加速寿命试验：原理、模型与分析方法

在产品研发与质量控制领域，如何高效评估产品的长期可靠性，始终是一个核心挑战。对于高可靠性、长寿命的产品而言，在正常使用条件下等待其自然失效以收集寿命数据，往往需要数年甚至更久，这在时间成本上是无法接受的。因此，加速寿命试验（Accelerated Lifetime Testing, ALT）应运而生，成为工程实践中缩短测试周期、快速获取产品寿命信息的常用手段。

加速寿命试验的基本逻辑，是通过施加比实际服役条件更严酷的应力，在合理的时间内诱发足够数量的样本失效。这里的“应力”是一个广义概念，泛指任何影响器件寿命的物理因素，例如机械应力、电压、电流、温度、湿度等。然而，这种“加速”过程也带来了两个必须审慎对待的核心问题：

1. 加速的量化关系：更高的应力究竟将产品退化过程加速了多少倍？应力大小与寿命缩短之间存在怎样的物理关联？
2. 失效模式的一致性：强加的应力是否会改变产品的失效模式？它会不会诱导出在正常工况下本不会出现的全新失效类型？

要确保加速寿命试验的有效性，一个根本性的前提是：在加速应力下观察到的失效，必须与在正常使用条件下预期的失效源于相同的物理失效机理。对此，一条重要的验证法则是：

• 若失效机理相同，其失效数据在威布尔（Weibull）概率图上会呈现出近似的形状参数 β，因此不同应力水平下的威布尔分布线应近似相互平行，仅仅是在寿命轴上有所平移——应力越高，寿命越短。
• 加速过程只影响器件的寿命参数 L（可用MTTF、特征寿命 η、B₁₀寿命等指标表征），而不改变其固有的失效分布特征。

图1 在较高应力下测得的威布尔线，可通过乘以一个加速因子 κ，转换为在正常使用应力下的威布尔线。前提是两种应力水平下的失效模式相同，即威布尔形状参数 β 保持不变。

分析流程与加速因子

加速效应通过一个称为“加速因子”（Acceleration Factor）的数值来量化，它表示施加更高应力后，产品寿命被缩短的倍数。

假设我们可以通过一个模型方程 L(S) 来计算失效时间 L，其中 S 代表应力水平。该方程描述了寿命对特定物理量的函数依赖关系。

现在，我们在两个不同的应力水平下测试器件，分别是加速应力 S<sub>acc</sub> 和正常使用应力 S<sub>use</sub>，且 S<sub>acc</sub> > S<sub>use</sub>。加速因子 κ 的定义如下：

κ = L(S_use) / L(S_acc)

基于此，执行一次典型的加速可靠性试验，其基本流程可概括为（如图1所示）：

1. 数据采集：在较高的加速应力 S<sub>acc</sub> 下进行试验，收集产品的失效数据。
2. 威布尔分析：对采集到的高应力失效数据进行威布尔分布拟合，得到其寿命特征。
3. 寿命外推：应用一个合适的、能描述该加速过程的物理模型，将高应力下的寿命数据换算为正常使用应力下的预期寿命。

加速模型：连接理论与实践的桥梁

加速模型的作用在于描述加速过程背后的物理机理，这也是决定整个加速试验成败的关键环节。在应用加速模型时，两个现实问题不容忽视：

• 物理模型的选择，通常需要基于对产品失效机理的先验知识。仅仅用模型方程去拟合已有的失效数据，而不考虑其物理背景，是不可靠的。
• 物理模型中往往包含一些关键参数（例如下文将提到的活化能），这些参数需要通过文献查阅或预备试验来估算。只有在少数情况下，才能直接从失效数据中计算出来。

要准确评估产品寿命，选择恰当的物理模型并获取精确的参数至关重要。这往往需要深厚的材料科学、物理化学以及统计学知识。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测产品可靠性测试与寿命评估，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

下表1列举并讨论了几种常见的加速模型，以揭示其基本原理。此处我们重点关注阿伦尼乌斯（Arrhenius）模型、反幂律（IPL）模型和科芬-曼森（Coffin-Manson）模型。

表1 常用加速模型及其应用

前沿加速技术：从“预测寿命”到“暴露弱点”

近年来，一些与上述传统方案有所区别的加速方法开始兴起，其中高加速寿命试验（HALT）和高加速应力筛选（HASS）尤为引人注目。这些方法的目标不再是精确预测器件的寿命，而是在产品开发的早期阶段（例如原型机阶段）快速发现其设计和制造过程中的薄弱环节。

步进应力试验 (Step Stress Profile Testing) 在步进应力试验中，测试样本首先在某个应力水平下暴露预设时间，然后将应力提升至更高水平并再持续一段时间。此过程不断重复，应力水平逐级递增，直到所有样本失效或达到预设的最高应力水平和时间。这种方法能更迅速地激发失效以供分析。然而，其缺点在于很难对加速过程进行精确建模，因此难以定量预测产品在正常使用条件下的寿命。

高加速寿命试验 (HALT - Highly Accelerated Lifetime Testing) HALT 是一种在研发阶段进行的测试，可视为一种增强版的步进应力试验。它通常用于识别设计缺陷、发现制造工艺问题，并提升产品的设计强度裕度。

高加速应力筛选 (HASS - Highly Accelerated Stress Screening) HASS 是一种加速环境应力筛选。它让产品经受其可能遇到的最严酷的环境应力，但持续时间通常非常有限。HASS旨在将产品推向其技术的“基本极限”（fundamental limits of the technology）。这个极限被定义为这样一个应力水平：应力的微小增加会导致失效率的急剧上升。例如，塑料的软化点就是一个典型的技术基本极限。