基于序进等效的星载电子单机长寿命加速验证方法与流程

1.本公开一般涉及星载产品寿命试验及可靠性评价技术领域，具体涉及基于序进等效的星载电子单机长寿命加速验证方法。


背景技术：

2.随着我国航天技术的快速发展，新一代航天型号寿命与可靠性指标要求大幅度提高，低轨卫星设计寿命要从2～3年，提升到8年，高轨卫星从8年提升到12～15年，全电推平台寿命要求为18年。星载电子单机作为保障卫星上各设备正常工作的基础装置，在整个卫星寿命期内，必须一直可靠、稳定工作，一旦其发生故障可能导致卫星业务中断、卫星安全存在风险，卫星任务不能完成。
3.半导体技术的快速发展，促使星载电子单机技术更新快，发展快，为集成更多功能和提高性能，不断采用国产新器件、新封装，如片上系统(soc，system on chip)和微系统(sip，system in package)等已开始广泛应用。星载电子单机集成化、小型化、复杂程度越来越高，以及更大规模或更小尺寸器件的应用，现有研制体系中的环境试验，越来越难以发现产品的潜在缺陷，特别是那些偶发的、深层次的、间歇性故障，更无法在研制过程中及早发现和改进。
4.此外，航天器所处的空间环境相比地面更为复杂，深空低温、粒子辐照、高低温循环等均会造成星载电子单机寿命损耗增大，进而导致其在轨工作的可靠性降低。为了保证星载电子单机能满足在轨使用寿命要求，需要在地面进行充分的试验验证。但1:1的寿命试验无法满足实际工程应用，需要通过加速试验原理，在相对较短时间内对星载电子单机寿命进行验证。目前，对于小样本星载产品采用的加速试验方法往往需要根据国外标准或文献数据估算加速因子，不能与产品实际的性能数据结合，尤其是在无失效的情况下，更是难以给出准确的寿命平均结果。因此，我们提出一种基于序进等效的星载电子单机长寿命加速验证方法，用以解决上述的小样本星载电子单机长寿命验证及评价技术试验时间长、不能与产品实际性能数据结合，置信度较低的问题。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种与产品实际性能数据相结合，无论产品是否失效均可给出准确的寿命平均结果，置信度高，有效缩短寿命验证试验时间，节约试验经费且易于实现的基于序进等效的星载电子单机长寿命加速验证方法。
6.第一方面，本技术提供一种基于序进等效的星载电子单机长寿命加速验证方法，包括以下步骤：
7.获取星载电子单机的加速试验剖面环境；
8.基于加速试验剖面环境，对星载电子单机做循环加速寿命试验；所述循环加速寿命试验出现至少一个产品失效或者到达试验截止时间，则停止试验；
9.获取星载电子单机试验样品在加速寿命试验过程中的性能参数随时间和应力变
化的试验数据，并建立星载电子单机序进等效模型；
10.基于星载电子单机序进等效模型，评估产品寿命指标。
11.根据本技术实施例提供的技术方案，根据以下方法获取星载电子单机的加速试验剖面环境：
12.分析星载电子单机失效的潜在失效模式，并确定影响星载电子单机寿命的关键影响指标；
13.获取关键影响指标参数随环境变化的规律，以及星载电子单机在不同环境应力下的工作极限；
14.根据不同的工作极限，制定星载电子单机的加速试验剖面环境。
15.根据本技术实施例提供的技术方案，根据以下方法分析星载电子单机失效的潜在失效模式，并确定影响星载电子单机寿命的关键影响指标：
16.分析星载电子单机的设计参数，获取关键影响指标：
17.基于星载电子单机在轨应用的环境剖面和任务剖面，统计星载电子单机所面临的具体环境条件；
18.综合关键影响指标和星载电子单机所面临的具体环境条件，分析星载电子单机的潜在设计和质量薄弱环节，得到星载电子单机的潜在失效模式；
19.分析潜在失效模式的影响指标，确定影响星载电子单机寿命的关键影响指标。
20.根据本技术实施例提供的技术方案，根据以下方法获取关键影响指标参数随环境变化的规律，以及星载电子单机在不同环境应力下的工作极限：
21.对星载电子单机开展失效边界摸底试验；所述失效边界摸底试验包括：依次开展的低温摸底试验、高温摸底试验和快速温变摸底试验；
22.若任一项失效边界摸底试验中的样本失效，则选取新样本或对可修复样本修复，继续开展下一项试验，直至完成所有失效边界摸底试验；
23.基于每项试验，获取星载电子单机的相应的低温、高温、快速温变的工作极限，以及关键影响指标参数受上述环境影响的变化规律。
24.根据本技术实施例提供的技术方案，根据以下方法制定星载电子单机的加速试验剖面环境：
25.选取加速试验的高温温度；所述高温温度大于设定的鉴定级试验最高温度，且小于星载电子单机的元器件和材料的最高工作温度以及星载电子单机的高温工作极限；
26.设定温度步进台阶的变化速率，且所述变化速率小于星载电子单机的快速温变的工作极限；
27.通过温度步进递增的方式开展加速试验，直至出现至少一个产品失效或者到达试验截止时间；
28.对电应力在设定工作范围下做拉偏循环；
29.基于上述的高温步进应力和电应力拉偏循环方式开展加速寿命试验，制定高温步进+电应力循环的加速试验剖面环境。
30.根据本技术实施例提供的技术方案，根据以下方法判定产品失效：
31.通过分析关键影响指标，确定产品失效判据；
32.在试验过程中，对星载电子单机的各指标与产品失效判据做对比；
33.若出现至少一个指标与产品失效判据一致，则判定产品失效，反之，则继续试验。
34.根据本技术实施例提供的技术方案，根据以下方法获得试验截止时间：
35.根据以下公式计算高温环境对星载电子单机的寿命影响程度：
36.ea＝0.6ev；
[0037][0038]
根据以下公式计算温度加速因子af
温度
为：
[0039][0040]
其中，t
寿命
表示寿命，t
max
表示高温水平，a为常数，t
正常
表示正常条件下的温度，t
加速
表示加速条件下的温度，k表示玻尔兹曼常数， k＝8.6171
×
10
‑5，ea表示失效激活能，t
加速
表示加速条件下的温度；
[0041]
所星载电子单机的各预估加速因子为af1、af2、...、af
n
；
[0042]
设定各温度台阶下的时间相同，根据以下公式计算试验截止时间：
[0043][0044]
根据本技术实施例提供的技术方案，根据以下公式建立星载电子单机序进等效模型：
[0045][0046]
其中，a，m，n为常数，dm/dt为产品特征参数随时间的变化率， j为电流密度，v为电压，t为绝对温度。
[0047]
根据本技术实施例提供的技术方案，根据以下公式评估产品寿命指标：
[0048][0049]
其中，θ
l
为最优置信下限，t
#j
各试验产品的等效寿命，j为试验样品个数，1
‑
α为置信水平，α表示显著性水平，n表示样品总数量。
[0050]
综上所述，本技术方案具体地公开了基于序进等效的星载电子单机长寿命加速验证方法的具体流程。本技术具体地通过获取星载电子单机的加速试验剖面环境，为星载电子单机提供试验环境；对星载电子单机做循环加速寿命试验，无需复杂合试验设备即可进行试验且操作简单；进一步地，当循环加速寿命试验过程中出现至少一个产品失效或者到达试验截止时间，则停止试验，因此，无论产品是否失效均可给出准确的寿命平均结果，并且可有效缩短寿命验证试验时间；获取星载电子单机试验样品在加速寿命试验过程中的性能参数随时间和应力变化的试验数据，并建立星载电子单机序进等效模型，可计算可信度更高的加速因子，进而评估产品寿命指标，得到更为准确的寿命验证结果。
附图说明
[0051]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0052]
图1为基于序进等效的星载电子单机长寿命加速验证方法的流程示意图。
[0053]
图2为低温摸底试验剖面示意图。
[0054]
图3为高温摸底试验剖面示意图。
[0055]
图4为快速温变摸底试验剖面示意图。
[0056]
图5为星载电子单机加速寿命试验剖面示意图。
[0057]
图6为基于序进等效模型拟合ln(δm/t2m0)与1/t曲线的示意图。
具体实施方式
[0058]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0059]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0060]
实施例一
[0061]
请参考图1所示的本技术提供的一种基于序进等效的星载电子单机长寿命加速验证方法的第一种实施例的流程示意图，包括以下步骤：
[0062]
获取星载电子单机的加速试验剖面环境；
[0063]
基于加速试验剖面环境，对星载电子单机做循环加速寿命试验；所述循环加速寿命试验出现至少一个产品失效或者到达试验截止时间，则停止试验；
[0064]
获取星载电子单机试验样品在加速寿命试验过程中的性能参数随时间和应力变化的试验数据，并建立星载电子单机序进等效模型；
[0065]
基于星载电子单机序进等效模型，评估产品寿命指标。
[0066]
在本实施例中，获取星载电子单机的加速试验剖面环境；
[0067]
具体地通过以下方法实现：
[0068]
获取星载电子单机的加速试验剖面环境：
[0069]
采用fmmea方法分析星载电子单机失效的潜在失效模式，并确定影响星载电子单机寿命的关键影响指标；
[0070]
进一步地，根据以下方法分析星载电子单机失效的潜在失效模式，并确定影响星载电子单机寿命的关键影响指标：
[0071]
按照产品功能fmmea分析方法，采集星载电子单机的组成结构、各层材料、性能参数、合格性判据、制造工艺程序以及历史故障信息，并获取星载电子单机设计参数，明确试验过程重点关注测试项点；
[0072]
基于星载电子单机在轨应用的环境剖面和任务剖面，统计星载电子单机所面临的具体环境条件；
[0073]
其中，星载电子单机具体环境条件分为舱内和舱外，均包括：高低温度及持续时间、温度变化速率、寿命周期内循环次数等；
[0074]
例如，假定某星载电子单机在轨工作寿命要求为8年，共计约 69120小时，其设计工作温度范围是
‑
15℃～50℃，在有热控措施的情况下实际工作温度在30℃上下波动，为此以30℃为等效寿命折算的基准温度；
[0075]
根据上述结果，评估星载电子单机所有用到的材料和加工工艺的耐环境能力，将实际产品材料和工艺特性与研制要求进行对比，即综合关键影响指标和星载电子单机所面临的具体环境条件，分析星载电子单机的潜在设计和质量薄弱环节，得到星载电子单机的潜在失效模式；
[0076]
评估星载电子单机潜在失效模式的影响，确定影响寿命的关键部件材料及其敏感应力，即分析潜在失效模式的影响指标，确定影响星载电子单机寿命的关键影响指标；
[0077]
其中，星载电子单机潜在失效模式的影响，包括：表面形貌、功能以及性能参数变化的影响；
[0078]
并且，星载电子单机为不可维修产品，依据马尔科夫链理论模型，其工作寿命取决于最先失效部件的寿命；因此，星载电子单机的寿命取决于它的薄弱环节和主要失效机理。根据fmmea分析结果，选取危害度排序前10个元器件作为关键元器件，其对应机理即为主要失效机理，如表1所示。由此，可知该星载电子单机的敏感应力为温度和电应力。
[0079]
表1关键部件故障模式、机理及敏感应力
[0080][0081][0082]
进一步地，根据以下方法获取关键影响指标参数随环境变化的规律，以及星载电子单机在不同环境应力下的工作极限：
[0083]
对星载电子单机开展失效边界摸底试验；所述失效边界摸底试验包括：依次开展的低温摸底试验、高温摸底试验和快速温变摸底试验；
[0084]
其中，低温摸底试验是为了确定星载电子单机低温工作极限，以鉴定级低温为起点开始，以3～5℃的步进台阶逐步降低温度，每个步进台阶的保持时间为冷透时间，不少于30min，直至到某个温度t1下产品功能或性能参数不满足合格性判据的判定要求或特定约束条件，所述某个温度t1即为低温工作极限；
[0085]
如图2所示，低温摸底试验以0℃为温度起点，以3～5℃的步降台阶逐步降低温度，直至达到
‑
55℃的温度终点；其中，每个步进台阶的保持时间为星载电子单机冷透时间(不少于10min，如可以是2小时) 直至到某个温度t1下星载电子单机功能或性能参数不满足合
格性判据的判定要求，所述某个温度t1即为星载电子单机低温工作极限。
[0086]
其中，高温摸底试验是为了确定星载电子单机高温工作极限，以鉴定级高温为起点开始，以3～5℃的步进台阶逐步增大温度，每个步进台阶的保持时间为热透时间，不少于30min，直至到某个温度t2下产品功能或性能参数不满足合格性判据的判定要求或特定约束条件，所述某个温度t2即为高温工作极限；
[0087]
如图3所示，高温摸底试验以50℃为温度起点，以3～5℃的步进台阶逐步增大温度，直至达到100℃的温度终点；每个步进台阶的保持时间为星载电子单机热透时间(不少于10min，如可以是2小时)，直至到某个温度t2下星载电子单机功能或性能参数不满足合格性判据的判定要求，所述某个温度t2即为星载电子单机高温工作极限。
[0088]
其中，快速温变摸底试验的高低温值由低温摸底试验和高温摸底试验确定；
[0089]
如图4所述，分别取星载电子单机低温工作极限和星载电子单机高温工作极限的80％，温变速率为20℃/min、30℃/min、40℃/min，高温段和低温段各保温1小时，每个温变速率下循环3～5次，以此确定星载电子单机耐快速温变的工作极限。
[0090]
若任一项失效边界摸底试验中的样本失效，则选取新样本或对可修复样本修复，继续开展下一项试验，直至完成所有失效边界摸底试验；
[0091]
基于每项试验，获取星载电子单机的相应的低温、高温、快速温变的工作极限，以及关键影响指标参数受上述环境影响的变化规律。
[0092]
进一步地，根据以下方法获取星载电子单机的加速试验剖面环境：
[0093]
根据星载电子单机潜在失效模式和关键部件材料以及获得的不同环境应力的工作极限，采取高温步进应力施加方式制定星载电子单机加速试验剖面，即试验样品在同一温度环境条件下工作一定时间，之后提高到另一温度条件下，以此进行不少于4个步进台阶。电子整机无法采用电应力加速，往往在允许范围内进行电压拉偏循环。
[0094]
如图5所示，采取高温步进应力加速试验方式，起始温度为70℃ (鉴定级试验最高温度65℃)，之后分别为80℃、90℃、100℃。具体试验条件及时间的设计在后面温度应力加速模型中详细描述。
[0095]
优选地，选取加速试验的高温温度；所述高温温度大于设定的鉴定级试验最高温度，且小于星载电子单机的元器件和材料的最高工作温度以及星载电子单机的高温工作极限；此处，例如，四个温度台阶为70℃、80℃、90℃、100℃；
[0096]
设定温度步进台阶的变化速率，且所述变化速率小于星载电子单机的快速温变的工作极限；此处，温变率超过20℃/min为温度冲击影响，与温度循环应力的加速机理不一致，本例限定温度步进台阶的变化速率不高于20℃/min。
[0097]
通过温度步进递增的方式开展加速试验，步进台阶为5～10℃，每个温度台阶下时间不少于300小时，以此进行n个温度步进试验(n ≥4)，直至出现至少一个产品失效或者到达试验截止时间；并且，在本例中，从70℃温度开始，之后依次进行80℃、90℃、100℃的试验，直至达到截止条件。
[0098]
对电应力在设定工作范围下做拉偏循环；此处，标称电压下工作总时间为50％，上下限电压工作时间占比分别为25％；在本例中每隔 6小时进行一次测试，每次测试先进行两次上电启动操作。
[0099]
基于上述的高温步进应力和电应力拉偏循环方式开展加速寿命试验，制定高温步
进+电应力循环的加速试验剖面环境。
[0100]
在本实施例中，基于加速试验剖面环境，对星载电子单机做循环加速寿命试验；所述循环加速寿命试验出现至少一个产品失效或者到达试验截止时间，则停止试验；
[0101]
进一步地，根据以下方法判定产品失效：
[0102]
通过分析关键影响指标，确定产品失效判据；所述产品失效判据包括：性能失效判据、功能性判据或者二者结合作为失效判据；
[0103]
在试验过程中，对星载电子单机的各指标与产品失效判据做对比；
[0104]
若出现至少一个指标与产品失效判据一致，则判定产品失效，反之，则继续试验。
[0105]
优选地，满足以下任意一条，即可判定产品失效：1、不能正常启动；2、输出电压低于100v；3、输出电压稳定度大于0.5％；4、输出电流稳定度大于5％。
[0106]
进一步地，根据以下方法获得试验截止时间：
[0107]
采用arrhenius模型作为寿命折算的加速模型，以ea＝0.6ev计算加速试验剖面环境下的各加速因子，根据产品寿命指标要求除以各温度台阶下总的加速因子，得到每个温度台阶下的试验时间，总的试验时间作为试验截止时间。
[0108]
对于功率元器件、集成电路、变压器、环氧胶、涂覆层等热老化是星载电子单机的主要失效模式，受高温应力影响；
[0109]
优选地，根据以下公式计算高温环境对星载电子单机的寿命影响程度：
[0110]
ea＝0.6ev；
[0111][0112]
根据以下公式计算温度加速因子af
温度
为：
[0113][0114]
其中，t
寿命
表示寿命，t
max
表示高温水平，a为常数，t
正常
表示正常条件下的温度，t
加速
表示加速条件下的温度，k表示玻尔兹曼常数， k＝8.6171
×
10
‑5，ea表示失效激活能，t
加速
表示加速条件下的温度；
[0115]
所述星载电子单机的各预估加速因子为af1、af2、...、af
n
；
[0116]
设定各温度台阶下的时间相同，根据以下公式计算试验截止时间：
[0117][0118]
以产品正常工作温度t正常为基准，根据如上模型以ea＝0.6ev计算加速试验剖面环境下的各加速因子，例如af
70℃
＝14.6、af
80℃
＝25.9、每个温度台阶下的时间相同，最终使总等效时间不低于产品寿命t寿命要求，则最长截止时间为即预计最长试验时间不超过1730.1h，但实际试验时间
还需要根据产品失效数据而定。
[0119]
在本实施例中，获取星载电子单机试验样品在加速寿命试验过程中的性能参数随时间和应力变化的试验数据，并建立星载电子单机序进等效模型：
[0120]
星载电子单机性能退化的关键是内部核心器件的物理和化学变化引起的，当这种变化积累到一定程度时即发生失效，退化经历的时间即产品的寿命。在加速寿命试验中，性能退化与温度的关系可以用 arrhenius模型来描述；与电应力(电压、电流等)的关系可以用逆幂率模型描述。根据这两种模型，在同时考虑温度、电压、电流三种应力情况下，
[0121]
具体地，根据以下公式建立星载电子单机序进等效模型：
[0122][0123]
其中，a，m，n为常数，dm/dt为产品特征参数随时间的变化率， j为电流密度，v为电压，t为绝对温度。
[0124]
进一步地，对上式两边同时除以特征参数初始值m0，可得微分模型为
[0125][0126]
假设对产品施加按一定速率β上升的温度应力时，则t时刻温度为
[0127]
t＝t0+βt+
△
t；
[0128]
其中，t0为初始温度，δt为产品功耗导致的自升温；
[0129]
对t＝t0+βt+
△
t进行微分，可得：
[0130]
dt＝βdt或dt＝dt/β；
[0131]
则微分模型转化为
[0132][0133]
从而将参数随时间的变化率转换为随温度的变化率，j和v保持为常数；
[0134]
对上式两边进行积分，可得
[0135][0136]
一般情况下，ea/kt＞＞1，所以上式转化为
[0137][0138]
在具体的试验过程中，加速温度的变化范围通常会大于100k，所以由此，上式的积分结果可以简化为
[0139][0140]
上式两边同取对数，得
[0141][0142]
其中，
[0143]
从上式可以看出，通过描述与1/t的对应关系拟合出一条直线，通过计算该直线的斜率可求得产品的失效激活能ea。如图6 所示，本例中以输出电压作为退化敏感特征参数，即输出电压退化超出阈值则认为失效，对3台产品进行了试验，通过序进等效模型分别求得失效激活能为0.92ev、1.00ev、0.82ev，则平均激活能为0.92ev。
[0144]
在本实施例中，基于星载电子单机序进等效模型，评估产品寿命指标：
[0145]
具体地，根据以下公式评估产品寿命指标：
[0146][0147]
其中，θ
l
为最优置信下限，t
#j
各试验产品的等效寿命，j为试验样品个数，1
‑
α为置信水平，α表示显著性水平，n表示样品总数量。
[0148]
例如，将上述计算得到的平均激活能0.92ev带入加速模型中，计算得到各温度应力条件下的实际加速因子，再将各产品的加速试验时间折算成等效寿命。如表2所示，试验过程中有两个产品先后失效，失效时间分别为846h和971h，另一件产品试验到1200h时测试仍未失效，此时试验截止。
[0149]
表2各温度下的加速因子及等效寿命时间
[0150][0151]
在规定置信度条件下对产品寿命进行评估，试验中共有两个产品先后失效，失效数为r＝2，则平均寿命θ在置信水平0.9下的置信下限为
[0152][0153]
由上评估就结果可见，该产品平均寿命在置信水平0.9下的置信下限为15.1年，完全满足8年的使用寿命要求。
[0154]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于) 具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。