电子产品可靠性与环境试验
可靠性强化试验应力剖面的研究
陈循，朱文献，陶俊勇
（国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙４１００７３）
摘 要：分别对可靠性强化试验中的温度循环、随机振动以及温度振动综合试验剖面中的应力类型的选
择、各种应力量级的确定、施加的先后顺序等进行了研究。并阐述了温度振动综合试验应力剖面的合成及优
化原则。
关键词：可靠性强化试验；应力剖面；温度循环；随机振动；温振综合
中图分类号：ＴＢ ２４ 文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｐｒｏｆｉｌｅ ｉｎ ＲＥＴ
ＣＨＥＮ Ｘｕｎ，ＺＨＵ Ｗｅｎ—ｘｉａｎ，ＴＡ０ Ｊｕｎ—ｙｏｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｚａｔｉｏｎ，ＮＵＤＴ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅｒｍａｌ—ｃｙｃｌｅ，ｒａｎｄｏｍ—ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ＆
ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ａｒｅ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓｅｓ，ｔｈｅ
ｄｅｆｉｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ａｎｄ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｔｒｅｓｓｅｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ＆ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｆｉｌｅ ｉｓ ａｄｄｒｅｓｓｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＥＴ；ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｆｉｌｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｃｙｃｌｅ；ｒａｎｄｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍａｌ＆ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉ－
ｔｉｎｎ
１温度循环应力剖面研究
温度试验是可靠性强化试验中的主要内容之
因此需要对温度循环试验应力剖面的相关技术
进行研究。这主要包括：温度循环剖面中的高低温
度极限值的确定、温度变化率的大小、在最高和最
低温度极值处的保温时间、温度循环的次数以及这
些参数所影响的试验费用和试验效果等。
１．１最高和最低温度值的确定
可靠性强化试验中所用的应力都是加速应力，
但不能超过设备的极限应力，以不使设备性能下降
或寿命降低为基准。 温度循环中的温度极值决定了试验强度。温度
范围（高低温之差）表明了产品在每一个循环中经
受的热应力／应变。可通过选择最佳温度极值，使
缺陷发展为故障析出所需的循环次数最少。因此，
温度极值影响着试验费用。
选择温度极值的关键是给硬件施加适当应力以
析出缺陷而又不损坏好的产品。应考虑产品贮存温
度（高和低）极值（如在印制电路组件中器材的贮
存温度极值）和电子元器件的最高工作温度极限。
通常情况下，温度循环的上、下限以不超过产品破
坏极限的８Ｏ％为佳。
收稿日期：２００２—１０—１７
作者简介：陈循（１９６４一）男，湖南湘潭人，国防科技大学机电工程与自动化学院教授，博士生导师，主要从事机电工程、可 靠性工程、机电系统状态监测与故障诊断的教学与研究工作。
稻 第１期 陈循等：可靠性强化试验应力剖面的研究
１．２温度变化率确定准则
温度变化率以复杂的方式影响试验强度，也影
响试验的持续时间，从而影响试验费用。
强化试验中的温度变化率不小于ｌ５ ｏＣ／ｍｉｎ。
这一速率是指试验箱内温度变化的平均速度，由于
受试产品本身的热惯性，其实际的温度变化率会远
远低于ｌ５ ｏＣ／ｍｉｎ，具体取决于产品本身的热惯
性，产品在箱内的安装、风速和试验箱的能力等。
在试验中，应该根据实际情况来设定温度变化率的
大小，以达到激发产品缺陷、缩短试验时间、节约
试验费用的目的。但是最大不应超过６０ ｏＣ／ｍｉｎ，
这是由试验箱的试验能力而决定的。
１．３上下限温度的持续时间的确定原则
受试产品在温度箱中的停留时间包括元器件
（零部件）的温度逐渐稳定所需要的时间和在温度
极值下的浸泡时间。
当受试产品中响应最慢部分的温度与最终温度
之差在规定值之内时，就认为实现了稳定；当受试
产品中响应最慢部分的温度变化率小于某一规定的
最小值时，就认为实现了稳定。但是这一准则持续
时间太长，费用较大，因此一般不用。
浸泡时间用于两个目的，一是保证钎料发生蠕
变，二是完成功能测试，找出一般环境温度下不会
显示出的故障。钎料松弛所需时间一般为５ ｍｉｎ左
右，功能测试的时间取决于测试的参数量，因此浸
泡时间不能小于５ ｍｉｎ；如果需要进行功能测试，
浸泡时间可延长至测试完成。通常情况下，试件在
高低温处的保持时间以１０ ｍｉｎ为宜。
１．４温度循环次数的选择准则
温度循环次数影响试验的有效性和持续时间，
从而影响试验费用。
在可靠性强化试验中，无论产品的复杂程度
和施加应力的大小，以及产品的循环次数有无固
定的限制，都应以激发出产品的潜在缺陷为准。
在试验中需要采用较大的温度变化率，这样采用
较少的循环次数就可以导致产品出现早期失效和
故障。有时为了节约试验费用，每次试验的循环
周期一般不应超过６次。如果试件在５ ６个循环
之内还没有出现故障，则应该增大温度变化率，
重新开始试验。 １．５试验结束点的确定
试验结束点的选择必须考虑到试验过程中对预
期故障的激发效率和能否进行改进等方面的问题。
试验中，对故障进行纠正所花费的费用超过纠正后
能够带来的效益时，就可以停止试验。总体来说，
应该考虑到以下这几个方面的问题：
１）具体的应用环境；
２）产品的设计余量；
３）以前同类产品中的相关设计缺陷；
４）其它的一些因素，主要包括安全性、试验
费用、产品的质量要求以及其它一些市场经济因
素。
经济效益
试验费用
图１ 强化试验中的费用效益比例示意图
图１所示的是可靠性强化试验中的经济效益与
试验费用之间的比例关系。当试验达到一定的阶段
时，继续花费高额的试验费用所带来的经济效益将
不再有显著的增长，因此，此时就需要停止试验，
所得到的产品就是可靠性水平高、工作性能稳定、
质量过硬的成熟产品。
２随机振动应力剖面研究
在产品的工作和运输环境中振动应力无处不
在，因此随机振动试验也是可靠性试验中重要的内
容。随机振动试验应力的基本参数有频率范围、加
速度功率密度（ＰＳＤ）、振动时间、振动轴向
（数）等。在试验过程中，应该根据整个试验的效
率和周期费用问题来选择振动的应力参数。
由于产品中缺陷的析出取决于缺陷处振动响应
量值，振动试验的有效性是由受试产品对振动的响
应决定的，而不是由振动输入决定。同一振动输
入，不同结构的产品的响应是不同的。因此可以说 电子产品可靠性与环境试验 ２００３焦
不存在一个通用的最佳振动试验，但要找到对多数
产品来说是较好的振动试验条件。具体如下文所
述。
２．１各类振动应力的比较
有关资料研究证明…：在某个固定频率上的单
轴振动应力只能够激发出在振动方向上的该频率附
近的振动模态；正弦扫频振动可以持续激发出与振
动方向一致的所有振动模态；单轴随机振动激励可
以同步地激发出振动方向上的所有模态；而三轴六
自由度的随机振动激励可以同步地激发出带宽范围
内的所有方向上的振动模式。如果没有将所有方向
上的所有振动模态被激励出来，那么人们就不能发
现某些潜在的缺陷。各种应力的比较情况如图２所
示［引。
另外，全轴随机振动应力在某些产品可靠性试
验中的激发效率比温度循环应力的激发效率要高很
多，因此，全轴随机振动应力是可靠性强化振动试
验中激励应力的理想选择。
预期故障 激发率，％
２０ 振动时间△ｔ／ｍｉｎ
图２ 各种振动应力试验效率的比较 随机 随机 正弦
正弦
２．２振动谱和量值
考虑随机振动应力的谱和量值时，重要的是要
规定其激励特性。一个能够充分激发出产品潜在缺
陷的振动谱的信号应该是宽带的，频率范围至少为
５０—２ ０００ Ｈｚ左右，以保证在所有时间内在连续频
率上都施加振动且达到适当的量值。在强化试验
中，所采用的激励应力为三轴六自由度宽带伪随机
４８ 振动激励信号，频率范围为２０—５ ０００ Ｈｚ。
２．３应力步长的确定
在试验过程中对试件施加逐渐增强的步进应
力，直到得到产品的工作极限和破坏极限为止。
在步进应力试验中，如何选择比较合理的应力
步长是可靠性强化试验中的一个关键问题。试验应
力步长的选用可依据表１中推荐的数值进行。但
是，由于其它一些原因的存在，各种应力步长的选
择可以根据试验中的具体情况而单独确定。
表１步进试验中的各应力步长的推荐值
应力类型 应力步长
全轴随机振动
温度
温度变化率
电压
功率循环
功率频率
湿度
其它相关应力 ２一ｌ０ ＧＲＭＳ
１０ ｏＣ
使用试验箱的最大温变率值
预计值的２Ｏ％
在每个电压值循环２０次
预计值的２０％
１０％
预计值的２Ｏ％
２．４振动持续时间
关于振动试验应该持续多长时间，相关的研究
资料是很少的。典型的试验时间是进行１０ ｍｉｎ，
而且一些试验是在断电、不工作状态下进行的。在
这些条件下，不可能确定缺陷何时已经发展成为故
障。以往的传统可靠性试验得出：只要正确确定振
动试验方案，１０ ｍｉｎ（每个轴向）就足以析出大多
数的缺陷。
３温度振动综合应力剖面的研究
虽然单独的温度循环应力和全轴随机振动对故
障的激发效率都很高，但是摩托罗拉等公司的具体
试验案例证明［３１，如果将大温变率的温度循环和全
轴随机振动综合作用，激发出来的故障模式将比它
们单独作用时所激发出来的故障模式多好几倍。有
关试验数据表明【２ 它们单独作用时所激发出的故障
缺陷仅仅是全轴振动和大温变率的温度循环联合作 ∞ ∞ ∞
加