加速壽命試驗方法自美羅姆航展中心于1967年提出以來，已經廣泛應用于各個領域，并形成了相關標準IEC 62506:2013。國內于2017年翻譯了IEC 62506標準形成了GB/T 34986-2017 《產品加速試驗方法》，標準中雖然提供了加速試驗方法及相關案例，但這些方法的準確性不高，例如溫度加速的激活能值是經驗值，振動加速應力的系數也是經驗值。本文基于上述加速試驗方法的不足及缺陷，闡述了不同加速應力方法及加速模型的應用，同時結合實際案例，詳細闡述加速壽命方法的應用，為相關人員進行加速壽命評估提供參考。

隨著科學技術的發展，材料質量的提升，生產工藝的改進，產品的質量提升的同時其使用壽命也變得越來越長。與此同時，給各個產品生產廠家也帶來了極大的競爭力，要求他們能夠以更短的時間、更低的成本來評估產品特性及使用可靠性。在這樣的背景下，誕生了加速壽命理論。加速壽命方法，就是將受試產品放置于高于其正常使用應力的條件下，以很短的時間使產品失效，通過在高應力條件下的獲得的壽命數據，選擇某種壽命分布，外推產品正常使用條件下的壽命。加速壽命試驗的統一定義最早由美羅姆航展中心于1967年提出，國內最早于1981年發布了GB 2689系列的標準，標準中闡述了恒定應力加速壽命試驗方法，同時給出了數據處理的過程，這是國內第一個加速壽命評估方法的標準。隨后衍生出步進、序進以及步降的加速壽命方法。加速壽命試驗成功的前提就是產品的失效機理不能與實際使用發生失效的機理有偏差。簡言之，加速壽命試驗是加大應力、失效機理不變、通過數據處理及數據折算預估實際壽命的一種壽命試驗方法。加速壽命試驗，縮短了試驗時間，提高了試驗效率，降低了試驗成本。

加速壽命試驗技術具有效率高，成本低，對高可靠、長壽命產品的定壽延壽研究具有重要的應用價值。目前加速壽命試驗技術在軍用及民用領域應用都較為廣泛，并取得了一定研究成果。如民用軌道交通領域的膠粘劑、LED等都形成了各自的壽命評估標準；軍用領域，也形成了類似于彈藥貯存可靠性的相關標準規范。隨著研究的不斷深入，加速壽命試驗技術在各個領域將有廣闊應用前景。

加速壽命方法

加速壽命方法的目的就是以更快的速度獲取產品的可靠性或壽命信息。任何可以達到這種目的的方法，都可認為是加速壽命試驗的方法。加速壽命方法根據使用目的的不同，主要分為三種類型：

A類（定性加速試驗）：用于發現故障模式和（或）故障現象；

B類（定量加速試驗）：用于預計產品正常使用時的失效分布；

C類（定量時間和事件壓縮試驗）：用于預計產品正常使用時的失效分布。

三類方法中，A類是定性加速，B、C類是定量加速。

01.定性加速試驗（A類）

定性加速試驗主要用于發現產品的潛在的設計缺陷及制造工藝導致的產品缺陷。一般是通過對產品施加逐漸升高的工作應力逐步找到這些缺陷。定性試驗的目的是在試驗過程中激發產品全部的功能性能問題。產品在現場使用過程中，由于設計或工藝缺陷，或導致一部分產品過早的發生失效，導致產品整體可靠性水平不高。因此，可通過此類定性試驗，一般稱為HALT或HAST試驗，逐漸提高產品實際壽命周期中可能承受的應力，盡早的暴露產品缺陷，對這些缺陷在最佳的效費比的前提下進行工藝或設計的改進，已達到提高產品可靠性的目的。

02.定量加速試驗

定量加速試驗，主要是通過累積損傷方法或以定量時間和事件壓縮，短時間內得到產品的預期壽命，達到外推產品實際工作條件下壽命為目的。定量加速試驗是在比產品預期壽命短得多的時間內實現預期的累積損傷或規定的動作次數。其中，B類加速試驗通過加大應力使產品失效，但是是基于失效機理（失效模式）確定加速因子，通過加速因子、加速應力條件下的壽命確定確定預期使用環境應力下壽命的方法；C類試驗主要用于評估能夠以使用次數等耗損型為主要故障模式的部件壽命，比如開關、鍵盤、繼電器、連接器、軸承等，這類試驗主要是通過延長應力施加的持續時間或頻次來實現的。

加速壽命模型

加速壽命試驗實施，一般都需要具體的、可操作的加速方法或模型去具體實施，定性加速試驗與定量加速試驗，由于試驗目的的不同，二者之間的加速方法或模型是有顯著區別的。

01、定性加速試驗模型

定性加速試驗一般沒有可用的數據模型，一般只有響應的試驗應力及實施方法。定型加速試驗的主要目的是在產品的設計階段激發產品的缺陷，對激發的這些缺陷，在平衡效費比的前提下，對引起這種缺陷的設計或工藝進行改進，提高產品應用可靠性。定性加速試驗，應用較多的是HALT試驗，對于電子產品，有相應的標準，例如GBT 29309-2012，主要是針對電工電子產品進行的溫度類、振動類以及溫度和振動混合的步進試驗（HALT試驗），以達到激發產品缺陷的目的。HAST試驗，是介于定性與定量試驗之間的一種試驗，這種類型試驗一般用于電子產品較多，這種試驗一般是在溫濕度條件下，進行電壓拉偏試驗。即使這些試驗無法得出可靠性評估值，但是也可以作為質量鑒定試驗中的有效手段，以確保產品的可靠性不會因組件的變化而受到影響。例如，在JESD22-A110，采用的溫度和濕度的應力水平分別為130℃和85%RH。

02、定量加速試驗模型

定量加速試驗，主要是通過加大試驗量級，短時間內使產品達到累積損傷，以評估產品實際使用條件下的壽命分布。通過在加速應力條件下獲得的壽命數據，對數據進行擬合處理，獲得加速因子并外推得到預期工作環境條件下的壽命，要進行這樣的數據處理，需要一些模型，例如溫度模型、溫濕度模型、電壓模型以及加速頻率等。

1）溫度加速模型

溫度在定量加速壽命試驗中，是應用最為廣泛的環境應力，它能有效地激發某些失效機制，縮短失效時間。在許多應用中，阿倫尼斯模型可以很好地描述產品壽命與溫度之間的關系。

溫度應力加速模型-阿倫尼斯模型為：

式中，—壽命；—電子伏特的活化能（eV）；—玻爾茲曼常數，8.6171×10eV/℃；—絕對溫度（273.15℃）；

—是與材料特性有關的常數。

在實際應用中，經常要計算的是加速因子，在知道試驗應力、加速因子，既可以得出產品的預期壽命，常使用的模型如下：

式中，

Af —加速因子；

其他參數的含義同上述。

2)熱循環壽命模型

熱循環壽命模型雖然也是采用的溫度應力，但它通常會激發與前面討論的恒溫引起的故障模式所不同的故障模式，它由Coffin和Manson二人給出了溫度循環的加速壽命模型，具體模型為：

式中，L—循環壽命或壽命；

—最高溫度和最低溫的差值

；A,B—是材料性能和產品設計的常數特性,B是正數。

在某些應用中，疲勞壽命也是循環頻率和高溫的函數，如Ghaffarian、Teng和Brillhart以及Shohji等在其論文中，考慮到這些熱循環變量的影響，Norris和Landzberg(1969)修改了傳統的Coffin-Manson模型，修改后的模型如下：

式中，

L—失效循環數；

A、B、C—為材料特征常數；

Tmax—為絕對高溫度；

f—為循環頻率；

Ea—電子伏特的活化能（eV）；

k—玻爾茲曼常數，8.6171×10eV/℃；

T—絕對溫度（273.15℃）。

為了便于進行數據分析，上式會變成線性模型，如下：

式中，；

；

；

；

未知系數a、b、c、d可以用多元線性回歸方法估計。

3）電應力壽命模型

由于電應力導致的失效機制，可采用電應力加速模型，例如電容器，變壓器和絕緣體等。電壓對壽命的影響通常用逆功率關系來建模。這種關系的一些應用分別由Kalkanis and Rosso和Feilat et al.，以及江正平指出。

這里我們討論逆冪模型，具體的模型關系如下：

式中，

L—特征壽命；

V—電應力；

A、B—常數，與材料性能、產品設計、失效準則等因素有關。

4）振動應力壽命模型

振動有時作為加速變量來加速電子和機械產品的疲勞失效。通常，疲勞壽命L可以用逆冪模型來建模，可以寫成：

式中，

A、B—常數；

G—為加速度的均值方根

；

Grms—等于正弦振動的峰值加速度乘以0.707，隨機振動的功率譜密度(PSD,g/ Hz)下面積的平方根。

5）頻率與壽命關系

增加使用率也是一種加速方法，用于在現場以低速率運行的某些產品。使用率的增加可能會影響使用率到故障，此時的使用率是以循環、轉數、英里或其他度量為單位的。換句話說，不同使用率下對故障的使用可能不相同。一些實驗結果和理論解釋如Tanner et al.將壽命建模為使用率的冪函數。模型表示為

式中，

L—正常頻率下的壽命；

F—正常的使用頻率；

A和B—依賴于材料性能、產品設計、失效準則和其他因素的常數。

案例分析

本文介紹兩個定量加速壽命實施的案例，作為加速壽命實施及計算的參考。

01.溫度加速壽命試驗

壽命溫度模型是產品的工作環境或失效因素主要是受溫度影響，以溫度作為加速應力，以阿倫尼斯模型作為壽命評估模型。阿倫尼斯模型中關鍵的未知參數為激活能，激活能有經驗值也可根據方程求得，本文以求方程的形式獲得激活能。

對阿倫尼斯模型：

進行轉換，得到的模型如下：

式中，

；b=Ea/K。

對某型號傳感器，根據產品規格書及HALT試驗，選擇85℃、100℃、115℃三種溫度應力下，對傳感器進行加速壽命試驗，評估傳感器在35℃條件下的壽命。

傳感器在三個產品下的平均壽命見表1。

表1 不同溫度下壽命數據

對表1中的數據擬合，得到擬合線圖1。

圖1 壽命數據擬合線圖

因此，a= -2.644，b= 3748。

由于b=Ea/k, 且k=8.6171×10，所以激活能 Ea= 0.323eV。

由

進行對數、指數轉換，得到預期溫度的壽命平均值為：

=

= 13695h。

02.熱循環加速壽命試驗

對于熱循環的加速壽命試驗，本文以對溫度循環敏感的芯片焊點為例，進行熱循環加速壽命試驗模擬。

本文選擇了12個不同試驗剖面的的溫度循環，每個剖面選擇5個樣品進行試驗，試驗直至每個剖面的5個樣品均有焊點開裂情況為止，壽命試驗數據見表2。

表2 不同溫度循環剖面下的壽命數據

將熱循環模型對數變換，得到如下方程：

將表2中數據進行相應的轉換，并進行數據擬合，得到的擬合溫度循環的擬合方程如下：

LN（L）= 9.52 - 2.064 LN(△T) + 0.345 LN(f) +20051/Tmax，同時利用MINITAB擬合得到的殘差正態概率圖見圖2，數據點基本在一條直線上，可以認為殘差服從正態分布。

圖2 殘差正態概率圖

因此，假設產品預期工作的低溫為-10℃，高溫為25℃，24h進行一次循環，則預期的對數循環數為：

LN（L）= 9.52 - 2.064 LN(35) + 0.345 LN(24) + 20051/（25+273）= 8.909

所以，預期使用條件下的平均循環壽命為

= 22167個循環。

總 結

本文對加速壽命理論及常用的加速壽命模型進行了闡述，并說明了定性加速試驗與定量加速試驗的區別、應用階段及具體的應用。因此，要進行加速壽命試驗，首先要考慮使用的目的，是為了提高可靠性為還是為了評估產品使用條件下壽命特性，同時根據產品實際使用條件下敏感應力特性，選擇相應的定性或定量加速應力及方法，進行可靠性或壽命評估。