加速試驗
1.引言
----為了提高競爭能力，使產品進入市場的時間最短，滿足用戶的期望，企業轉向採用複雜的試驗方法和手段。今天的許多產品都能在極端環境應力下工作數千小時而不出現失效。傳統的試驗方法已經不足以找出設計弱點或驗證壽命預計值了。
----加速試驗方法能夠在一定的試驗時間內獲得比平常多的信息。它採用的試驗環境比正常設備使用時遇到的環境要更嚴酷。由於使用了較高的應力，加速試驗必須注意避免引起正常使用中不會遇到的失效模式。使用的加速因素（或單個或組合）包括有：
•更頻繁的功率循環
•更高的振動水平
•高濕度
•更嚴酷的溫度循環
•更高的溫度。
----加速試驗一般分為兩類，每一類都有其特定的目的：
•加速壽命試驗——壽命估計
•加速應力試驗棗找出（或確認）問題/弱點，並改正。
----兩類試驗之間的區別既細微又顯著，包括試驗所根據的基本假設前提，構成試驗所使用的模型，試驗設備和試驗箱，試驗本身進行的方式以及試驗結果數據的分析和解釋方法。表1是兩者的比較。
表1：兩類主要的加速試驗
試驗
加速壽命試驗（ALT）使用模型建立起高應力下的測量可靠性（壽命）與正常使用條件下的預期可靠性（壽命）之間的關係，以確定壽命長度要求：
•了解預期失效機理
•掌握有關這一失效機理的加速幅度與加速應力之間關係的知識
加速應力試驗（AST）使用加速環境應力使潛在缺陷或設計弱點變成實際失效，以找出會引起現場失效的設計、部件或生產問題。要求對基本失效機理有全面的了解（至少具有相關的實用知識）。對產品壽命的估計可關心也可不關心。
----加速試驗進行的級次是非常重要的。某些加速方法只適合於部件級的試驗，而有些則只可用於較高的組件級，只有很少一部分方法既可用於部件級又可用於組件級。對部件級完全有效的基本假設和模型可能對較高的設備級試驗完全無效，反之亦然。表2提供了在兩個主要級次（設備和元器件）上進行試驗的信息。
表2：加速試驗進行的級次
級次限制說明
設備級通常很受限制；很少進行。要建立起高應力設備失效率與正常工作條件下的失效率之間的有效關係模型是很困難的。另外，要形成不會改變設備內發生的失效機理的應力條件也是很困難的。在設備上有效套用加速試驗的一個例子是：對只在一個輪次中正常工作的系統，或只在一次飛行之前和過程中操作幾小時的航空電子設備，提高其工作循環。在這種情況下要在試驗中提高工作循環是很容易的，受試系統一天可連續工作3個輪次，或讓航空電子設備連續循環，只讓兩次模擬飛行之間有足夠的時間使設備內的溫度穩定到非操作狀態。雖然每個操作小時的失效率並沒有改變，但每天出現的失效數增加了。這類加速試驗一般是在可靠性鑑定試驗中進行的，雖然並沒有得到廣泛的認識，但實際上它確實是一種加速試驗。
元器件級元器件（部件）一般比設備的失效模式要少，因此要找出能夠有效加速失效率而又不嚴重改變失效機理的應力要容易得多。一定的應力通常可加速一個或以上的潛在失效機理，如與電壓有關的電容介質擊穿，或與濕度有關的腐蝕。在這種情況下，找出一個加速度模型建立失效率與操作應力的關係通常較容易。為此加速壽命試驗被廣泛用於元器件，這一方法對大多數類型的部件和部件套用都是值得高度推薦的。
1.加速試驗模型
加速試驗模型建立起失效率或元器件的壽命與一特定應力之間的關係，以便加速試驗過程中取得的測量值可以外推回到正常操作條件下的預期性能。在此隱含的假設前提是：應力不會改變失效分布的形狀。
表3總結了3個最常用的加速試驗模型。這些並不是唯一能用的模型。在選擇模型時，關鍵原則是：它可準確建立加速條件下可靠性或壽命與正常操作條件下可靠性或壽命之間的關係模型。在為特定套用選擇適當的模型和適當的有效範圍時要非常認真仔細。對選擇的理由進行記錄歸檔也是很重要的。
表3：常見加速試驗方法
模型名稱定義公式
逆冪定律
式中N為加速度係數
阿列尼厄斯加速度模型
其中
壽命=壽命衡量尺度，如一組部件的平均壽命
A=由部件實驗決定的常數
e=自然對數的基數
E=激活能（電子伏特椖芰康暮飭砍叨齲扛鍪Щ磯加卸撈氐鬧怠?/P>
k=波爾茲曼常數=8.62 x 10-5eV/K
T=溫度（K）
Miner的原則（疲勞損壞）
其中
CD=累積範圍
CSi=以一定平均應力Si施加的循環數
Ni=在應力Si下的失效循環數（根據特定材料的S-N圖而定）
k=施加負載數
假設每個部件都有有限的使用疲勞壽命，每個循環都消耗這一壽命的一小部分。當每一個負載增量損壞的總和等於1時就有可能發生失效。但Miner的原則並不延伸到無限。它只在材料的屈服強度之內有效，超過這一點就不再有效了。
2.加速試驗中的先進概念
----過去大多數加速試驗都是用單應力和恆定應力剖面來進行的。這包括循環應力（如規定極限之間的溫度循環），其中固定不變的是循環（溫度上、下限和溫度變化率），而不是溫度。但在加速試驗中，應力剖面不需要恆定，也可使用應力組合。下面是一些常見的非恆定應力剖面和組合應力剖面：
•分步應力剖面試驗
•漸進應力剖面試驗
•高加速壽命試驗（HALT）（設備級）
•高加速應力篩選（HASS）（設備級）
•高加速溫度和濕度應力試驗（HAST）（部件級）
----高加速試驗是系統地施加遠超過產品使用過程中預期水平的環境刺激源。因此對結果需要認真解釋。它可用於確認相關故障，保證產品有超過正常操作環境下生存所需的足夠的強度範圍。高加速試驗意在大大減少找出這些缺陷所需的時間。該方法可用於開發試驗或篩選。
----HALT是一個開發工具，HASS是一個篩選工具，兩者通常聯合使用，是較新的有別於經典加速試驗的方法。它們的特定目標是在改進產品設計時使生產變化和環境作用對性能和可靠性的影響降到最小。定量壽命或可靠性預計常常不在其考慮範圍內。
----分步應力剖面試驗。使用分步應力剖面，試驗品首先經過一定時間和一定水平的應力，然後在接下來的時間內接受較高水平的應力。這一過程隨著應力水平逐步提高而繼續下去，直到所有樣品都失效，或施加了最大應力水平結束的時候。這一方法能比分析更快地找出失效。但用這種方法很難適當地建立加速度模型，因此也很難定量預計產品在正常使用情況下的壽命。
----在任何一個步驟中應力應該提高的量與許多變數有關，這超出了本文的討論範圍。但在試驗設計中要遵循的一個通用原則是：最終要以充分的餘量超過預期的環境，以便所有元件（如果沒有缺陷的話）都能在現場環境和篩選環境中生存。
----漸進應力剖面試驗。漸進應力剖面或“斜升（ramp）試驗”是另一個使用頻繁的方法，應力水平是隨時間逐漸增加的。其優點和缺點和分步應力試驗相同，除此之外，它還難以準確控制應力增加的速度。
----HALT試驗。HALT這一術語1988年由Gregg K Hobbs提出。HALT一詞有時指應力加壽命試驗（STRIFE），是一種開發試驗，一種增強型的分步應力試驗。一般用於發現設計的弱點和生產過程問題，目的是提高設計的強度裕度，而不是預計產品的定量壽命或可靠性。
----HASS試驗。HASS是一種加速環境應力篩選。它提供了產品遇到的最嚴酷的環境，但一般時間很有限。HASS的目的是達到“技術的基本極限”，即應力的小量增加就會大量增加失效的應力水平。例如塑膠的軟化點。
----HAST（高加速溫度和濕度應力試驗）。隨著電子技術最近的發展和技術改進的速度，幾年前才設計的加速試驗對於今天的技術來說可能已不再足夠和有效。特別是專用於微電子的那些加速試驗。例如，由於塑膠IC封裝的改進，傳統公認的85℃/85%RH溫度/濕度試驗現在一般要花幾千小時才能發現新積體電路中的所有失效。在大多數情況下，試驗樣品在完成了整個試驗時都沒有出現任何失效。沒有失效的試驗可告訴我們的東西極少。但我們知道產品在現場中仍然會偶爾失效。因此，我們需要進一步改進我們的加速試驗。HAST的目的是嘗試取代舊的溫度/濕度試驗。
4．結語
----一個加速試驗模型是通過相關產品在正常應力水平下和一個或一個以上的加速應力水平下所進行的試驗而獲得的。在使用加速環境來認識和恰當地確認將在正常現場使用中發生的失效和非正常使用的失效時要非常小心。由於加速環境一般意味著施加超過預期現場應力的應力水平，因此加速應力可引起在實際現場使用中不可能發生的錯誤失效機理。例如，把受試產品的溫度提高到材料性質改變或超過潛伏激活閾值的程度，就可能發現正常現場使用中不會發生的失效。在這種情況下，改正失效可能只會增加產品的費用而不能提高可靠性。了解真實的失效機理對於消除失效的根源是最為重要的。
加速試驗的目的
作為產品開發產品可靠性處於相同的情況，必須在短時間內知道可靠性特徵。基於這種情況下加速的壽命試驗是通過最小樣品尺寸和最短的測試時間來知道可靠性的方法。JIS標準定義“加速試驗”是“為了縮短測試時間執行比標準條件更嚴酷的條件下進行的測試”。在嚴酷的條件下進行測試可用少點樣品在短時間內預測市場失效率，因而減少要求的時間和費用證實可靠性。
