朱建山，花一秋，黄琴

（苏州长风航空电子有限公司，江苏 苏州 215151）

可靠性强化试验在显示器上的应用

朱建山，花一秋，黄琴

（苏州长风航空电子有限公司，江苏 苏州 215151）

首先，对诱发显示器故障模式的主要环境因素进行了分析，确定了影响显示器的可靠性的敏感环境应力；其次，以某型显示器为研究对象，通过设计试验剖面，制定了相应的可靠性强化试验方案，并进行了实际应用；然后，在试验实施的过程中成功地将产品的缺陷激发为了可被检测的故障，有效地发现了产品设计的薄弱环节；最后，通过分析其故障模式和失效机理，提出了有效的改进措施，提高了产品的健壮性和可靠性。

可靠性强化试验；故障模式；薄弱环节；显示器

0 引言

随着产品的复杂性的增加，遵循满足 “产品特定使用环境要求”进行的产品设计已经不能有效地保证产品在实际使用环境下可靠地工作。自20世纪90年代以来，按照 “最大环境应力条件”来进行产品设计的新观念开始出现，按产品承受的正常工作应力进行的 “传统的可靠性试验”既费钱又费时，而且很难发现一些潜伏地较深的故障。针对新的转变和 “传统的可靠性试验”的不足，客观上需要采用新的可靠性试验方法[1]。

可靠性强化试验是近年来迅速发展起来的一项可靠性试验技术，其理论依据是故障物理学。与以往的环境模拟可靠性试验截然不同，可靠性强化试验把故障或失效作为研究对象，通过采用人为施加步进环境应力的方法，加速激发产品潜在的缺陷来达到可靠性水平提升的目的。可靠性强化试验具有周期短、费用低和暴露问题多等优点[2]。

1 可靠性强化试验

1.1 目的

可靠性强化试验是一种采用加速应力的可靠性研制试验，其目的是使产品设计得更为“健壮”[3]。基本方法是通过施加步进应力来不断地加速激发产品的潜在缺陷，并进行改进和验证，使产品的可靠性不断地提高，并使产品的耐环境能力达到最高，直到现有的材料、工艺、技术和费用支撑能力无法作进一步的改进为止。

1.2 技术特点

可靠性强化试验具有如下技术特点：

a）可靠性强化试验是一种激发试验，不要求模拟应力的真实性，而是强调应力的激发效应，从而实现研制阶段产品可靠性的快速增长。

b）可靠性强化试验是一种加速试验，其采用的是步进应力方法，施加的应力是变化的，而且是递增的，应力可以超出规范极限甚至可以到达破坏的极限。

c）可靠性强化试验是一种研制试验，而不是一种统计试验，其主要目的是查明和排除设计中的薄弱环节，适用于产品的研制阶段。

d）为了保证试验的有效性，可靠性强化试验应尽量地在能够代表设计、元器件、材料和生产中所使用的制造工艺都基本落实的样件上尽早地进行，以便修改设计。

1.3 试验流程

为了实现上述试验目标，更好地激发产品潜在的缺陷，提高可靠性强化试验效率，根据可靠性强化试验的特点，采用的应用流程如图1所示。

图1 可靠性强化试验的应用流程

对产品开展故障模式、影响和危害性分析，确定产品的故障模式和敏感应力，依据分析结果制定可靠性强化试验大纲和设计试验方案，尽早地发现产品潜在的设计、工艺缺陷，暴露薄弱环节，摸清产品各种应力极限和性能参数的变化趋势，明确产品的工作和破坏裕度，通过采取纠正措施来提高附件的健壮性和可靠性，降低产品使用过程中发生故障的概率。通过试验、分析和改进的过程，使产品在研制初期达到较高的可靠性水平，并初步验证产品的可靠性设计，为其后续的可靠性工作提供信息和依据。

2 某型显示器

2.1 产品组成

某型显示器是一个高分辨率、高亮度的、与夜视成像系统兼容的彩色有源矩阵液晶显示器，能够分别和综合显示与控制分系统、任务管理分系统配套，为飞行员提供系统输入的视频显示信息，实现规定的通讯、控制功能。两个分系统的显示器相互兼容，可以实现完全互换。显示器的电子模块主要由视频处理、接口控制、电源处理和液晶显示等模块组成。

2.2 敏感应力分析

在制定可靠性强化试验方案前，需要对试验对象进行环境因素和敏感应力的分析，找出影响产品的可靠性的主要因素和对产品的可靠性影响较大的敏感应力，并以此为依据制定相应的可靠性强化试验方案。

某型显示器主要由电子模块组成，电子模块中含有大量的电子组件、部件和元器件，由于稳定应力在揭示有缺陷的元器件方面起着主要的作用，例如：振动在揭示产品的结构设计、工艺和组装缺陷方面起着主要作用；高温、低温、高低温循环和振动环境应力能够诱发显示器不同的故障。因此，该产品的可靠性强化试验以温度、振动作为主要的应力条件来激发其潜在的缺陷，可以覆盖主要的潜在故障模式[4]。

2.2.1高温效应

高温会改变产品所用电子元器件的物理性能或尺寸，因而会暂时或永久性地降低产品的性能。该显示器的工作温度范围为-40～60℃，当显示器工作在高温环境下时，其内部的电子模块会产生过热现象，从而导致电子模块上的部分元器件的性能退化，而随着温度的持续增加，最终会导致产品出现故障。数据显示，在高温环境下，随着温度的升高，产品的故障率呈指数式的增长。

高温激发的主要故障模式有：电子电路的稳定性会因材料的膨胀系数的不同而变差、材料出现裂纹或开裂和集成电路的性能因其芯片过热而下降。

2.2.2低温效应

当显示器工作在低温环境下时，其受到的影响与高温时的相反，其内部分子运动减弱，流动性变差，内应力会造成结构件的强度降低，从而发生冷脆现象。

低温激发的主要故障模式有：材料发硬变脆、电子元器件的性能下降、强度降低、发生开裂及碎裂和焊盘脱落。

2.2.3温度循环效应

当显示器工作在温度循环的环境下时，产品因受到循环应力的作用而热胀冷缩，其内部会产生热应力和应变。加之产品内部各个模块相邻材料的热膨胀系数不一致，更加剧了产品的热应力和应变。加剧的热应力和应变集中作用在缺陷处，并随着循环次数的增加，使缺陷最终暴露出来而形成故障。温度循环是激发焊点和印制板电镀通孔产生故障的重要手段。在温度循环过程中，温度变化范围与循环次数表现为负相关，也就是随着温度变化范围的加大，产品所受到的热应力和应变会相应地变大，产品内部的潜在缺陷暴露成故障所需要的循环次数也就会相应地减少。

温度循环激发的主要故障模式有：电路板开路或短路、器件相邻部分的热膨胀系数不同所导致的热疲劳、材料或导线接头上的各种细微裂纹扩大、元件装配不当、器件不同部分焊接或粘贴不牢、安装不当的螺钉松脱和质量差的焊点开裂，以及密封失效。

2.2.4振动效应

当对机载显示器施加随机振动时，由于产品受到的振动应力的频率不惟一，因而产品内部不同的元器件会出现同时共振，此时，安装不当的元器件更加容易受到外力作用而损坏。振动应力能够有效地激发对相对运动或反复的结构变形敏感的缺陷，例如：导线接头和电路板上的细微裂纹。

总的来说，振动激发出的主要故障模式有：电路板开路、短路；部件之间由于焊接不牢而断开；元件装配不当；在产品装配时由于夹持方式不合理而导致的器件管脚划伤；导线接头产生疲劳；导线磨损、夹断、松脱；螺钉松脱；元器件管脚断裂；焊点虚焊和焊接不良；布线连接不当等。

3 某显示器的可靠性强化试验方案

由于振动对显示器的损伤程度大于温度对其的影响，为了充分地利用有限的试验样品，节约费用，应先施加对产品的损伤程度较小的环境应力。本次可靠性强化试验的试验流程包括低温步进应力试验、高温步进应力试验、快速温度变化试验、振动步进试验和综合环境应力试验5个阶段[5]，各个步骤之间的相互关系如图2所示。

图2 试验方案

在检验合格的产品中抽取1台显示器按可靠性强化试验大纲进行试验，试验项目的先后次序为：低温步进应力试验、高温步进应力试验、快速温度变化试验、振动步进应力试验和综合环境应力试验，试验过程中出现了1次故障。

3.1 故障现象

高温步进至温度t时，显示器出现画面逐渐黑掉的故障现象，如图3所示；按试验大纲要求恢复到初始温度时，产品恢复正常，由此可以推断，产品的工作极限为t。

图3 显示器高温步进故障图

振动步进试验中振动量级在V g时，产品的显示画面随试验的进行出现局部拉线故障，显示画面下半部分无法显示，如图4所示。停止振动后，产品无法恢复正常工作。由于设定的振动步进试验的步长为2 g，因此，初步确定显示器振动的工作极限为 （V-2）g，破坏极限为V g。

图4 显示器振动步进试验故障图

3.2 原因分析

高温步进试验故障的原因为：在该高温条件下，由于液晶模块背光发热问题，液晶屏自身的温度已经达到了液晶的清亮点。液晶盒的液晶材料达到清亮点后会转变为各向同性的液态，此时液晶的电致偏转特性被破坏，失去炫光效应从而无法正常地显示画面。

振动步进试验故障的原因为：液晶显示模块内部信号线松动及损坏，导致视频信号无法正常地显示。

3.3 解决措施及验证情况

对于高温步进试验中出现的故障，受限于液晶屏液晶的自身工作特性，目前已达到设计极限，无改进措施。

对于振动步进试验中出现的问题，经检查确认均为液晶显示器模块内部视频信号接触故障，因此，通过采取对液晶显示模块视频信号线缆部分进行加固的措施而解决了该故障，并对改进措施进行了试验验证，结果表明纠正措施是有效、可行的。

4 结束语

在某显示器的可靠性强化试验中，通过对受试样品施加步进的环境应力，促使其设计和制造缺陷迅速地暴露，短时间内暴露了产品的故障模式，并分析了其失效机理，确定了产品的工作极限和破坏极限。

如果按照传统的试验方法，至少需要几个月甚至产品交付后的数年时间才可以发现产品的薄弱环节，而采用可靠性强化试验的方法只需要短短几天就可以达到相同的效果，极大地提高了试验效率[5]。可靠性强化试验技术突破了环境模拟试验技术的思路，将加速试验机制引入到了可靠性试验中，其作为一种新型的试验技术，具有效率高、成本低的特点，可以从根本上提高显示器的固有可靠性，并且能够快速地获得显示器的早期高可靠性，从而大大地缩短了显示器的研制与生产时间。因此，开展可靠性强化试验技术及其应用的研究与工程实践，对于加强显示器研制与生产过程的质量与可靠性控制具有十分重要的现实意义。

[1]温熙森，陈循，张春华.可靠性强化试验理论与应用[M].北京：科学出版社，2007：6-9.

[2]姚军，曹心宽，姜同敏.可靠性强化试验定量评估方法[J].北京航空航天大学学报，2006，32（1）：117-120.

[3]龚庆祥.型号可靠性工程手册 [M].北京：国防工业出版社，2007：392-399.

[4]范志锋，齐杏林，雷彬.可靠性强化试验及其在引信中的应用 [J].探测与控制学报，2008，30（6）：8-11.

[5]马杰.可靠性强化试验技术及方法研究 [D].北京：北京航空航天大学，2003：20-24.

The Application of Reliability Enhancement Test in Display

ZHU Jianshan，HUA Yiqiu，HUANG Qin
（Suzhou Changfeng Avionics Co.，Ltd.，Suzhou 215151，China）

Firstly，the main environmental factors inducing the failure mode of the display are analyzed，and the sensitive environmental stresses affecting the reliability of the display are determined.Next，taking a display as the research object，the corresponding reliability enhancement test scheme is made by designing test profile，and the practical application is worked out.And then，during the implementation of the test， the defects of the product are successfully stimulated to the faults which can be detected，and the weak link of product design are found effectively.Finally，by analyzing the failure mode and failure mechanism of the product，some effective improvement measures are put forward，and the robustness and reliability of the product are improved.

reliability enhancement test；failure mode；week link；display

TB 114.39；TB 24

：A

：1672-5468（2017）01-0018-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.01.004

2016-07-25

2016-08-02

朱建山 （1985-），男，河南开封人，苏州长风航空电子有限公司工程师，硕士研究生，主要从事质量与可靠性方面的工作。