作者：胡詩(shī)妍 趙德良 單位：中國(guó)人民公安大學(xué) 大唐聯(lián)誠(chéng)信息系統(tǒng)技術(shù)有限公司

環(huán)境應(yīng)力條件與邊界條件

移動(dòng)通信系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要手段之一?？煽啃栽囼?yàn)一般包含種類(lèi)較多,而其中的可靠性篩選試驗(yàn)又有元器件級(jí)、單元級(jí)和系統(tǒng)級(jí)。篩選試驗(yàn)需關(guān)注的因素有試驗(yàn)應(yīng)力條件的選取、試驗(yàn)剖面的制定以及監(jiān)控和過(guò)程控制等,尤為重要的是應(yīng)力條件的確定。環(huán)境應(yīng)力(EnvironmentalStressor)是指產(chǎn)品受所處環(huán)境的影響而使產(chǎn)品受到的環(huán)境壓力的因素。電子產(chǎn)品的一般環(huán)境應(yīng)力通常指環(huán)境四應(yīng)力,即溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力,加上氣壓應(yīng)力和電磁應(yīng)力,也有稱(chēng)環(huán)境六應(yīng)力。而我們常說(shuō)的環(huán)境適應(yīng)性是指產(chǎn)品對(duì)工作背景下的自然和社會(huì)環(huán)境的適應(yīng)能力,若為加快激發(fā)產(chǎn)品的缺陷,有時(shí)選取高于自然和社會(huì)環(huán)境應(yīng)力的條件和剖面,也就是常說(shuō)的加速應(yīng)力。

1篩選試驗(yàn)應(yīng)力選取的現(xiàn)狀和問(wèn)題首先,一般篩選試驗(yàn)的初始條件依據(jù)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力條件選取,因標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力條件門(mén)檻低,對(duì)高可靠性產(chǎn)品,不易很快激發(fā)產(chǎn)品缺陷,往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力,增加試驗(yàn)成本;其次,一些篩選試驗(yàn)的組合應(yīng)力目的性不明確;第三,多數(shù)綜合試驗(yàn)箱提供的應(yīng)力不夠全面,往往不能全面激發(fā)產(chǎn)品缺陷,如大多無(wú)法同時(shí)提供電磁條件,但產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中電磁條件卻客觀存在;第四,試驗(yàn)過(guò)程中的監(jiān)控方法科學(xué)性和全面性重視不夠,如有些同行試驗(yàn)中只監(jiān)視局部的軟件功能等。由于上述現(xiàn)狀,多數(shù)同行在試驗(yàn)中往往會(huì)遇到一些尷尬的問(wèn)題。不使用加速應(yīng)力時(shí),面臨長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法找到產(chǎn)品缺陷的窘境;使用加速應(yīng)力時(shí),加速因子或步進(jìn)應(yīng)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(fā),不僅浪費(fèi)人力物力,而且并不能說(shuō)明一定是產(chǎn)品的缺陷。因一般篩選試驗(yàn)應(yīng)力選取具有上述的不足,為了提高篩選試驗(yàn)效率,全面覆蓋環(huán)境應(yīng)力,本文結(jié)合多年可靠性篩選試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),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(chǎn)品使用地區(qū)的自然和社會(huì)環(huán)境對(duì)應(yīng)的應(yīng)力條件。邊界條件是指產(chǎn)品全部應(yīng)用環(huán)境中的工作條件的上下限值所包含的應(yīng)力范圍。邊界條件可以對(duì)應(yīng)一個(gè)應(yīng)力或多個(gè)組合應(yīng)力,包含異常環(huán)境條件。在電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的抗擾度條件,定義為標(biāo)準(zhǔn)電磁條件;在設(shè)備實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中可以發(fā)生的,無(wú)法衡量是否超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電磁條件的條件,定義為非標(biāo)準(zhǔn)電磁環(huán)境條件。

3邊界條件經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)參照國(guó)家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),以實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中能發(fā)生的為前提,實(shí)際工作中通常選用的試驗(yàn)應(yīng)力的邊界條件如下。(1)電磁邊界條件電信中心環(huán)境取超過(guò)EMC最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)一個(gè)等級(jí),若沒(méi)有明確的更高等級(jí),取超標(biāo)范圍為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力值的10%(一般為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力限值的波動(dòng)最大值);非電信中心和室外應(yīng)用條件下還可以更嚴(yán)酷一些。(2)溫度邊界條件電信中心環(huán)境取低溫0℃,高溫+40℃;非電信中心室內(nèi)溫度邊界環(huán)境條件:低溫-10℃,高溫+55℃;室外應(yīng)用的溫度邊界環(huán)境條件:低溫-40℃,高溫+70℃[1]。(3)電壓邊界條件電信中心環(huán)境取額定電壓的±20%;非電信中心和室外應(yīng)用甚至可以設(shè)計(jì)為額定電壓的±30%。(4)濕度邊界條件電信中心環(huán)境取相對(duì)低濕10%,相對(duì)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(dòng)邊界條件一般選10~1000Hz的正弦或隨機(jī)平譜加梯形譜,能級(jí)0•001~0•003g2/Hz。振動(dòng)加速應(yīng)力條件可選頻率在20~2000Hz(80~350Hz時(shí)為0.04g2/Hz),一般6g(均方根值),最大可用10g,每個(gè)軸向振5~10min[2]。(6)氣壓邊界條件民用設(shè)備一般選取45(例如青藏高原)~106kPa(軍用設(shè)備低氣壓一般選18.8kPa(12000m高空))。邊界條件是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)必須重點(diǎn)考慮的重要因素之一,上述邊界條件數(shù)值僅供大家參考。在可靠性篩選試驗(yàn)時(shí),往往用綜合試驗(yàn)臺(tái)模擬產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。因此,可靠性篩選試驗(yàn)的環(huán)境應(yīng)力條件應(yīng)作為首選項(xiàng),記錄在試驗(yàn)報(bào)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(yàn)應(yīng)力的邊界條件,更容易在不加速應(yīng)力的前提下,激發(fā)產(chǎn)品缺陷;其次,因明確而較準(zhǔn)確地總結(jié)了實(shí)際可發(fā)生的邊界條件應(yīng)力,所激發(fā)的產(chǎn)品缺陷更有說(shuō)服力;第三,因邊界條件的應(yīng)力門(mén)檻較高,因此,依據(jù)邊界條件規(guī)劃的試驗(yàn)剖面比依據(jù)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃的試驗(yàn)所用時(shí)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(yīng)力篩選試驗(yàn)的應(yīng)力條件

1單應(yīng)力篩選試驗(yàn)單應(yīng)力常規(guī)篩選試驗(yàn)是在邊界條件下進(jìn)行的驗(yàn)證性試驗(yàn)。通信系統(tǒng)設(shè)備的常規(guī)單應(yīng)力試驗(yàn)有安全試驗(yàn)(機(jī)械結(jié)構(gòu)、發(fā)熱和防火、電氣安全、化學(xué)安全等)、電磁兼容性試驗(yàn)、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)(溫度、濕度、振動(dòng)、電應(yīng)力、氣壓、太陽(yáng)輻射、覆冰、凍雨和霉菌等)。另外,其他單應(yīng)力試驗(yàn)還有單應(yīng)力加速壽命、單應(yīng)力篩選試驗(yàn)等。

2組合應(yīng)力篩選試驗(yàn)表1是移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備常用的環(huán)境應(yīng)力組合方式試驗(yàn)項(xiàng)目列表,其中的溫度、濕度、振動(dòng)、電磁應(yīng)力四綜合試驗(yàn)是嘗試性的組合應(yīng)力試驗(yàn),因?yàn)樵囼?yàn)環(huán)境是模擬產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行的,所以在大量的試驗(yàn)中激發(fā)出了產(chǎn)品的很多潛在問(wèn)題。根據(jù)用戶(hù)需求,應(yīng)提出環(huán)境應(yīng)力篩選項(xiàng)目和要求。確定篩選范圍,如器件、電路板、模塊、組件/分設(shè)備等[3]。非加速篩選試驗(yàn)在邊界條件下進(jìn)行,加速應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力條件超過(guò)了邊界條件。

3邊界條件組合應(yīng)力篩選試驗(yàn)案例第一次做類(lèi)似剖面試驗(yàn)時(shí),未添加電磁應(yīng)力[4],結(jié)果未激發(fā)產(chǎn)品的缺陷;后來(lái)分析產(chǎn)品應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境,到現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù),進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)電磁應(yīng)力的重要性。因此,在改進(jìn)后,依據(jù)邊界條件構(gòu)建剖面時(shí),合理地增加了電源端口、信號(hào)端口耦合的電磁應(yīng)力。結(jié)果在實(shí)際組合應(yīng)力試驗(yàn)過(guò)程中,僅在第一個(gè)溫度循環(huán)周期內(nèi),就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)工藝隱患,第三個(gè)周期又發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)裕度不足的問(wèn)題。這樣,不僅節(jié)省了時(shí)間,而且避免了使用加速應(yīng)力試驗(yàn)可能帶來(lái)的損失。通過(guò)本案例的多次試驗(yàn)研究,證明組合應(yīng)力剖面模型要以實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)為原型,在合理的基礎(chǔ)上構(gòu)建,才能增加試驗(yàn)的有效性和科學(xué)性。激發(fā)潛在故障和薄弱環(huán)節(jié)的試驗(yàn)技術(shù),今后將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[5]

加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)的應(yīng)力條件

1極限條件定義極限條件包括產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境中可能存在的極限環(huán)境條件和用戶(hù)需求的條件中更苛刻的條件。極限條件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí),應(yīng)該考慮,但對(duì)產(chǎn)品的可靠性影響不大;一般地,把極限條件作為可靠性強(qiáng)化和產(chǎn)品壽命檢測(cè)的參考條件之一。工作極限和破壞極限的定義見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。設(shè)計(jì)極限是為了讓產(chǎn)品穩(wěn)定地工作于產(chǎn)品的邊界條件下,滿(mǎn)足期望的工作極限要求,在總體設(shè)計(jì)和指標(biāo)分解時(shí),規(guī)定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)極限,考慮設(shè)計(jì)裕度,有時(shí)設(shè)計(jì)極限的部分指標(biāo)也有低于工作極限的情況。