彈載電子設(shè)備HALT在延壽中的應(yīng)用研究

韓建立 張鑫 張崇會 趙建印

摘 要： 為選擇更為合適的加速壽命試驗(yàn)應(yīng)力，本文結(jié)合某型導(dǎo)彈任務(wù)環(huán)境特點(diǎn)和高加速壽命試驗(yàn)（HALT）要求，提出一種針對彈載電子設(shè)備的高加速壽命試驗(yàn)方法。以某型導(dǎo)彈彈載電子設(shè)備典型部件為例，在對其組成結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，確定了部件主要失效模式，分析了影響部件性能的敏感應(yīng)力。針對延壽工作需要，設(shè)計(jì)該部件的HALT方案，通過試驗(yàn)獲得該部件在不同敏感應(yīng)力下的工作極限值，為延壽工作的開展提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：彈載電子設(shè)備;HALT;加速壽命試驗(yàn);延壽

中圖分類號：TJ760?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A??? 文章編號：1673-5048（2021）03-0071-06

0 引? 言

目前，針對彈載電子設(shè)備的加速壽命試驗(yàn)主要以溫度應(yīng)力試驗(yàn)為主，應(yīng)力水平主要通過工程經(jīng)驗(yàn)或分析試驗(yàn)件的高溫特性來確定[1-2]。以往的延壽工作實(shí)踐表明，針對彈載電子設(shè)備的加速壽命試驗(yàn)，溫度應(yīng)力上限一般設(shè)定在75～120 ℃，試驗(yàn)時間長達(dá)幾個月[3-5]。研究發(fā)現(xiàn)，在保持產(chǎn)品失效模式與失效機(jī)理不變的前提下，合理提高溫度應(yīng)力水平會使試驗(yàn)效率成倍提高，從而極大縮短試驗(yàn)時間，降低試驗(yàn)成本[6-9]。

隨著器件和材料制造工藝水平的提高，導(dǎo)彈可靠性越來越高，以往的加速壽命試驗(yàn)過于保守，找到更有效率的應(yīng)力水平成為目前延壽領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本文通過產(chǎn)品研制階段采用的高加速壽命試驗(yàn)（Highly Accelerated Life Test，HALT）獲取產(chǎn)品溫度應(yīng)力下工作極限，指導(dǎo)加速壽命試驗(yàn)的開展。

在HALT技術(shù)和理論應(yīng)用方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。史曉雯及褚衛(wèi)華等[10-11]對HALT基本原理和試驗(yàn)流程作了詳細(xì)的概述，對HALT的試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)順序、試驗(yàn)設(shè)備選擇和試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究;馬巖[12]基于有限元分析理論基礎(chǔ)進(jìn)行了HALT仿真試驗(yàn)，得出了航天器精密組件在高低溫、溫度循環(huán)應(yīng)力下的工作極限;Brian等[13]通過將HALT應(yīng)用于高可靠性的航天級商用衛(wèi)星故障改進(jìn)中，驗(yàn)證了HALT在高可靠性產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值;陳鐵牛等[14]針對空空導(dǎo)彈試驗(yàn)費(fèi)用高、樣本量小等，設(shè)計(jì)了更加適用于研制過程的試驗(yàn)剖面，通過控制產(chǎn)品破壞極限發(fā)生的時機(jī)，盡早地暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，縮短了研制周期。

目前，國內(nèi)HALT技術(shù)與理論研究有較快的發(fā)展，但將HALT與傳統(tǒng)加速試驗(yàn)相結(jié)合應(yīng)用于延壽工作的研究鮮見發(fā)表。本文基于HALT的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和要求，根據(jù)某型導(dǎo)彈延壽任務(wù)需要，選取其導(dǎo)引頭二次電源作為彈上電子設(shè)備典型部件，設(shè)計(jì)HALT試驗(yàn)方案，通過HALT確定的部件工作極限，指導(dǎo)延壽工作中加速壽命試驗(yàn)應(yīng)力選擇。

1 彈載電子設(shè)備失效模式和失效機(jī)理

1.1 二次電源FTA分析

HALT的基本理論依據(jù)是故障物理學(xué)，主要研究產(chǎn)品的故障和失效[15]。故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）由美國科學(xué)家Watsonh和Hansl于1961年率先提出并應(yīng)用于“民兵”導(dǎo)彈系統(tǒng)，可形象地分析故障事件，并確定故障原因的各種組合及發(fā)生概率[16]，從而獲得二次電源容易失效的薄弱環(huán)節(jié)及相應(yīng)的敏感應(yīng)力，以及主要失效模式及失效機(jī)理。

某型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭二次電源是彈載電子設(shè)備的典型部件，安裝在導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭支架，主要功能是在導(dǎo)彈戰(zhàn)斗級階段發(fā)出“接通電源”指令后為末制導(dǎo)雷達(dá)提供12 V左右的電壓，由DC/AC變換單元、整流濾波單元、輸出濾波單元、穩(wěn)壓控制單元、供電單元等組成，工作原理示意圖如圖1所示。

二次電源主體為PCB板，搭載電壓比較器、電壓分配器、電壓電流轉(zhuǎn)換器、某型號二極管以及若干電阻、電容等電子元器件，元器件采取點(diǎn)焊工藝焊接在PCB板上。根據(jù)導(dǎo)彈實(shí)際使用背景，考慮儲存條件、任務(wù)環(huán)境等要素，以二次電源失效為頂事件，建立FTA分析如圖2所示。

通過FTA分析可得，二次電源主要失效模式包括電壓比較器失效，電壓分配器失效，電壓電流轉(zhuǎn)換器失效，二極管性能退化，導(dǎo)線短、開路，點(diǎn)焊脫落等，結(jié)合某型導(dǎo)彈歷年修理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，二極管性能退化和電路短、開路為概率最大的失效模式，據(jù)此可確定彈載電子設(shè)備典型部件在洞庫貯存、戰(zhàn)備值班典型任務(wù)剖面中的薄弱環(huán)節(jié)為二極管性能退化和電路短、開路。

1.2 彈載電子設(shè)備典型部件失效模式和失效機(jī)理

某型導(dǎo)彈整個壽命周期經(jīng)歷貯存、運(yùn)輸、維護(hù)、值班等任務(wù)剖面，主要受濕熱、沖擊、鹽霧等環(huán)境因素的影響[17]，這些因素長期作用導(dǎo)致導(dǎo)彈各部件在機(jī)械、化學(xué)、電氣等方面產(chǎn)生累積效應(yīng)，從而引發(fā)故障，可能引發(fā)的失效模式與失效機(jī)理如表1所示。

1.3 敏感應(yīng)力分析

開展HALT前要結(jié)合導(dǎo)彈使用環(huán)境和延壽任務(wù)需求，找到影響彈載電子設(shè)備可靠性的主要因素確定為試驗(yàn)應(yīng)力?？紤]到導(dǎo)彈長期貯存在有供暖的庫房，戰(zhàn)備值班時發(fā)射筒內(nèi)也采用了相應(yīng)保護(hù)措施，因此霉菌、電壓、輻射、鹽霧、濕度對其造成的影響很小，影響其性能的環(huán)境因素主要為溫度和振動[18]。導(dǎo)彈所受振動和沖擊主要來自轉(zhuǎn)載運(yùn)輸環(huán)節(jié)，在服役周期中時間短暫、占比極小，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明振動對導(dǎo)彈基本沒有造成損傷，因此可以不予考慮。

綜上所述，對彈載電子設(shè)備典型部件開展加速壽命試驗(yàn)主要考慮溫度的影響，所以，溫度是HALT和加速壽命試驗(yàn)共同的敏感應(yīng)力，可以通過HALT得到的工作極限溫度作為加速壽命試驗(yàn)溫度選擇的依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)流程和樣本選取

HALT不同于加速壽命試驗(yàn)，主要注重故障激發(fā)效率，對失效統(tǒng)計(jì)結(jié)果的要求不高。由于該型導(dǎo)彈具有較高的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，考慮到試驗(yàn)中可能會因突發(fā)失效導(dǎo)致試驗(yàn)失敗等因素，試驗(yàn)件數(shù)量安排為2個（1個參加試驗(yàn)，1個備用）。

根據(jù)目前國內(nèi)外對HALT應(yīng)用的研究，常用試驗(yàn)方案一般包括低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、快速溫變試驗(yàn)、振動應(yīng)力試驗(yàn)和綜合環(huán)境試驗(yàn)[19]，通常依靠專用的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)箱實(shí)施。根據(jù)GB/T 29309-2012《電工電子產(chǎn)品加速應(yīng)力試驗(yàn)規(guī)程高加速壽命試驗(yàn)導(dǎo)則》對試驗(yàn)裝置的要求，進(jìn)行溫度應(yīng)力試驗(yàn)的設(shè)備要求最大溫度變化速率不小于60 ℃/min，試驗(yàn)溫度范圍不小于-80～170 ℃，溫差為±3 ℃[20]，常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備無法滿足。文獻(xiàn)[21]中給出的試驗(yàn)證明，利用常規(guī)溫度試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，可以更精確地對溫度步進(jìn)進(jìn)行控制，因而可準(zhǔn)確得到產(chǎn)品的溫度工作極限。以上結(jié)論為實(shí)驗(yàn)室缺少專用HALT設(shè)備時利用常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備執(zhí)行部分HALT項(xiàng)目提供了理論依據(jù)。為達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模_定執(zhí)行高、低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，根據(jù)HALT應(yīng)力施加順序基本原則，先進(jìn)行破壞性小的低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，再進(jìn)行破壞性大的高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

HALT可高效率暴露試驗(yàn)件潛在缺陷，一般經(jīng)過HALT的產(chǎn)品就不能再做他用?？紤]到本次試驗(yàn)的目的是獲取二次電源的工作極限而不是破壞極限，且二次電源為現(xiàn)役裝備部件，因此力求避免試驗(yàn)件破壞失效。按照電子元器件溫度等級劃定標(biāo)準(zhǔn)[22]，為避免試驗(yàn)件產(chǎn)生破壞失效，設(shè)定本次試驗(yàn)截止溫度值為高溫不超過150 ℃，低溫不低于-55 ℃。

根據(jù)美國科學(xué)家Hobbs的建議，HALT步長取10 min，一般情況下，以試驗(yàn)件規(guī)定的使用溫度±20 ℃作為步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的起始溫度，如規(guī)定工作溫度在0～35 ℃，則以0 ℃和35 ℃為低溫步進(jìn)和高溫步進(jìn)的起始溫度。因?yàn)?～35 ℃之間的應(yīng)力對產(chǎn)品損傷量極少[23]，步階一般為5 ℃或10 ℃，以試驗(yàn)件規(guī)定的工作溫度為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到規(guī)定的工作環(huán)境極限溫度值之前以10 ℃為步長，之后以5 ℃為步長。

某型導(dǎo)彈貯存溫度為-5～35 ℃，規(guī)定的使用溫度為-10～70 ℃，因此，HALT溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)高溫起始溫度為35 ℃，低溫起始溫度為0 ℃，達(dá)到70 ℃之前步階為10 ℃，之后為5 ℃，在低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中，達(dá)到-10 ℃之前步階為10 ℃，之后為5 ℃。

3 HALT試驗(yàn)過程及結(jié)果處理

試驗(yàn)設(shè)備選取成都普吉斯天宇試驗(yàn)設(shè)備公司生產(chǎn)的的TZ-80-70-WH高低溫綜合試驗(yàn)箱，如圖3所示。

確定試驗(yàn)件外觀完好，性能符合技術(shù)要求，將試驗(yàn)件按圖4所示固定于試驗(yàn)箱內(nèi)，并根據(jù)受試產(chǎn)品的熱分布及溫升情況安裝溫度傳感器，試驗(yàn)件導(dǎo)引頭二次電源可理想化為平面板狀物體，不考慮厚度對溫度傳導(dǎo)的影響，認(rèn)為在溫度試驗(yàn)箱中隨溫度變化，內(nèi)外溫度一致。

3.1 試驗(yàn)過程

3.1.1 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的起始溫度為0 ℃，步進(jìn)應(yīng)力達(dá)到-10 ℃，之后步長為5 ℃，溫度變化率為可獲得最大溫變速率5 ℃/min。受試產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定后，保溫10 min，通電2次以測試試驗(yàn)件在低溫條件下的轉(zhuǎn)換能力，在輸出端連接萬用表，檢測輸出電壓并記錄，以輸出電壓是否在12 V±0.60 V內(nèi)為失效判據(jù)，低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)以-55 ℃為終止條件。

按照方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)要求進(jìn)行0 ℃， -10 ℃， -15 ℃， -20 ℃， -25 ℃， -30 ℃， -35 ℃， -40 ℃， -45 ℃， -50 ℃， -55 ℃溫度試驗(yàn)，溫度測量曲線如圖5所示。

在溫度穩(wěn)定時，對試驗(yàn)件性能進(jìn)行檢測，2次通電結(jié)果取均值以消除誤差作為測試結(jié)果，電壓測試結(jié)果如圖6所示，判定在整個低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)階段試驗(yàn)件未出現(xiàn)故障。通過試驗(yàn)，確定受試產(chǎn)品當(dāng)前狀態(tài)下的低溫工作極限優(yōu)于-55 ℃。

3.1.2 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的起始溫度為35 ℃，在溫度達(dá)到70? ℃之前步長為10? ℃，之后步長為5 ℃，溫度變化率為可獲得最大溫變速率5 ℃/min。受試產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定后，保溫10 min，通電2次以考核其在高溫條件下的轉(zhuǎn)換能力，在輸出端連接萬用表，檢測輸出電壓并記錄，以輸出電壓是否在12 V±0.60 V內(nèi)為失效判據(jù)，高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)以150 ℃為終止條件。

按照方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)要求進(jìn)行35 ℃， 45 ℃， 55 ℃， 65 ℃， 75 ℃， 80 ℃， 85 ℃， 90 ℃， 95 ℃， 100 ℃， 105 ℃， 110 ℃， 115 ℃， 120 ℃， 125 ℃， 130 ℃， 135 ℃， 140 ℃， 145 ℃， 150 ℃溫度試驗(yàn)，試驗(yàn)期間溫度測量曲線如圖7所示。

在溫度穩(wěn)定時，對試驗(yàn)件性能進(jìn)行檢測，電壓測試結(jié)果如圖8所示，受試產(chǎn)品在整個高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)階段未出現(xiàn)故障。通過試驗(yàn)，確定受試產(chǎn)品當(dāng)前狀態(tài)下的高溫工作極限優(yōu)于150 ℃。

3.2 結(jié)果分析

溫度到達(dá)本次試驗(yàn)設(shè)定的高、低溫極值時，試驗(yàn)件無肉眼可見的斷裂、膨脹及融化現(xiàn)象，溫度穩(wěn)定后兩次啟動電源供電，測量輸出電壓，低溫-40 ℃時均為12.3 V，高溫150 ℃兩次通電測量分別為11.5 V和11.6 V，均滿足性能要求，試驗(yàn)件未失效?？梢?，在低、高溫步進(jìn)試驗(yàn)過程中，均沒有激發(fā)故障。

在低、高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)過程中，均未激發(fā)二次電源故障，未發(fā)現(xiàn)其他未知的設(shè)計(jì)缺陷，可說明二次電源符合軍工級標(biāo)準(zhǔn)，部件在溫度應(yīng)力范圍（-55～150 ℃），失效模式與失效機(jī)理不會發(fā)生改變。

4 結(jié)? 論

通過試驗(yàn)，確定了某型導(dǎo)彈彈載電子設(shè)備典型部件——導(dǎo)引頭二次電源的低溫工作極限優(yōu)于-55 ℃，高溫工作極限優(yōu)于150 ℃，在-55～150 ℃溫度范圍內(nèi)試驗(yàn)件失效模式與失效機(jī)理未發(fā)生改變。上述HALT結(jié)果對加速壽命試驗(yàn)選取更為高效的高、低溫應(yīng)力具有很好的指導(dǎo)作用，為改變導(dǎo)彈延壽工作中過于保守的加速應(yīng)力水平提供依據(jù)，未來可通過HALT的振動數(shù)據(jù)，指導(dǎo)加速壽命試驗(yàn)振動值的確定。

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Application Research on Life Extension of

Missile-Borne Electronic Equipment HALT

Han Jianli1，? Zhang Xin1， 2*， Zhang Chonghui2， Zhao Jianyin1

（1.Naval Aviation University，? Yantai 264001， China; 2.Unit 91614 of PLA， Dalian 116044， China）

Abstract：? For selecting more suitable stress of accelerated life test， based on the environmental characte-ristics and the requirements of highly accelerated life test （HALT） of a certain missile mission， a HALT method for the missile-borne electronic equipment is proposed. Taking a typical component of a missile-borne electronic equipment as an example， based on the analysis of the component structure， the main failure mode of the component is determined， and the sensitive stresses affecting the performance of the component is analyzed. Accor-ding to the need of life extension， the HALT scheme of the component is designed and the working limit value of the component under different sensitive stresses is obtained by test， which provides guidance for the life extension work.

Key words： ??missile-borne electronic equipment;HALT;accelerated life test;life extension

收稿日期：2020-03-04

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51605487）

作者簡介：韓建立（1967-），男，山東菏澤人，博士，教授，研究方向是海軍航空導(dǎo)彈裝備綜合保障。

通訊作者：張鑫（1993-），? 男，? 碩士研究生，研究方向是海軍航空導(dǎo)彈裝備綜合保障。