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。可靠性試驗一般包含種類較多,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。