高加速壽命試驗和高加速應力篩選試驗技術綜述

樊強

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

1 引言

傳統(tǒng)的環(huán)境試驗和可靠性試驗，均是基本模擬試驗的范疇，試驗應力的考慮都是盡量模擬真實環(huán)境，其環(huán)境應力與產品未來使用中遇到的應力相當，至多其技術條件中把實測環(huán)境應力適當地提高以確保產品耐環(huán)境能力有一個合適的余量。雖然如此，仍有許多順利通過設計階段鑒定試驗和生產階段驗收試驗的產品，殘留的潛在缺陷仍然很多，使可靠性差和返修頻繁，使得保證期費用和維修費用居高不下。另一方面，隨著產品可靠性的要求不斷提高，產品可靠性試驗所需要的時間越來越長。例如，MTBF要求400 h的產品進行可靠性增長試驗的時間一般應為其5～25倍，進行可靠性鑒定試驗若用常用的第17方案試驗時間應為其4.3倍也需要1720 h。時間加長不僅要延長研制周期而且使成本增加，最終使產品價格高，產品競爭力下降。

隨著科學技術的發(fā)展，現代電子設備的復雜程度越來越高，發(fā)展速度也很快，可靠性問題也越來越尖銳，傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗已經遠遠不能趕上現代電子設備發(fā)展的步伐。HALT&HASS試驗就是在克服環(huán)境模擬試驗周期長、試驗效率低、試驗耗費大等缺點的基礎上發(fā)展起來的一種新的可靠性試驗技術。

高加速壽命試驗（HALT：Highly Accelerated Life Test）和高加速應力篩選試驗（HASS：Highly accelerated Stress Screening） 技術在美國已經被廣泛地應用到電子產品的可靠性分析中，現已成為美國電子產品新品上市前的標準驗證方法。

2HALT和HASS概述

2.1 HALT和HASS的高加速原理

HALT&HASS是利用高機械應力和高溫變率來實現高加速的。一般來說，有缺陷部件和元器件之所以容易失效是由于缺陷部件的應力比無缺陷的要高。HALT是用來尋找產品設計和制造中存在的薄弱環(huán)節(jié)，而HASS是發(fā)現零部件和組裝中存在的缺陷并加以改進，其目的是要剔除有缺陷的部件或元器件，以提高產品的可靠性。

在許多類型的應力所引起的故障失效中，加速因子并不是和應力成等比例地增加，大部分情況下是成指數級增加的，即提高應力能加速產品失效，而產品最基本的失效模式是由溫度、溫度循環(huán)和振動等應力所引起的機械疲勞損傷，他們之間的關系如下：

式（1）中：D——累積的疲勞損傷；

n——應力循環(huán)次數；

σ——機械應力，即單位面積的作用力（由熱膨脹，靜載荷、振動或其它導致機械應力的作用所引起）；

β——疲勞試驗確定的材料常數，其變化范圍為 8～12。

S.A.Smithson在1990年環(huán)境科學學會年會上發(fā)表的論文給出了表1所示的不同溫變率下的篩選效果。從表1的數據可以看出，變溫率5℃/min下進行400個66 min/次的溫度循環(huán)與變溫率40℃/min進行1個8 min/次循環(huán)的效果是一樣的，而二者所花費的時間比高達4400:1。篩選應力越高，產品的疲勞和破壞就越快，但是有缺陷的高應力部位累積疲勞損傷應力比低應力部位要快得多，這樣就有可能是產品內有缺陷元器件與無缺陷元器件在相同的應力下拉開疲勞壽命的檔次，使缺陷迅速暴露的同時，無缺陷部位損傷很小。由此可見HALT&HASS試驗的高速、高效性。

表1

2.2 HALT試驗概述

HALT雖然涉及壽命兩個字，但其并不用于評估產品的壽命。其目的是為快速誘發(fā)出產品的故障，并確定糾正措施，提高產品的環(huán)境適應性和可靠性。同時擴大和確定產品耐環(huán)境能力的工作和破壞極限，增加產品適應環(huán)境能力的裕度。

HALT主要是通過增加被測件的極限值，進而增加其堅固性和可靠性。它利用階梯應力的方式加于產品，能夠在早期發(fā)現產品缺陷、操作設計邊際及結構強度極限。其加于產品的應力有高低溫（含溫度循環(huán)）、振動、電應力循環(huán)、電壓邊際及頻率邊際測試等。利用這些測試可以迅速地找出產品設計及制造的缺陷，改善設計缺陷，增加產品可靠性并縮短上市周期，同時還可以提供設計能力、產品可靠性的基礎數據以及日后的研發(fā)重要依據。

HALT是以連續(xù)的試驗、分析、驗證及改進來構成整個過程，關鍵在于及時分析試驗中所有故障的根本原因并實施有效的改進，主要應用于產品的研發(fā)階段。

2.3 HASS試驗概述

HASS應用于產品的生產階段，其目的在于確保所有在HALT中找到的改進措施都能夠得以實施，并確保所有在HALT中找到的改進措施都能得以實施，并確保不會由于生產工藝和元器件的改動而引入新的缺陷。

HASS是產品通過HALT試驗得出的操作或破壞極限值后在生產線上做高加速應力篩選。

3 HALT和HASS試驗的實施

HALT&HASS試驗的過程一般包括準備工作、試驗進行（含依次步進應力、故障定位和分析以及采取糾正措施、確定應力極限、剖面的設計、記錄故障等）。

3.1 HALT和HASS試驗的準備工作

任何可靠性試驗本身是不能提高產品可靠性水平的。為保證該試驗技術應用過程的有效性，通常從以下幾方面著手：

a）產品故障的根本原因分析

HALT試驗只有發(fā)現和確定了產品的薄弱環(huán)節(jié)，才能提高產品裕度。不同產品的根本原因分析是不相同的，這是高加速壽命試驗中最復雜的一個環(huán)節(jié)，試驗中所暴露的問題，不僅要確定其產生的原因還要分析在現場使用中是否會發(fā)生以及發(fā)生的頻率，并給出行之有效的糾正預防措施。

b） 產品的測試

HALT&HASS試驗在應力步進的每一個階梯上都要求進行測試。產品的自動測試不僅包括被測試產品及相關設備的信號檢測、采集以及控制，還包括所需夾具的設計、驗證和安裝等。

c） 試驗的層次性

在HALT試驗中只有按照由低到高的層次關系進行試驗，才能充分暴露產品中的缺陷，更準確地分析產生這些缺陷的根本原因，確定下一層次試驗的方案，達到最佳的試驗效果，從而使產品的可靠性從根本上得到保障。由于產品千差萬別，也就使其對不同環(huán)境應力激勵的敏感程度有所不同，只有確定合適的試驗應力才能保證HAST&HASS試驗的有效性。

d） 樣品的代表性

為了保證試驗的有效性，HALT試驗應當在產品的設計、工藝、元器件和材料都確定后進行，這樣才能充分發(fā)現設計的薄弱環(huán)節(jié)，更準確地分析產生這些缺陷的根本原因。

3.2 進行HALT&HASS試驗

HALT的4個主要試驗項目是溫度應力、高速溫度循環(huán)、隨機振動、溫度和振動綜合應力。HASS是產品通過HALT試驗得出操作或破壞極限值后所得出的試驗剖面在生產線上所做的高加速應力篩選。

3.2.1 HALT試驗

a） 溫度應力

HALT的溫度應力試驗所施加的應力是以遞增的形式而變化的，其試驗過程是通過施加不斷加大的應力來激發(fā)產品設計中潛伏的各種缺陷，直到產品的破壞極限。以高溫工作試驗+70℃（低溫試驗方法與之相同）為例，首先設定起始溫度為+30℃，保持10 min后進行測試，一切正常則溫度升高5℃；當溫度穩(wěn)定后持續(xù)10 min，之后至少測試一次功能測試，如果一切正常則將溫度繼續(xù)升高10℃；當溫度穩(wěn)定后維持10 min后測試，依此類推直至發(fā)生功能故障以判斷是否達到操作界限或破壞界限。

b） 高速溫度循環(huán)

HALT溫度循環(huán)試驗是將先前在溫度應力試驗中所得到的低溫和高溫的操作界限做為此處的高低溫界限，并可以以70℃/min的快速溫度變化率在此區(qū)間內進行高速溫度循環(huán)；在每個循環(huán)的高、低溫區(qū)都要停留10 min左右，并使溫度穩(wěn)定后再進行功能測試，以檢測被測試產品是否發(fā)生可恢復性故障；如果發(fā)現被測產品發(fā)生可恢復性故障，則將溫度變化率減少5℃/min再執(zhí)行溫度信號，直至無可恢復性故障發(fā)生，則此時的溫度變化率即為試驗的工作界限。這項工作的開展主要是快速溫度變化率，傳統(tǒng)的溫度沖擊箱的溫度變化率是不可控的，且達不到70℃/min的要求。

c） 隨機振動

傳統(tǒng)的隨機振動則是在三軸向以規(guī)定的加速度、時間進行，之后恢復到常態(tài)。HALT隨機振動試驗（該振動是6自由度即3個相互垂直的軸向以及轉動方向）是將振動的加速度自5 G開始，每次以2～5 G遞增，并保持10 min后在振動持續(xù)條件下進行功能測試，以判斷其是否達到可操作界限或破壞界限。

d）溫度與振動綜合應力試驗

這是將高速溫度循環(huán)及隨機振動兩項應力同時進行，使加速老化的效果更加顯著；該試驗使用先前的高速溫度循環(huán)溫度的上下限以及溫變率，并將隨機振動自5 G開始配合，每個循環(huán)遞增2～5 G，且使每個循環(huán)的最高及最低溫度持續(xù)10 min，待溫度穩(wěn)定后進行功能測試，如此重復直至達到可操作界限或破壞界限為止。

3.2.2 HASS試驗

HASS試驗包括3個主要過程，即HASS試驗的剖面設計、剖面驗證和剖面使用。

a） HASS試驗的剖面設計

HASS試驗的剖面設計是產品通過HALT試驗得出操作或破壞極限值后進行試驗剖面的確定，HALT也是HASS試驗的基礎數據。

b）HASS試驗的剖面的驗證

為確保HASS試驗能夠達到預期的效果，一般準備幾個（推薦3個，當然越多越好）試驗品，并在每個試驗品上制作一些未依據標準工藝制造或組裝的缺陷，應用所確定的HASS試驗條件來測試這幾個試驗品，以決定是否加嚴或放寬試驗條件。在完成有效的測試后，應當再更換新的試驗品，應用調整過的試驗條件測試數十次，如皆未發(fā)生因應力不當而被破壞的現象，即可判斷HASS試驗有效；反之，則應繼續(xù)調整試驗方案以獲得最佳的HASS試驗條件剖面。

c） HASS試驗剖面的使用

經過剖面驗證的HASS試驗通常被視為高速有效的質量篩選利器，能夠有效地對每個產品在生產制造過程中進行聯系測試與篩選，從而保證產品的質量與可靠性。但HASS試驗的剖面不是一成不變的，應根據顧客使用后所反饋的質量問題或者異?，F象作出適當的調整；另外當設計變更時，也應當及時修改試驗條件，或是重新開始HALT試驗。

4 對HALT&HASS試驗的幾點看法

a） HALT的產品層次

最好在最低等級到最高組裝等級的每一個組裝等級上進行HALT試驗，因為這樣可以讓改進設計的時間更加充裕，技術上改進設計也較為容易，費用也較少。在考慮是否對分組件進行HALT時，尚需考慮分組件是否有獨立功能和可測試性，如果不具備測試功能也無任何意義。進行分組件試驗的缺點是分組件之間的連接電纜和接頭沒有經受試驗，因此在對復雜產品的各分組件進行HALT后，尚需在其最高組裝等級上進行最終的HALT。

b）HALT期間的功能測試

HALT通過施加步進應力可以將產品內部的缺陷誘發(fā)成故障，更為關鍵的是能夠發(fā)現和確定這些故障的位置和性質，以采取改進措施。因此，在施加應力的同時，必須對受試產品進行功能檢查和性能測試。在進行HALT時，應有完整的故障診斷設備。如果受試產品經受應力時沒有對其功能和性能進行檢測，就會丟失那些在特殊應力或各種應力綜合時才能顯示的“軟故障”方面的信息。這些故障實際上是確定產品工作極限的基本信息，如果不加以排除便會成為產品在使用現場難以發(fā)現的故障源，影響產品的使用效果和可靠性。

重要的是應當在HALT以前，明確規(guī)定在HALT中要監(jiān)視什么，檢測什么參數以及確定故障識別準則，這樣才能確保HALT的成功。

c） 選擇不同的應力

不同的產品有不同的工作極限和損壞極限，因此，對所有的產品不存在統(tǒng)一的HALT&HASS試驗應力。不同的產品其篩選的應力類型也是不一樣的，應根據產品各自的特點，選擇產品最敏感的應力進行篩選。

d）振動系統(tǒng)和夾具

振動系統(tǒng)利用氣體作為動力，有多個氣錘往復快速錘擊一塊放在試驗箱箱底的金屬板，產生6自由度振動激勵。該系統(tǒng)有很寬的加速度和頻率范圍。在2000 Hz以上又有很高的譜密度。這一系統(tǒng)能對產品所有的組件、分組件、元部件和元器件的引線接點及管腳的共振頻率進行有效的激勵。HALT最有效的往復式機械沖擊振動臺的頻率范圍是2～10000 Hz。往復式機械振動沖擊系統(tǒng)雖然有簡單、易控的優(yōu)點，但也有很多局限性，例如：隨機振動譜型是固定的（偽隨機），難以根據要求對譜型進行設置和調整；200 Hz以下低頻振動激勵常常不夠充分；臺面上各軸向之間的強迫作用譜均勻性變化很大，且只在一個軸向呈現優(yōu)勢。

HALT振動夾具的設計不考慮模擬的實際安裝情況，只要求使能量最大限度地輸送到產品以加速故障析出，因而常使用廉價的夾具把產品用螺桿、螺母等牢靠地固定在振動臺上。

e） 氣流安排

在HALT試驗箱內，由于一般機械制冷系統(tǒng)達不到要求，因而大多使用液氮制冷，液氮從試驗箱內的多個軟管直接噴向產品。應按HALT的目的安排和分配空氣流。一般使用柔性空氣導管，使空氣流過產品部件，以實現最大的溫度變化速率，并確保產品所有的部件都能經受最大的溫度極值，導管設計時不考慮產品使用期間的正常氣流。如有必要甚至可以在產品的外殼上切出小孔以允許有足夠的空氣流過元器件。

f）傳感器的安裝

為了有助于故障分析和確保應力有效地耦合到受試產品上，應在受試產品的適當部位安裝溫度和振動傳感器。熱電偶應安裝在產品的關鍵部位，加速度計可以安裝在電路板或分組件上，以監(jiān)視能量向產品傳輸以及產品對施加應力的響應情況。需要注意的是，施加熱應力時，產品上應盡量避免安裝加速度計，因為加速度計暴露在熱應力中會縮短其壽命。

g）采用高加速應力篩選技術

通過高加速壽命試驗的產品投入批生產后，不能用常規(guī)的應力篩選來析出制造過程引入的缺陷，而必須采用高加速應力篩選（HASS）技術。HASS也是生產工藝的組成部分。

h）應力施加的順序

HALT的過程是從施加破壞性最小的應力開始，逐步加大到最能產生破壞的應力，這樣有助于節(jié)省成本。一般首先施加低溫應力，即從室溫環(huán)境溫度開始施加低溫應力完成后，用類似的方法進行高溫步進應力試驗，然后再進行快速溫度變化步進應力試驗。試驗時溫度應按照試驗箱允許的速度快速變化，同時連續(xù)對產品進行功能測試，溫度變化率上升和下降的起始點是指不反復出現早期故障的速率，這一速率要通過步進方法確定，它一般應在產品工作范圍規(guī)定的應力范圍之內。完成熱應力后再進行振動應力步進試驗。

5 結束語

由于HALT&HASS這種設計思想要求在產品開發(fā)階段投入更多的資金，進行高加速壽命試驗來幫助改進設計，使其成為環(huán)境適應性盡可能高的產品。然而這種設計思路與我國目前軍用裝備的成品設計思路有較大的差距。我國目前的武器裝備研制體制、計劃、經費渠道以及質量的認識，尚不能適應這種設計原則，但在民用工業(yè)中可以進行嘗試，以提供產品的競爭能力，延長應用期限。同時在一些大批量的軍品產品中，由單位內部可先嘗試部分產品先進行HALT試驗進行設計、規(guī)范工藝等來提高產品的可靠性。一般說來，通過HALT的產品對于通過傳統(tǒng)的可靠性試驗是很容易的。希望這項技術能早日在相關行業(yè)中推廣開來，為提高我國機械、電子等產品的可靠性作出貢獻。

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