貯存壽命評價工具箱設計研究

解江，郭琦，高軍

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610； 2.華南理工大學，廣州 510641）

引言

許多裝備具有長期貯存短時使用或長期貯存單次使用的特點，貯存壽命是其重要的質量可靠性特性。工程上為科學正確的評價裝備貯存期壽命，通常采用貯存數(shù)據(jù)評估預測與加速試驗評估結合的方式評價裝備貯存壽命，涉及對評估對象歷史貯存信息的可靠性評估及預測，以及加速壽命試驗和加速退化試驗評估。同時，針對貯存壽命相關特征進行檢測分析的技術，近幾年來也作為貯存壽命評價的重要方面在工程中推廣應用。但由于貯存壽命評價相關標準規(guī)范的缺失，當前裝備貯存壽命評價工作主要還是根據(jù)工程經(jīng)驗開展的特點產(chǎn)品定制化評價，貯存壽命評價的一些共性技術并沒有完成系統(tǒng)集成，形成便于工程實施的軟件工具。針對這種現(xiàn)狀，本文將就貯存壽命評價工具箱開發(fā)進行需求分析方面的討論。

1 工具箱總體功能

貯存壽命評價工具箱依照工程需求，核心任務其一為基于歷史貯存信息的壽命評估及預測，其二是加速壽命與加速退化試驗的方案設計、試驗歷程記錄、數(shù)據(jù)處理，其三為基于失效物理的元器件級、板級壽命特征分析的指導及記錄。根據(jù)工程經(jīng)驗，完成一系列的貯存壽命評價工作，主要由產(chǎn)品基本信息處理、歷史數(shù)據(jù)分析處理、加速試驗方案設計（依試驗類型分為加速壽命試驗和加速退化試驗兩種）、加速試驗實施記錄、加速退化試驗數(shù)據(jù)處理、加速壽命試驗數(shù)據(jù)處理、壽命特征檢測方案設計、壽命特征檢測的實施與記錄這八個主要步驟來完成，各功能間的關系如圖1所示。以下分別對每個功能的情況予以說明，并對貯存壽命工具箱完成這些功能的需求情況進行描述。

1.1 產(chǎn)品基本信息處理功能

貯存壽命評價作為工程項目，對象產(chǎn)品具有的許多信息會貫穿項目的始終，如產(chǎn)品名稱、型號、功能、參數(shù)、指標等，需要工具箱應有專門模塊對這些產(chǎn)品基本信息進行進行管理，其功能主要應包括：添加產(chǎn)品名稱、定義產(chǎn)品層次和產(chǎn)品組成、錄入產(chǎn)品可靠性指標或壽命指標、導入元器件清單，輸入產(chǎn)品外場歷史使用數(shù)據(jù)等。

1.2 歷史數(shù)據(jù)分析評價功能

壽命評價中有許多工作環(huán)節(jié)需用到產(chǎn)品歷史相關信息，對歷史貯存數(shù)據(jù)信息進行評價預測也是貯存壽命評價的重要組成部分，工具箱中涉及對歷史信息進行分析的模塊應能對產(chǎn)品的外場歷史使用數(shù)據(jù)進行初步評估，結合同類型產(chǎn)品或近似過往產(chǎn)品評估產(chǎn)品可靠性或壽命指標，為加速壽命試驗方案和加速退化試驗關重件的選擇以及最終的貯存壽命評估結果提供依據(jù)。對包括產(chǎn)品貯存時間和失效信息及各次檢測記錄的性能參數(shù)和檢測時間信息等歷史貯存信息，工具箱應能對其進行貯存壽命分析評估，得到失效率與貯存可靠度。

1.3 加速試驗方案設計功能

圖1 貯存壽命評價工具箱的主要功能框圖

加速試驗的順利實施和試驗數(shù)據(jù)評估的有效均要靠完備的加速試驗方案設計能力來保障。工程中，應在產(chǎn)品FMEA報告和歷史數(shù)據(jù)分析的基礎上，得到影響產(chǎn)品壽命的關鍵部組件及其敏感應力和應力極限范圍；確定加速試驗應力的組合及間隔方式；樣品的分配確認和試驗截尾的方法等。試驗方案的設計主要依靠工程技術人員的剪裁，工具箱中涉及該功能的模塊應能記錄這些工作并將其轉化為特定模板下的數(shù)據(jù)報告，便于試驗的實施。

1.4 試驗實施及記錄功能

工具箱中應有專門的模塊用于加速試驗過程信息及數(shù)據(jù)的記錄，能記錄加速試驗全過程中發(fā)生的重大事項包括測試時機、產(chǎn)品性能測試結果、故障時間、故障模式與機理，試驗截止時間等?？稍谠撃K建立可擴充的貯存失效信息庫，用于對測試及故障信息匯總分析評價，同時也可與貯存壽命特征檢測信息庫進行關聯(lián)，加強對試驗過程中出現(xiàn)故障的分析和判斷能力。

1.5 加速壽命試驗數(shù)據(jù)處理功能

該模塊主要功能為根據(jù)各組產(chǎn)品的特征壽命估計應力加速模型中的未知參數(shù)，獲得加速因子，最終得到常應力下的可靠壽命。該模塊可以處理常用的應力加速模型，包括阿倫尼斯模型，溫濕度應力的艾琳模型、IPC模型、Peck模型，振動應力和電應力的逆冪模型，溫循應力的逆冪模型和W-E模型等。加速因子的計算主要基于經(jīng)驗的物理模型，工具箱軟件應將這些常用應力的加速因子的計算方法固化入相應模塊中。

1.6 加速退化試驗數(shù)據(jù)處理功能

貯存壽命評價中，對于組件、電路板級別的產(chǎn)品一般多采取貯存加速退化試驗，結合失效物理和數(shù)理統(tǒng)計方法，外推并評估產(chǎn)品可靠性指標。工具箱中相關模塊應能根據(jù)各組產(chǎn)品的貯存敏感性能的退化規(guī)律，確定其性能退化方程，并根據(jù)產(chǎn)品性能隨時間的退化量估計性能退化方程的位置參數(shù)，同時結合產(chǎn)品性能退化的失效閾值，可以得到產(chǎn)品的偽失效分布函數(shù)從而得到產(chǎn)品的平均退化失效時間，為評估產(chǎn)品的壽命指標提供依據(jù)。

1.7 壽命特征檢測技術信息庫

圖2 工具箱歷史貯存信息模塊主要業(yè)務流程

元器件及板級壽命特征檢測技術是產(chǎn)品壽命評價技術的重要組成部分，從失效物理的角度考評產(chǎn)品真實的貯存退化特征。由于貯存壽命特征檢測技術可以參照許多當前較為成熟的元器件、電路板工藝質量檢測分析相關標準，所以工具箱中可以用技術信息庫的形式將該部分技術形成獨立模塊。該模塊集合元器件及板級特征壽命檢測技術，將元器件及電子線路板壽命特征檢測試驗項目、檢測規(guī)范方法、檢測判據(jù)等信息依照門類形成信息庫。

1.8 壽命特征檢測實施及分析功能

工具箱應對具備輔助設計貯存壽命特征檢測分析方案的能力，使工程技術人員借助特征檢測技術信息庫中相關信息進行方案設計，工具箱需具備生成相應檢測分析方案的能力?？梢勒者x取的試驗對象，對應特征檢測技術信息庫中相關檢測項目標準條目進行剪裁，并附帶依據(jù)檢測方案制定試驗檢測記錄及報告模板的能力，同時應能完善特征檢測中相關失效信息記錄匯總和證據(jù)保留等功能。

基于以上貯存壽命評價技術需求和工具箱功能需求，從貯存延壽工程技術特點和最終工具箱軟件的架構實現(xiàn)方式上進行考量分析，將貯存壽命評價工具箱依照主要技術特點劃分為相對獨立的三個核心模塊，覆蓋以上描述的工具箱功能需求，共同構建工具箱整體技術構架。分別為：貯存歷史信息模塊、加速試驗模塊、貯存壽命特征檢測模塊，以下對各模塊主要需求特點和工具箱主要業(yè)務進行論述。

2 歷史貯存信息模塊設計

2.1 歷史貯存信息模塊需求分析

工具箱的歷史貯存信息模塊需要收集廣泛的貯存相關技術信息，這些信息主要包括：貯存產(chǎn)品基本信息、貯存場地信息、可靠性預計信息、環(huán)境應力篩選信息、環(huán)境試驗信息、實驗室可靠性試驗信息、性能試驗信息、檢測信息、現(xiàn)場試驗信息、設計定型試驗信息、產(chǎn)品貯存日志信息等。另一方面，歷史貯存信息模塊需要對收集的信息進行數(shù)據(jù)處理計算，得出評估值，這里主要應包含各壽命分布類型的統(tǒng)計分析及檢驗功能。

2.2 歷史貯存信息模塊業(yè)務描述

滿足上述功能需求，歷史貯存信息模塊應具備以下業(yè)務內容及邏輯關系見圖2所示。產(chǎn)品歷史事件表和子部件歷史事件表二者在具體項目中只需其一（圖中虛線表示），分析產(chǎn)品和分析子部件時只需用其各自的歷史事件表。標準壽命表、檢測事件表和首次故障部位分布表一旦在工具箱中導出則自動靜態(tài)存儲在工具箱數(shù)據(jù)庫中?？煽啃怨烙嬃鞒痰慕Y果為工具箱運行時的界面輸出信息，若需在數(shù)據(jù)庫中保存結果則需用戶將需要的信息寫入相應的數(shù)據(jù)分析報告靜態(tài)保存。

2.3 歷史貯存信息模塊業(yè)務概念與數(shù)據(jù)描述

對歷史貯存信息模塊 中的各主要業(yè)務進行數(shù)據(jù)字典的編制，對涉及的信息進行數(shù)據(jù)描述和格式定義，形成圖3所示的業(yè)務概念圖。

3 加速試驗模塊設計

3.1 加速試驗模塊需求分析

貯存壽命評價加速試驗包括加速壽命試驗和加速退化試驗兩大類型，本次工具箱設計主要考慮的加速試驗類型為恒定應力加速壽命試驗（CSALT）、 恒 定應力加速退化試驗（CSADT）和步進應力加速壽命試驗（SSALT）。 貯 存壽命評價工具箱的加速試驗部分主要目的在于利用計算機高效的完成加速試驗的數(shù)據(jù)處理工作。工具箱對加速試驗的管理應滿足以下兩條基本原則：

1）加速試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析自包含原則，即工具箱應該管理并在數(shù)據(jù)庫中存儲加速試驗數(shù)據(jù)處理過程中需要的數(shù)據(jù)。

2）加速試驗完整信息以及外部鏈接信息可索引原則，即通過工具箱管理的加速試驗信息中的索引信息能準確定位到關于該加速試驗的更多信息，如對應的加速試驗紙質記錄等。

圖3 工具箱歷史貯存信息模塊業(yè)務概念圖

圖4 恒定應力加速壽命試驗業(yè)務（數(shù)據(jù)處理）流程圖

在滿足以上兩條基本原則前提下，工具箱管理的加速試驗信息應遵循從簡原則，無需在工具箱中對加速試驗實施過程中的所有有價值的數(shù)據(jù)進行管理和數(shù)據(jù)庫存儲。例如加速試驗開始時間、實施人等信息無需在工具箱中管理和存儲。雖然參與加速試驗的產(chǎn)品本身常常是一個更大型系統(tǒng)的子部件，或者該產(chǎn)品還能分解為其他子部件，但在工具箱的加速試驗部分中并不添加產(chǎn)品歸屬和歸屬于該產(chǎn)品的子部件等信息。對于產(chǎn)品結構層次等信息將在工具箱的歷史貯存部分管理，在工具箱的加速試驗部分，只需留下足夠的產(chǎn)品索引信息。

3.2 加速試驗模塊業(yè)務描述

滿足上述功能需求，加速試驗模塊應具備的業(yè)務內容有：加速試驗項目名稱、試驗編號、試驗產(chǎn)品類型、試驗產(chǎn)品型號、試驗類型、附加試驗信息（由試驗類型決定該項目的附加試驗信息）、試驗數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)時間單位、試驗應力種類數(shù)、試驗應力名稱、試驗應力單位、產(chǎn)品正常應力水平、試驗數(shù)據(jù)分析報告。先給出恒定應力加速壽命試驗主要業(yè)務流程關系如圖4所示，具體數(shù)據(jù)處理算法在本文中不予討論。

3.3 加速試驗模塊業(yè)務概念與數(shù)據(jù)描述

對加速試驗模塊中的各主要業(yè)務和三種試驗類型進行數(shù)據(jù)字典的編制，對涉及的信息進行數(shù)據(jù)描述和格式定義，其業(yè)務概念圖如圖5所示。

4 特征檢測分析模塊設計

4.1 特征檢測模塊需求分析

特征檢測分析的對象是產(chǎn)品所用元器件及電子線路板，采用的技術方法是物理分析與性能參數(shù)評價。特征檢測分析模塊不需要進行大量數(shù)據(jù)處理分析工作，該模塊的重點在于完備的特征檢測方案技術支持，和檢測記錄、分析評價過程的信息匯總與記錄。所以我們建立一個涵蓋全門類元器件和電子線路板相關特征檢測試驗項目信息庫作為該模塊的基礎，根據(jù)這些技術信息構建方案制定輔助功能，構建檢測分析過程記錄與輔助分析評價等功能。

圖5 加速試驗模塊業(yè)務概念圖

圖6 主要業(yè)務流程圖

4.2 特征檢測模塊業(yè)務描述

依照以上需求構建的特征檢測技術信息庫主要業(yè)務信息及業(yè)務流程如圖6。該特征檢測技術信息庫中元器件類別采用三級分類管理，涵蓋常規(guī)裝備產(chǎn)品用元器件種類；對于板級電路，僅作單、多層板區(qū)分，以板級電路功能來源或工藝特征作為類別名。信息庫中檢測項目的具體內容涵蓋GJB 4027、GJB 362、IPC-A-610相關檢測分析條目。

4.3 特征檢測模塊業(yè)務概念與數(shù)據(jù)描述

對特征檢測模塊中的各主要業(yè)務進行數(shù)據(jù)字典的編制，對涉及的信息進行數(shù)據(jù)描述和格式定義，其業(yè)務概念圖如圖7所示。

圖7 特征檢測模塊業(yè)務概念圖

5 結束語

以上給出了貯存壽命評價工具箱主要功能的需求描述，并分別按照基于歷史貯存信息處理需求分析、加速壽命試驗和加速退化試驗的需求分析以及貯存壽命特征檢測的需求分析，給出了壽命評價工具箱技術框架和功能構架，描述了核心模塊的業(yè)務流程圖和業(yè)務概念圖，為工具箱軟件的開發(fā)奠定了一定基礎。

[1] 譚源源.裝備貯存壽命整機加速試驗技術研究[D].北京:國防科學技術大學, 2010.

[2] 羅天元,周堃,余淑華,朱蕾.國外彈藥貯存壽命試驗與評價技術概述[J].理論與實驗研究, 2005(4): 17-22.

[3] 楊丹,恩云飛,黃云.電子元器件的貯存可靠性及評價技術[J].電子元件與材料,2005(7):61-64.

[4] 鄭德強等.加速退化試驗技術研究、應用與發(fā)展[J].裝備環(huán)境工程, 2011(2):100-104.

[5] 王召斌,任萬濱,翟國富.加速退化試驗與加速壽命試驗技術綜述[J],低壓電器,2010(9):1-6.