标准解读与推广——科学仪器设备电气系统可靠性强化试验方法

2024-01-30 14:09:52, 王红涛

标准解读与推广—科学仪器设备电气系统可靠性强化试验方法

一、标准立项的必要性

“国家重大科学仪器设备”12·5开发专项和13·5重点研发计划的实施，有效助力了国内科学仪器设备技术领先单位的高端科学仪器产品研发，一定程度上促进了国产科学仪器技术水平的进步和工程化能力的提升。

同时，国产科学仪器行业也面临着一个共性问题——国产科学仪器的可靠性水平、稳定性与国际同类先进产品往往具有明显差距，降低了用户的使用体验和信任度，甚至严重影响到了市场竞争力。尽管一些企业或单位开展了不同程度的可靠性工作，取得了一定的进步，但总体来说，质量与可靠性专业人才队伍缺乏、技术方法和手段缺失，很少有研发主题能够较好自主地实施仪器可靠性工程。

为帮助国产科学仪器企业快速提高国产产品的可靠性水平，在中国仪器仪表学会标委会的支持下，科鉴可靠性负责组织制定了《科学仪器设备电气系统可靠性强化试验方法》团体标准。

可靠性强化试验（民口通常叫做HALT/ HASS试验）是国际公认的最经济、最高效暴露样机故障和缺陷的手段，在国际先进制造企业和消费电子领域应用最为广泛，该技术可以快速提高研制装备的耐环境能力、技术成熟度和可靠性水平，还可缩短验证和研制周期，大幅提前提前改进时机，降低改进难度和成本。

可靠性强化试验可作为科学仪器设备可靠性提升的重要手段之一，通过识别产品典型敏感应力，逐步施加高于规范规定应力，快速激发电气系统缺陷和暴露电气系统薄弱环节，探究电气系统的工作极限和破坏极限；同时，开展故障定位分析和失效机理分析，采取改进措施，提高电气系统的工作极限和破坏极限，实现研制样机耐环境能力、技术成熟度和可靠性水平的快速、显著提高。

当前，可靠性强化试验具有类似的国家标准——《GB/T 29309-2012 电工电子产品加速应力试验规程高加速寿命试验导则》，但由于该标准仅仅基于HALT/ HASS试验系统方可开展该类试验，而HALT/ HASS试验系统在国内数量稀缺，使得大部分企业甚至检测机构没有能力实施该项试验；同时，该标准提出的试验方法主要来源于美国军用航空产品的试验经验和标准，而科学仪器设备的使用场景和环境与军用航空产品具有明显的差异，因而适用性也有待加强。

正式由于上述多个因素，科鉴可靠性的工程师们发起并编制了本项标准。

二、标准方法可行性和有效性

本标准以科学仪器设备通用的电气系统为研究对象，依托科鉴可靠性积累的工程经验和掌握的工程技术，保障了本标准提出的可靠性强化试验方法的合理性。同时，本标准编写工作组成员包括国内科学仪器设备产品研发企业、国内多家检测机构、可靠性领域的研究院所，保障了本标准的可行性和操作性。

本标准方法已经在编制工作组成员单位北京北分瑞利分析仪器（集团）有限责任公司的原子吸收光谱仪和色谱仪、北京华夏科创仪器股份有限公司的红外测油仪前处置装置、广州禾信仪器股份有限公司研发质谱仪多个核心部件中应用，还在青岛盛瀚和华科仪的相关产品中进行了应用，取得了良好的效果，证明了本标准方法暴露产品故障与缺陷的高效性、充分性。

三、标准方法先进性

本标准规定了科学仪器设备电气系统（以下简称“电气系统”）开展可靠性强化试验的通用要求和试验方法等内容。本标准主要适用于科学仪器设备中的电气系统及其电子部件、电路板组件。

在国内外可靠性有关的标准中，仅GB/T 29309-2012《电工电子电气系统加速应力试验规程高加速寿命试验导则》和GB/T 34986-2017《产品加速试验方法》（IDT IEC 62506）中有相关阐述，在国内外有关高加速试验、HALT/ HASS、可靠性强化试验有关关键词的文章和书籍中，有相关内容。

同时，本标准相对涉及的上述标准、文章和书籍还是具有显著的不同：

1）本标准提出了广义的可靠性强化试验。所谓广义是指受试样机实际使用中承受的所有典型环境应力（特别是样机敏感应力），都可以作为可靠性强化试验的应力用来开展可靠性强化试验，而不局限于已有标准和教科书中的低温、高温、快速温变、振动及其综合环境试验。如在腐蚀环境下使用的仪器，可对其金属材料在盐雾、腐蚀气体环境条件下开展强化试验，在光照老化环境下的仪器，可对其非金属材料在温度-光照环境条件下开展强化试验。

2）与已有的典型可靠性强化试验类似的试验本标准中为A组试验，针对仪器设备的典型使用环境特点，本标准还增加B组试验（湿热步进、湿热极限、交变湿热、温湿度综合应力可靠性试验），加强了仪器设备经常承受的湿热环境耐受能力考核和缺陷暴露。

3）本标准还增加了C组试验，主要考虑到可靠性强化试验应力强度大，但时间并不足考察全寿命周期耐受能力，C组试验（交变湿热耐久试验、快速温变-振动综合应力耐久试验、温湿度-振动综合应力耐久试验）可以较好地满足用户考核长期耐受能力的需要，甚至可以在采取C组试验的基础上，利用加速试验模型和统计方法，快速定量评价其使用寿命。

4）本标准提出了采用传统温湿度-电磁振动综合应力试验箱、快速温变-电磁振动综合应力试验箱开展可靠性强化试验的方法，标准中对于应力变化参数做了调整，使得更多研发单位和检测机构具备开展可靠性强化试验的能力。

根据相关标准可知每类器件的失效率模型和参数，通过利用整机的元器件信息开展2轮可靠性预计，可分别得到高温下的电子设备可靠性失效率和常温下的电子设备失效率，从而得到电子设备的加速因子，加速因子评估方法流程见图1。

四、标准正文

标准第五章试验方法是本标准最重要的内容，包括可靠性强化试验分类、流程、应力设计和实施步骤。其他部分我们忽略。

5.试验方法

5.1 试验分类、选择与流程

5.1.1 分类

5.1.2 选择

通常，至少应进行A组强化试验，鼓励进行B组强化试验。

当采用2台（套）受试样机试验时，可并行进行A组试验和B组试验；当受试样机数量受限制时，可采用同一台（套）受试样机串行开展A组试验和B组试验。

当考虑耐久寿命时，可结合产品实际使用环境，从C组中选择1项耐久强化试验。

根据产品组成特点和试验设备能力，送检方可选择部分试验项目开展可靠性强化试验，可调整试验项目中的试验条件参数，如应力的最大极限值、温变率、保持时间等，以使可靠性强化试验方法得到更广泛的应用。

5.1.3 流程

可靠性强化试验实施流程和步骤见图1。

试验过程应按试验要求施加试验应力，对试验设备施加应力进行监测，对受试样机进行功能性能测试，对出现故障进行定位并采取改进措施，完成回归验证，落实有效的改进措施到技术文件和实物样机中。

5.2 A组强化试验

5.2.1 低温步进试验

除采用专用可靠性强化试验箱外，采用高温箱、高低温湿热箱、快速温变箱、温度冲击箱、温湿度综合应力箱等，均可开展低温步进试验。试验过程如下：

低温步进试验的应力施加见图2所示。
低温步进试验时，在不影响受试样机的功能及性能的情况下，尽量将受试样机的密封盖板或外壳取下。
起始温度：当电气系统尚未经历环境试验时，以5℃作为低温步进试验的起始温度；当电气系统已经历环境试验时，以环境试验的最低工作温度加10℃作为低温步进试验的起始温度。
步长条件：可根据受试样机耐受能力和试验效率，每步选取-10℃或-5℃作为步长。
保温时间：每个温度台阶保温时间（t分钟）应不小于受试样机达到温度稳定所需时间与检测所需时间之和。
启动与通电：在每个温度台阶受试样机经历稳定所需时间△t₁后（△t₁应不少于10分钟），将受试样机电应力调节至下限值，进行3次启动检测以考核其在低温条件下的启动能力，然后保持通电至本台阶保温结束时断电。
温变速率：应不低于5℃/min ，可根据试验箱的实际温变能力采用更大温变速率。
样机检测：在每个温度台阶结束前，完成受试样机规定的功能性能检测。
终止条件：在试验计划阶段，可以受试样机规定的最低工作温度减30℃为低温步进应力试验结束温度。在试验实施阶段，低温步进应力试验可按计划或超计划进行下去，直至无法在采取现场临时改进和保护措施时停止。

5.2.2 高温步进试验

除专用可靠性强化试验箱外，高温步进试验采用高温箱、高低温湿热箱、快速温变箱、温度冲击箱、温湿度综合应力箱，均可开展高温步进试验。试验过程如下：

高温步进试验的应力施加见图3所示。
在高温步进试验时，在不影响受试样机的功能及性能的情况下，尽量将受试样机的密封盖板或外壳取下。
起始温度：当电气系统尚未经历环境试验时，以40℃作为高温步进试验的起始温度；当电气系统已经历环境试验时，以环境试验的最高工作温度减10℃作为高温步进试验的起始温度。
步长条件：可根据受试样机耐受能力和试验效率，每步选取+10℃或+5℃作为步长。
保温时间：每个温度台阶保温时间（t分钟）应不小于受试样机达到温度稳定所需时间与检测所需时间之和。
启动与通电：在试验开始前，将受试样机电应力调节至上限值，在整个高温步进试验过程中保持受试样机通电。
温变速率：应不低于5℃/min ，可根据试验箱的实际温变能力采用更大温变速率。
样机检测：在每个温度台阶结束前，完成受试样机规定的功能性能测试。
终止条件：在试验计划阶段，可以受试样机规定的最高工作温度加30℃为高温步进应力试验结束温度。在试验实施阶段，高温步进应力试验可按计划或超计划进行下去，直至无法再采取现场临时改进和保护措施时停止。

5.2.3 快速温变试验

除专用可靠性强化试验箱外，采用快速温变箱、温度冲击箱、温湿度综合应力箱，均可开展快速温变试验。试验过程如下：

快速温变试验的应力施加见图4所示。
在快速温变试验时，在不影响受试样机的功能及性能的情况下，尽量将受试样机的密封盖板或外壳取下。
温度范围：低温值设定为低温工作极限温度（或最低试验工作温度）增加5℃至10℃，高温值设定为高温工作极限温度（或最高试验工作温度）减少5℃至10℃。快速温变试验从低温阶段开始，在高温阶段结束。
保温时间：每个循环中低温阶段和高温阶段的保温时间应不小于受试样机达到温度稳定所需时间与检测所需时间之和。
启动与通电：每个循环低温保持阶段保温时间10分钟后进行3次启动检测，以考核受试样机在快速温度变化下的启动能力，然后对其持续通电直至高温保持阶段结束后断电。
循环次数：应不少于6个循环。
电应力条件：在温度循环过程中，受试样机的电应力按“标称值-下限值-标称值-上限值”的顺序施加。
温变速率：应不低于5℃/min ，可根据试验箱的实际温变能力采用更大温变速率。
样机检测：在每个温度台阶结束前，完成样机功能性能测试。

极限应力确定参见附录C。

5.2.4 振动步进试验

5.2.4.1 三轴六自由度振动步进试验

当具备条件采用气锤式三轴向六自由度超高斯随机振动台时，试验过程如下：

振动步进试验的应力施加见图5所示。
起始条件：5g。
步长条件：5g。
保持时间：每个振动量级持续时间t不应低于10分钟，在每个振动步进台阶均应进行测试。
启动与通电：在试验开始前，将受试样机电应力调节至标称值，在整个振动步进试验过程中保持受试样机通电。
微颤振动：当振动量值超过20grms后，在每个振动量级台阶结束后将振动量值降至微颤振动量值5grms，振动持续时间一般以能够完成规定测试为准。
样机检测：在每次振动施加高量级振动应力期间完成样机外观检查和功能性能测试，并在施加低量级微颤振动期间继续观察样机是否正常。
终止条件：在试验计划阶段，推荐振动步进试验的终止条件不应低于40grms。在试验实施阶段，试验可按计划或超计划进行下去，直至无法再采取现场临时改进和保护措施时停止。

5.2.4.2 随机振动步进试验

5.2.5 快速温变-振动综合应力试验

5.3 B组强化试验

5.3.1 恒定湿热试验

采用高低温湿热试验箱、温湿度综合应力箱均可开展湿热强化试验，恒定湿热步进可靠性强化试验分成恒定湿热步进试验和恒定湿热极限试验。

5.3.1.1 恒定湿热步进试验

恒定湿热步进试验温度应力应至少选择40℃，以40℃为例说明。当无法直接接受或评估样机是否可承受温度40℃、相对湿度95%RH（记作40℃&95%RH）恒定湿热试验时，在保持温度40℃不变的条件下，可先后分三步施加75%、85%和85%相对湿度；每步试验24小时，电应力按照上限、下限调节变化，调节周期为12h。

40℃恒定湿热步进应力试验的应力施加见图8所示。

试验前检测：受试样机在实验室环境下稳定后，将电压值调至标称值，进行3次通断电启动考核后，进行全面的外观检查和功能性能测试，并记录原始数据。
温湿度应力：恒定湿热40℃下，75%RH、85%RH、95%RH各保持24h。
温变速率：应不低于5℃/min ，可根据试验箱的实际温变能力采用更大温变速率。
电应力拉偏：在每个湿度台阶，前12h施加电应力上限值，后12h施加电应力下限值。
试验中检测：每个电应力台阶结束前△t小时（检测所需时间），进行3次通断电启动考核后，进行全面的功能性能测试，并记录原始数据。
试验后检测：受试样机在实验室环境下稳定后，将电压值调至标称值，进行3次通断电启动考核后，进行全面的外观检查和功能性能测试，并记录原始数据。

5.3.1.2 恒定湿热极限试验

恒定湿热极限试验温度应力可根据受试样机具体情况选择，40℃&95%RH为例说明。当可接受或评估样机可承受40℃&95%RH恒定湿热试验时，在保持温度40℃不变的条件下，可直接施加95%RH相对湿热；试验24小时，电应力按照上限、下限调节变化，调节周期为12h。

40℃&95%RH恒定湿热极限应力试验的应力施加见图9所示：

试验前检测：受试样机在实验室环境下稳定后，将电压值调至标称值，进行3次通断电启动考核后，进行全面的外观检查和功能性能测试，并记录原始数据。
温湿度应力：恒定湿热40℃&95%RH-24h。
温变速率：根据试验箱的实际温变能力，采用最大温变速率，温变率不应低于5℃/分钟。
电应力拉偏：前一半时间施加电应力上限值，后一半时间施加电应力下限值。
试验中检测：每个电应力台阶结束前△t小时（检测所需时间），进行3次通断电启动考核后，进行全面的功能性能测试，并记录原始数据。
试验后检测：受试样机在实验室环境下稳定后，将电压值调至标称值，进行3次通断电启动考核后，进行全面的外观检查和功能性能测试，并记录原始数据。

5.3.2 交变湿热试验

交变湿热试验温度应力可根据受试样机具体情况选择，以30℃～60℃、95%RH为例。试验96小时，分8个周期开展。

温湿度交变试验的应力施加见图10所示：

试验前检测：恒定湿热（55℃&95%RH）试验后检测可作为本项试验前检测。
温湿度应力：交变湿热30℃～60℃&95% RH-12h，每个周期中，60℃&95% RH 保持8h，30℃&95% RH 保持3h，共开展8个周期。
温变速率：应不低于5℃/min ，可根据试验箱的实际温变能力采用更大温变速率。
电应力拉偏：每个温湿度交变周期按照上限值-下限值交替变化，电应力调节周期为12h。
试验中检测：分别在每个周期结束前△t小时（检测所需时间），进行3次通断电启动考核后，进行全面的功能性能测试，并记录原始数据。
试验后检测：受试样机在实验室环境下稳定后，将电压值调至标称值，进行3次通断电启动考核后，进行全面的外观检查和功能性能测试，并记录原始数据。

5.3.3 温湿度-振动综合应力试验

采用温湿度-振动综合应力箱可开展温湿度-振动综合应力强化试验。温湿度-振动综合应力强化试验过程如下：

综合环境应力试验的应力施加见图11所示。
循环次数：要求不少于6个循环。
温湿度应力：最低贮存温度（1h）-最低工作温度（1h）-最高贮存温度（2h，保持30分钟后加湿1h）-最高工作温度（4h，保持1h后加湿2h）。
温度变化速率：应不低于5℃/min ，可根据试验箱的实际温变能力采用更大温变速率。
湿度应力：升温达到所规定温度后，湿度应力在30分钟内加湿至规定的湿度。
电应力调节：每个温度循环受试样机的电应力按“标称值-下限值-上限值-标称值-下限值-上限值”的变化顺序施加。
启动与通电：每个温度循环中，在低温贮存阶段不通电直至进入极限低温工作阶段保持30分钟后连续启动3次观察样机是否正常，然后保持通电直至极限低温工作阶段结束时断电；在极限高温贮存阶段不通电直至进入极限高温工作阶段保持30分钟后连续启动3次观察样机是否正常，然后保持通电直至极限高温工作阶段结束时断电。
振动应力：受试样机在振动步进应力试验的工作极限基础上降低1~2个量级台阶，在每个循环的极限低温贮存阶段和极限低温工作阶段结束前15分钟、极限高温贮存阶段和极限高温工作阶段的加湿结束前15分钟，施加相应的振动量级10分钟，然后将振动量级降至0.01g²/Hz（随机振动台）维持5分钟。
样机检测：在每次振动施加高量级振动应力期间完成样机功能性能测试，并在施加低量级振动应力期间继续观察样机是否正常。