,在實際工作中取得了較好的效果。由本文分析可知:
(1)明確、合理的邊界條件為產品設計和可靠性篩選測試提供了較全面的數據參考;
(2)移動通信系統設備的可靠性篩選試驗邊界條件是參考國家和行業標準,以產品實際應用環境的應力條件為基礎,根據不同的篩選目的進行合理的優化而形成的。繼續研究該課題,促進可靠性工作的實踐經驗和理論體系的不斷完善,形成較完整、科學的國內可靠性篩選試驗應力邊界條件數據、選取原則規范或標準,積極推動國產設備制造商對產品質量和可靠性的重視,對縮短國產設備與國外先進設備的質量差距,更科學合理地激發產品缺陷,提出新的思路和方法,有著積極的推動作用和深遠意義。