激光电源：加速寿命测试

激光电源：加速寿命测试

抽象

激光器需要运行 10,000 到 20,000 小时，相当于以 6 kHz 的频率发射 100 亿次脉冲，任何团队都无法等待这么长时间才得到结果。本文给出了阿伦尼乌斯和幂律加速因子、综合因子 1,265、威布尔拟合、45 个样本的演示、截尾数据规则以及决定维护周期的 B10 寿命。

1. 引言

用于医疗和半导体行业的准分子激光器寿命为 10,000 至 20,000 小时，相当于以 6 kHz 的频率发射 100 亿至 200 亿次脉冲。单个组件的故障会导致设备停止运行。此类设备的停机成本为每小时 10,000 至 50,000 美元。

现场寿命无法在有效时间内直接测量。加速寿命试验通过提高温度、电压和电流来加速失效，然后利用失效物理模型将结果还原到实际使用条件下。

三个条件使得外推法有效。首先，测试必须开启与现场相同的机制。其次，加速度因子必须来自经过验证的模型。最后，样本数量必须足以支持可靠性声明。

本文涵盖了阿伦尼乌斯模型和幂律模型、威布尔拟合、样本计数计算、测试方案、该方法本身的四个现场问题以及由此结果得出的服务间隔。

2. 核心机制

2.1 温度加速

阿伦尼乌斯关系式将故障率与结温联系起来：

AF_T = exp[(Ea / k) × (1 / T_use − 1 / T_stress)]

其中 AF_T 为温度加速因子，Ea 为活化能（单位：eV），k 为玻尔兹曼常数（单位：8.617e−5 eV/K），T_use 为使用温度，T_stress 为应力温度（单位：开尔文）。

对于 Ea = 0.7 eV、T_use = 358 K 和 T_stress = 473 K 的陶瓷电容器，指数计算结果为 8124 × 0.000679，即 5.52，因此 AF_T = 250。那么，200 °C 下 1 小时相当于 85 °C 下 250 小时，500 小时的测试相当于 125,000 小时。

2.2 电压加速

反幂律将故障率与施加的电压联系起来：

AF_V = (V_stress / V_use)^n

其中 AF_V 为电压加速因子，V_stress 为应力电压，V_use 为使用电压，n 为电压指数，对于陶瓷电容器，n 的取值范围为 3 到 5。

当 n = 4，V_use = 30 kV，V_stress = 45 kV 时，AF_V = 1.5^4，即 5.06。这两个模型在同一测试中结合使用：

AF_total = AF_T × AF_V

其中，AF_total 为综合系数，AF_T 为温度系数，AF_V 为电压系数。乘积为 250 × 5.06，即 1,265。在 200 °C 和 45 kV 条件下进行 500 小时的测试，相当于在 85 °C 和 30 kV 条件下进行 632,500 小时的测试，约合 72 年。

2.3 威布尔拟合

累积失效概率遵循威布尔关系：

F(t) = 1 − exp[−(t / η)^β]

其中 F(t) 为累积失效概率，t 为时间，η 为 63.2% 的人口失效时的特征寿命，β 为形状参数。

形状参数β区分了不同的机制。β小于1表示早期失效是由制造缺陷造成的，β接近1表示随机事件，β大于1表示老化。加速试验下的陶瓷电容器的β值介于1.5和3.0之间，这表明存在老化现象。

被剔除的数据必须保留在拟合模型中。最大似然拟合使用失效部件的失效时间和存活部件的运行时间，因此，即使测试在 1,000 小时结束，仍然包含所有未失效单元的信息。

2.4 样本计数

为证明置信水平达到一定程度的可靠性，所需的计数如下：

n = ln(1 − C) / ln(R)

其中 n 为样本数，C 为置信水平，R 为可靠性，均以分数表示。

对于 R = 0.95 和 C = 0.90，n = ln(0.10) / ln(0.95)，即 45。十个零故障的样本在 90% 的置信度下仅表现出 89.1% 的可靠性，这与 95% 的说法相差甚远。

2.5 测试计划和现场寿命

一个四级方案涵盖了应力范围，并为回归提供了拟合对象：150 °C，30 kV，持续 1,000 小时；175 °C，37.5 kV，持续 500 小时；200 °C，45 kV，持续 250 小时；225 °C，52.5 kV，持续 125 小时，每个级别有 10 个样本。

Weibull回归分析将特征寿命与两种压力联系起来：

ln(η) = a + b / T + c × ln(V)

其中，η 为特征寿命，a、b 和 c 为回归系数，T 为温度，V 为电压。拟合模型预测了 85 °C 和 30 kV 条件下的现场寿命。

服务间隔源自 B10 点，即 10% 的人口出现故障的时间点：

B10 = η × (−ln(0.90))^(1 / β)

其中，B10 为 10% 失效时间，η 为特征寿命，β 为形状参数。当 η = 50,000 小时且 β = 2.0 时，B10 = 50,000 × 0.325，即 16,250 小时。为保持一定的裕量，建议在 15,000 小时时进行更换。

图 1 — 150 °C 至 225 °C 的四个应力水平压缩了现场寿命：在 225 °C 和 52.5 kV 下 125 小时等于在 85 °C 下 688,000 小时。

3. 工程痛点

痛点一：错误的模式会带来一种永远不会到来的生活

如果主要机制是电压驱动，而拟合仅使用温度，则预测值会偏高。此时，现场设备的实际失效时间远早于报告中的数值。

团队将责任归咎于供应商，而退回零件的横截面图显示了模型中从未描述过的结构。请先确定该结构，然后再选择相应的模型。

痛点二：十个样本并不能证明什么。

一项对10台设备进行的测试显示，在90%的置信度下，零故障率表明可靠性为89.1%。报告标题为“零故障”，但其背后的可靠性数据比95%的目标低了6个百分点。

5% 的现场故障率会导致保修成本。解决方法很简单：同样的演示需要 45 个单元，前期成本是原来的 4.5 倍，但后续的返工成本要低得多。在高节点数量的情况下，请使用 N4700 零件数量因此涵盖了机构本身，而不是零散的零件。

痛点三：人工处理审查数据

大多数加速试验结束时，部分部件仍然完好无损。丢弃这些部件，或者将它们计为失效部件，都会使形状参数产生偏差，从而改变预测寿命。

两个实验室基于相同的数据得出了不同的寿命值。通过最大似然拟合，保留计算中的每个单位，可以消除这种差异。

痛点 4：多种机制同时运作

热疲劳、介电性能退化和电晕放电可能同时发生。此时失效时间会分散，单一的威布尔分布曲线难以拟合，因为总体可分为两组。

团队得出结论，这些部件不可靠。竞争风险或混合拟合将各组分开，每组都有自己的加速模型。在脉冲节点上，电阻器和二极管各自具有不同的机制，因此拟合…… HVRGHP 和 快速恢复二极管 因为一个群体同时掩盖了这两种情况。

4. 设计步骤

策略一：在建立模型之前先确定机制

进行横截面场效应和加速失效分析，并在扫描电镜 (SEM) 和能谱仪 (EDX) 分析下读取失效位置。选择与分析结果相符的模型：热机制采用阿伦尼乌斯模型，电压机制采用反幂律模型，热循环采用科芬-曼森模型。确认加速失效部分与场效应部分的失效位置相同。

策略二：确定样本量以支持该主张

使用公式 n = ln(1 − C) / ln(R) 来确定测试样本量。若要达到 95% 的信度和 90% 的置信水平，则需要 45 个单元。如果样本量不足，则先测试 22 个单元，如果均合格，则再测试 23 个单元，并以置信区间而非点值来报告信度。

策略 3：采用 Weibull 回归进行拟合

运行 3 或 4 个应力水平，并将 ln(η) = a + b / T + c × ln(V) 拟合到整个数据集。单个应力水平无法将温度项与电压项区分开来。报告拟合系数及其置信区间，并检查残差是否存在趋势，该趋势可能表明模型忽略了第三个应力水平。

策略 4：在测试运行期间测量参数

测试期间，每隔 24 小时读取一次电容、损耗因数、等效串联电阻 (ESR) 和绝缘电阻。漂移率的变化标志着失效的开始，远早于元件开路，并且漂移曲线比单独的失效时间包含更多信息。利用漂移率来估算剩余使用寿命。

策略 5：将模型与实际收益进行比对

收集在役设备的故障时间、故障模式和运行工况数据。如果现场故障发生时间早于预测时间，则重新校准系数。贝叶斯更新结合了测试先验和现场数据，缩小了关键寿命区间。

策略 6：根据 B10 设置保养间隔

在 B10 点安排更换，该点表示 10% 的部件已失效。已知 η = 50,000 小时，β = 2.0，则 B10 = 16,250 小时，因此更换间隔为 15,000 小时。将其与指示灯对齐。 门把手电容 因此，一次服务中断即可覆盖两者。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 具有加速寿命试验数据的HVC组件

该节点的选择基于四个要求：能够开启现场机制的测试、经过验证的加速模型、足以支持声明的样本数量，以及与收益相匹配的预测寿命。HVC 运行在东莞一家占地 6,000 平方米的自有工厂的专用可靠性实验室中进行，电压范围从 1 kV 到 150 kV。

这里需要考虑的六个参数

• N4700 电容器在 200°C 和 1.5 倍额定电压下对 45 个样品进行了 1,000 小时的测试，结果表明，在 90% 的置信度下，其可靠性为 95%，使用寿命为 100,000 小时。
• 通过失效分析验证了模型。扫描电镜 (SEM)、能谱分析 (EDX) 和横截面分析确定 N4700 部件的阿伦尼乌斯活化能为 0.7 eV，电压指数为 4。
• 在 150 °C 和 30 kV、175 °C 和 37.5 kV、200 °C 和 45 kV、以及 225 °C 和 52.5 kV 四个应力水平下，采用 Weibull 回归进行拟合，并以 95% 置信区间报告。
• 测试期间每 24 小时测量一次电容、损耗因子、ESR 和绝缘电阻，因此漂移曲线可以与故障时间一起支持剩余寿命估计。
• 来自光刻光源平台的现场数据证实了预测的 B10 值为 16,250 小时。1 kV 至 150 kV 的覆盖范围适用于脉冲网络、钳位电路和旁边的分压器。 村田-兼容的螺钉类型范围。
• 零件随附寿命预测报告和服务计划，因此策略 6 的更换周期来自对所发货的确切零件编号的测量数据。

交付和支持

标准部件的交货期为 4-8 周，定制部件的交货期为 6-10 周。HVC 应用工程支持测试设计、加速模型验证、威布尔分析和服务间隔计划。

请提供工作温度、轨电压、可靠性目标值和置信水平。HVC 将在五个工作日内回复测试计划和寿命预测表。

6. 常见问题

Q1：200°C 测试的加速因子有多大？

AF_T = exp[(Ea / k) × (1 / T_use − 1 / T_stress)]。当 Ea = 0.7 eV，使用温度为 358 K，应力温度为 473 K 时，该系数为 250。在 30 kV 轨道上施加 45 kV 的电压应力，则 AF_V = 1.5^4，即 5.06，因此综合系数为 1,265，500 小时等于 632,500 小时。

Q2：要实现零故障率，我需要多少个样品？

使用公式 n = ln(1 − C) / ln(R)。在 90% 置信度下，95% 的可靠性需要 45 个单元。10 个单元零故障，可靠性仅为 89.1%，比要求的低 6 个百分点。如果其中一个单元在运行过程中发生故障，则需要 77 个单元。

Q3：为什么形状参数如此重要？

因为它指明了机制。β 值小于 1 表示早期失效，β 值接近 1 表示随机事件，β 值大于 1 表示损耗。加速测试下的陶瓷电容器的 β 值介于 1.5 和 3.0 之间，这表明电容器已发生损耗，因此需要进行更换周期测试，而不是筛选步骤。

Q4：如何处理通过测试的单元？

保留它们。最大似然拟合使用失效单元的失效时间和幸存单元的运行时间，因此，即使测试在 1,000 小时结束，仍然包含来自每个幸存单元的信息。丢弃它们或将它们计为失效单元会使形状参数产生偏差，并改变预测寿命。

Q5：如果多个机制同时运行会怎样？

拟合混合模型或竞争风险模型，并为每个组赋予各自的加速项。用一条 Weibull 线拟合两个总体效果不佳，会夸大离散度，导致部分结果不可靠。 薄膜电容器 同一外壳内的陶瓷部件在潮湿和热疲劳同时作用时也会出现这种现象。

Q6：如何将适配寿命转换为保养周期？

使用 B10 点，B10 = η × (−ln(0.90))^(1 / β)。当 η = 50,000 小时且 β = 2.0 时，结果为 16,250 小时，因此该区间为 15,000 小时。将该区间与灯具服务周期对齐，以便一次停电即可覆盖两者，并每年根据现场数据验证预测结果。

7。 参考

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11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器技术资源https://www.hv-caps.com