彈載激光探測器加速壽命試驗(yàn)與評估研究

周小燕,梁晨宇,姜 超,錢 煜,孔繁林,袁 鎏,路小龍,郭雨航

(西南技術(shù)物理研究所,四川 成都 610041)

1 引 言

彈載激光探測器的主要作用是將探測到目標(biāo)反射的激光信號轉(zhuǎn)化成電信號,供系統(tǒng)后續(xù)電路處理目標(biāo)的位置信息或距離信息,隨著作戰(zhàn)任務(wù)的結(jié)束而消亡。是系統(tǒng)的核心器件。其質(zhì)量可靠性指標(biāo)是智能彈藥系統(tǒng)質(zhì)量可靠性保障不可缺少的環(huán)節(jié)之一。對于彈載激光探測器“長期貯存、一次使用”的壽命特點(diǎn),若采用常規(guī)方法,在正常應(yīng)力下,長期跟蹤產(chǎn)品貯存過程中的性能參數(shù)的變化情況,才能確定產(chǎn)品的貯存壽命規(guī)律。不僅需要消耗大量的人力、物力和時間,實(shí)際上長期跟蹤難以實(shí)現(xiàn)；且隨著光電技術(shù)的迅速發(fā)展,產(chǎn)品升級換代較為頻繁,新的替代產(chǎn)品已投入使用,同類產(chǎn)品貯存數(shù)據(jù)的可參考性受到影響。由于缺乏光電探測器貯存壽命規(guī)律的相關(guān)數(shù)據(jù),不僅影響系統(tǒng)的定壽和延壽工作,而且增加了裝備的使用風(fēng)險。

解決這一矛盾的行之有效的方法就是開展加速壽命試驗(yàn),采用加速壽命試驗(yàn)的方法,獲得貯存特征參數(shù)的變化規(guī)律,通過統(tǒng)計分析等科學(xué)方法評估激光探測器的貯存壽命,為系統(tǒng)的定壽和延壽提供數(shù)據(jù)支持。

2 概 述

從1957年Levenbach發(fā)表“電容器的加速壽命試驗(yàn)”開始,尤其是20世紀(jì)70年代以來,加速壽命試驗(yàn)在加速模型的研究、統(tǒng)計推斷方法方面取得了長足的進(jìn)展,并在推斷電子、機(jī)械等材料和器件的使用或貯存壽命方面,發(fā)揮了重要作用。多種產(chǎn)品經(jīng)歷了研制—使用—改進(jìn)的過程,其貯存可靠性不斷提高,貯存壽命一再延長。

我國在貯存壽命方面也開展了一系列工作,各類彈藥從20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行現(xiàn)場貯存試驗(yàn),獲得了大量的貯存性能與貯存壽命數(shù)據(jù),為現(xiàn)役導(dǎo)彈的可靠使用及后續(xù)導(dǎo)彈設(shè)計積累了大量信息。電子五所曾對近萬只元器件在北京、桂林等地長期貯存試驗(yàn),估算出國產(chǎn)一般半導(dǎo)體器件的貯存壽命可達(dá)14年或14年以上。

本文研究的激光探測器主要應(yīng)用于智能彈藥領(lǐng)域,具有“長期貯存、一次使用”的特點(diǎn),隨著作戰(zhàn)任務(wù)的結(jié)束而消亡。一般情況下,貯存壽命要求不小于12年。

評估長壽命高可靠產(chǎn)品的貯存壽命需要的試驗(yàn)時間長、費(fèi)用高。文獻(xiàn)[1]指出加速壽命試驗(yàn)是解決壽命較長的產(chǎn)品壽命評估的有效途徑。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺乏和鮮有相關(guān)研究報道,本文研究適用于激光探測器的加速壽命試驗(yàn)設(shè)計方法,分析敏感應(yīng)力、安全加速應(yīng)力、應(yīng)力敏感參數(shù)、試驗(yàn)剖面等[2-4],以及加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理的步驟和方法。關(guān)于激光探測器,文獻(xiàn)[5]、[6]指出光電探測器的退化以暗電流增加為主要特征,文獻(xiàn)[6]給出了硅雪崩光電探測器加速工作壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)方案及實(shí)施的思路和方法,文獻(xiàn)[7]對彈用激光探測器交付安裝后的失效模式和影響進(jìn)行分析,文獻(xiàn)[8]、[9]開展了探測器壽命試驗(yàn)測試方法等研究,為激光探測器貯存壽命評估研究提供重要的參考價值。

3 激光探測器加速貯存壽命試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)原理

加速壽命試驗(yàn)是在不改變失效機(jī)理的前提下,采用加大應(yīng)力的方式來縮短試驗(yàn)時間的一種壽命試驗(yàn)方法。加大應(yīng)力促使樣品在較短的時間內(nèi)失效,利用高應(yīng)力水平下的壽命特征外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征,從而評估出正常貯存條件下的貯存壽命。

3.2 加速應(yīng)力

激光探測器貯存過程中受到的應(yīng)力有溫度、濕度、振動和電應(yīng)力。振動應(yīng)力主要來自于轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的運(yùn)輸振動,電應(yīng)力主要來自于產(chǎn)品的定期檢測,這兩種應(yīng)力微乎其微,可以忽略不計。因此貯存過程中受到的主要應(yīng)力是溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力。濕度應(yīng)力主要是外觀銹蝕、影響其引腳的可焊性,以及密封失效時,影響探測器內(nèi)部芯片的工作氣氛,使得性能惡化。由于彈載激光探測器均為氣密封裝器件,其漏率規(guī)定不大于1×10-2Pa·cm-3/s。由于工藝技術(shù)水平的提高,庫房正常存放10年的激光探測器漏率滿足規(guī)定的要求,所以濕度應(yīng)力不是影響其貯存壽命的主要應(yīng)力。

綜上所述,影響氣密封裝的激光探測器貯存壽命的主要應(yīng)力是溫度應(yīng)力。

在進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)方案設(shè)計時,采用綜合應(yīng)力會加快性能參數(shù)的變化過程,但是引入過多應(yīng)力會給試驗(yàn)實(shí)施和數(shù)學(xué)建模帶來較大困難,綜合以上分析,對激光探測器貯存壽命的加速試驗(yàn)設(shè)計,以溫度為加速應(yīng)力。

3.3 加速模型

以溫度為加速應(yīng)力時,常用阿倫尼斯模型描述產(chǎn)品內(nèi)部物理化學(xué)變化過程與溫度間關(guān)系,其特征壽命與溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

ξ=AeEa/KT

(1)

其中,ξ為壽命特征參數(shù),如中位壽命、平均壽命等；A為常數(shù),由試驗(yàn)確定,且A>0；Ea為激活能,與材料有關(guān),單位是eV；K為玻爾茲曼常數(shù)8.617×10-5eV/K；T為熱力學(xué)溫度，K。

從式(1)可以看出,溫度升高,特征壽命減小,即失效過程被加速,溫度T1相對于溫度T0的加速系數(shù)見式:。

(2)

3.4 應(yīng)力水平

綜合效費(fèi)比,一般情況下,采用三個應(yīng)力水平進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。在保證失效機(jī)理不變的情況下,盡可能的選取最高的溫度,最高溫度受工藝用主料和輔料、以及工藝制程的限制。

一般來說,激光探測器產(chǎn)品規(guī)范中規(guī)定85 ℃為最高貯存溫度,考慮工藝因素,推薦三個加速應(yīng)力水平:90～100 ℃、100～110 ℃、120 ℃。

3.5 應(yīng)力施加方式

應(yīng)力施加方式有恒定應(yīng)力、序進(jìn)應(yīng)力和步進(jìn)應(yīng)力三種方式,一般情況下,樣品數(shù)量充足、試驗(yàn)設(shè)備充分的條件下,優(yōu)先采用恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。激光探測器為長壽命高可靠產(chǎn)品,為提高試驗(yàn)效率,可采用步進(jìn)應(yīng)力步降施加方式進(jìn)行加速試驗(yàn)[10]。

3.6 試驗(yàn)時間

在試驗(yàn)時間設(shè)計上,按照高應(yīng)力下試驗(yàn)時間短、低應(yīng)力下試驗(yàn)時間長的原則,定時截尾和定數(shù)截尾相結(jié)合的方式進(jìn)行,每個應(yīng)力下試驗(yàn)時間不小于2000 h或出現(xiàn)不少于3只樣品失效,轉(zhuǎn)入下一階段的試驗(yàn)。

3.7 樣本量

樣品數(shù)量為不小于10只。

3.8 測試要求

根據(jù)GJB548B-2005規(guī)定,并結(jié)合實(shí)際情況,設(shè)計測試間隔時間為(200±40)h,測試為常溫測試。

激光探測器的敏感參數(shù)為暗噪聲和響應(yīng)度,為全面檢測樣品性能的變化情況,加速壽命試驗(yàn)過程中中間測試的參數(shù)包括:響應(yīng)度、暗噪聲等技術(shù)規(guī)范規(guī)定的光電參數(shù)。

3.9 失效判據(jù)

不滿足產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)要求或變化率大于30 %,則判定不合格。

4 加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理方法

4.1 壽命分布類型

激光探測器屬于半導(dǎo)體光電子器件,具有高可靠性長壽命特點(diǎn),壽命一般服從指數(shù)分布。本文假設(shè)激光探測器貯存壽命分布為指數(shù)分布,后續(xù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),驗(yàn)證貯存壽命分布類型檢驗(yàn)?zāi)芊裢ㄟ^。

4.2 確定特征參數(shù)

由于試驗(yàn)方案采用步進(jìn)應(yīng)力步降施加方式,除了最高試驗(yàn)應(yīng)力,其他應(yīng)力下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為非全壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù),不能直接用于計算,為求解加速模型的參數(shù),采用極大似然法。極大似然法是一種非常重要的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法,由于極大似然法無法直接得到顯示解,需借助數(shù)值計算求得未知參數(shù)。

求解加速模型特征參數(shù)的步驟如下:

1) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

基于Nelson累積失效假定,在應(yīng)力Ti下工作ti時間,相當(dāng)于在應(yīng)力Tj下工作tj時間:

λiti=λjtj

(3)

(4)

(5)

(6)

2)建立似然方程

似然函數(shù)見式(7)～式(10)。

l(λ1,λ2,…,λk)=

(7)

(8)

(9)

(10)

3) 求解加速模型參數(shù)

將加速模型作如下變換,如式(11)所示:

ln(θ)=a+b/T

(11)

λ=1/θ

(12)

式中,θ為平均壽命；a,b為待估系數(shù)；T為溫度應(yīng)力,熱力學(xué)溫度；λ為失效率。

將式(11)和式(12)代入式(7),可采用牛頓法和模擬退火法對似然函數(shù)進(jìn)行綜合最優(yōu)化數(shù)值計算,得到a、b。

4.3 計算加速因子

將a、b代入式(11)求出溫度T下的平均壽命θ,T1對T0的加速因子為:

AF=θ0/θ1

(13)

4.4 壽命分布類型檢驗(yàn)

指數(shù)分布檢驗(yàn)采用χ2檢驗(yàn)法。如果原假設(shè)H0:λ(t)=λ(常數(shù))成立,則檢驗(yàn)函數(shù)為:

(14)

式中,T(t(i))為在t(i)失效時刻前的累積總試驗(yàn)時間；T*為總試驗(yàn)時間；r為失效數(shù)。

如果顯著性水平為α,即:

(15)

則拒絕H0,即認(rèn)為不服從指數(shù)分布。

激光探測器最高加速應(yīng)力下的全壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)可直接采用χ2檢驗(yàn)法進(jìn)行指數(shù)分布檢驗(yàn)；同時,基于加速因子,可將三個應(yīng)力下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)折合到某一應(yīng)力下(折合原理見圖1),再進(jìn)行指數(shù)分布檢驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)折合方法

如果能通過指數(shù)分布檢驗(yàn),表明貯存壽命服從指數(shù)分布,且加速壽命試驗(yàn)未改變產(chǎn)品失效機(jī)理[11]。否則表示壽命分布不服從指數(shù)分布或加速壽命試驗(yàn)改變了產(chǎn)品失效機(jī)理。

4.5 貯存壽命評估

激光探測器貯存壽命一般指正常貯存溫度25 ℃下的壽命。評估時,基于加速因子將試驗(yàn)數(shù)據(jù)折合到25 ℃下,再根據(jù)式(16)[12]計算25 ℃下可靠壽命單側(cè)置信下限:

(16)

式中,R為可靠度；tL(R)為可靠壽命置信下限；T為累積試驗(yàn)時間；1-α為置信度；r為失效數(shù)。

若tL(R)≥指標(biāo)要求,則表明產(chǎn)品貯存壽命能夠滿足系統(tǒng)要求。

5 結(jié) 論

本文研究了彈載激光探測器的加速壽命試驗(yàn)與壽命評估方法,提出了加速試驗(yàn)方案中應(yīng)力水平、應(yīng)力施加方式、試驗(yàn)時間等因素設(shè)計準(zhǔn)則,為激光探測器加速貯存壽命試驗(yàn)設(shè)計提供了依據(jù)?；跇O大似然法、加速模型、數(shù)值分析等,給出了彈載激光探測器加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的系統(tǒng)方法,實(shí)現(xiàn)了加速模型參數(shù)估計和可靠貯存壽命評估,為智能彈藥系統(tǒng)的可靠性、維修性和保障性提供數(shù)據(jù)支持,對同類激光探測器貯存壽命評估方法研究具有重要的參考價值。