關(guān)于HALT和HASS試驗及其試驗設(shè)備溫度控制的探討

羅鵬程

（重慶四達試驗設(shè)備有限公司，重慶 404100）

1 高加速環(huán)境試驗的需求

當今市場經(jīng)濟的競爭越來越激烈，企業(yè)作為產(chǎn)品的制造者，總是想以最快的速度向市場提供性能完善、使用方便、可靠性高、使用壽命長的產(chǎn)品，為達到這些目標，除了產(chǎn)品設(shè)計時要充分考慮市場對產(chǎn)品的需求外，還要通過試驗來了解產(chǎn)品的可靠性和對產(chǎn)品預期壽命進行評估。

采用什么試驗方法對產(chǎn)品可靠性和預期壽命進行評估，越來越受到企業(yè)的關(guān)注。通常情況下，主要考慮評估產(chǎn)品的運輸儲存和使用環(huán)境條件對產(chǎn)品的影響。進行這類評估一般采用GB/T 2423 和GJB 150 規(guī)定的環(huán)境試驗方法，這些也是常規(guī)的環(huán)境試驗方法，應(yīng)用非常普遍。

隨著上述常規(guī)環(huán)境試驗在產(chǎn)品質(zhì)量控制中的開展，產(chǎn)品的性能和可靠性獲得了很大的提高。但是，隨著產(chǎn)品開發(fā)周期越來越短，這種傳統(tǒng)的試驗方法已經(jīng)很難滿足對產(chǎn)品的可靠性和壽命進行快速評估的要求了，于是人們開發(fā)出了高加速環(huán)境試驗方法。所謂高加速環(huán)境試驗是指對產(chǎn)品施加比傳統(tǒng)環(huán)境試驗更加嚴酷的試驗條件，以在一定的試驗時間內(nèi)獲取更多的產(chǎn)品相關(guān)信息。這種試驗施加的應(yīng)力可以是溫度、振動、壓力和濕度及其它應(yīng)力，應(yīng)力的組合也是應(yīng)力施加的重要方式，高溫變率的溫度循環(huán)和寬帶隨機振動是公認最有效的激發(fā)應(yīng)力形式。

2 兩種高加速環(huán)境試驗

目前,在電子行業(yè)有兩種高加速環(huán)境試驗獲得了廣泛應(yīng)用,即高加速壽命試驗和高加速應(yīng)力篩選試驗,英文縮寫分別為“HALT”和“HASS”。

HALT試驗是一種新型環(huán)境試驗，它通過設(shè)置逐級遞增的加嚴環(huán)境應(yīng)力，來加速暴露試驗樣品的缺陷和薄弱點，然后針對暴露的缺陷和故障從設(shè)計、工藝和材料等方面進行分析和改進，從而達到提升可靠性的目的，其最大特點是設(shè)置高于樣品設(shè)計的工作限值的環(huán)境應(yīng)力，從而使暴露故障的時間大大短于正?？煽啃詰?yīng)力條件下所需的時間。

HASS試驗應(yīng)用于生產(chǎn)周期內(nèi)，是一種高效的篩選工藝過程，它使用較高的組合應(yīng)力，通常為溫度和振動，施加在批量制造的產(chǎn)品上進行篩選，從而快速剔除制造過程中引入缺陷的產(chǎn)品。HASS試驗的應(yīng)力值的選取需要根據(jù)HALT試驗得到的特征數(shù)據(jù)確定，通過HALT試驗得出產(chǎn)品的工作和破壞極限值后，HASS試驗的應(yīng)力值一般選取在上述兩個極限值之間。

可見HALT試驗和HASS試驗這兩者既有聯(lián)系又有區(qū)別。兩種試驗在方法上相似，試驗時的環(huán)境條件比產(chǎn)品正常使用的環(huán)境條件嚴酷得多，也就是說試驗時施加更大的環(huán)境應(yīng)力，這一點是相同的；而HALT試驗可以說是HASS試驗的基礎(chǔ)，如上所述，HASS試驗的應(yīng)力值需要根據(jù)HALT試驗得到的特征數(shù)據(jù)來確定。但兩種試驗的目的不同，高加速壽命試驗是通過試驗獲取產(chǎn)品的大量信息，通過對這些信息的統(tǒng)計分析，估計出產(chǎn)品的預期壽命，同時尋找產(chǎn)品失效的原因并改進設(shè)計。因此主要適用于產(chǎn)品的設(shè)計階段，通過試驗改進設(shè)計提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命，這一試驗方法越來越受到可靠性研究和試驗人員的廣泛關(guān)注。高加速應(yīng)力篩選試驗則主要是通過對產(chǎn)品施加更大的應(yīng)力以盡快暴露出產(chǎn)品的缺陷，篩選出不合格的產(chǎn)品，它實際是一種工藝方法，從本質(zhì)上講它并不能提高產(chǎn)品的可靠性。

3 HALT和HASS試驗設(shè)備溫度控制的設(shè)計考慮

從產(chǎn)品失效的統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對產(chǎn)品施加溫度應(yīng)力比對產(chǎn)品施加機械應(yīng)力暴露出的缺陷和失效更多，這并不意味施加機械應(yīng)力不重要，可能是產(chǎn)品對施加溫度應(yīng)力較為敏感所致，所以，要對產(chǎn)品可靠性和壽命進行客觀的評估，應(yīng)該對產(chǎn)品施加綜合的應(yīng)力才比較穩(wěn)妥。然而，由于獲得溫度應(yīng)力的試驗設(shè)備較為便利，試驗相對容易，試驗人員易操作，因此較多的公司首選快速溫度變化試驗進行單應(yīng)力（溫度）的HALL或HASS試驗。

開展HALT試驗或HASS試驗離不開滿足要求的試驗設(shè)備。目前，國內(nèi)環(huán)境試驗設(shè)備制造廠商大多能制造滿足應(yīng)力篩選ESS試驗要求的試驗設(shè)備，但尚未有公開報道國內(nèi)廠家能生產(chǎn)滿足HALT 試驗或HASS 試驗要求的試驗設(shè)備。原因是HALT 試驗或HASS 試驗對設(shè)備能力要求很高，單就溫度應(yīng)力試驗而言，要求有非常大的溫度變化速率，一般要求溫度變化速率應(yīng)大于40℃/min，同時溫度變化的范圍在不對試驗樣品造成損害的情況下越寬越好。

筆者所在公司曾經(jīng)生產(chǎn)了一批溫度范圍在零度以上的滿足HALT 和HASS 試驗的試驗箱，其溫度變化速率能超過60℃/min，但是由于沒有零度以下的溫度段，溫度變化的范圍還不夠?qū)?，不能滿足多數(shù)試驗需求。目前公司在著手開展溫度變化范圍延伸至-100℃以下的設(shè)備研制工作。結(jié)合當今的技術(shù)狀況和我們的研制經(jīng)驗，我們認為，HALT和HASS試驗設(shè)備的設(shè)計需要考慮以下幾方面：

1)獲得零下100℃的溫度通常使用的方法有壓縮機三極復疊制冷，壓縮空氣通過膨脹制冷及液氮（LN2）制冷，其中，壓縮機復疊制冷由于降溫速率滿足不了HALT 和HASS 試驗要求，一般不宜采用。

2)壓縮空氣膨脹制冷可獲得很低的溫度，在空氣分離系統(tǒng)中通過空氣的液化分離出各種不同的氣體時就可獲得極低的溫度。但系統(tǒng)要求建立空壓站，要有空氣凈化，空氣干燥等裝置，投資較大，對設(shè)備管理要求較高，制冷效率不高是其缺點。有空壓站的用戶采用此法是一種可選的方案。筆者曾用該法在一個專用設(shè)備中獲得過70℃/min的降溫速率。

3)目前滿足HALT試驗 和HASS 試驗要求的國外品牌試驗箱普遍采用液氮降溫。液氮制冷可獲得-190℃左右的低溫，而且制冷系統(tǒng)的構(gòu)成較為簡單，液氮也容易獲得，它是空氣制氮過程中的附產(chǎn)物，費用主要體現(xiàn)在包裝和運輸費，當大量使用時價格約2～3 元/升。另外使用液氮還有一個好處，在快速升降溫過程中試驗箱內(nèi)部氣壓會發(fā)生變化，當采用壓縮機降溫時，隨著溫度的降低，箱內(nèi)氣壓下降，這時試驗箱進排氣自動平衡結(jié)打開，外部空氣進入箱內(nèi)，而外部空氣中含有水分，當快速升溫時試驗樣品升溫總是滯后于箱內(nèi)空氣變化，試驗樣品溫度常常會低于箱內(nèi)空氣的露點溫度，這時試驗樣品的表面會出現(xiàn)凝露和結(jié)霜，有可能造成試驗樣品失效，為防止這一現(xiàn)象出現(xiàn)，通常的方法是在升溫過程中，向箱內(nèi)充入干燥的氮氣來降低空氣的露點，防止試驗樣品表面凝露結(jié)霜。而采用液氮降溫的試驗設(shè)備，由于箱內(nèi)充入的液氮氣化后就是干燥氮氣，通過自動壓力平衡口排出箱外，因此沒有壓縮機制冷時箱內(nèi)出現(xiàn)對空氣的呼吸效應(yīng)引入濕空氣的情況，不會出現(xiàn)產(chǎn)品表面凝露和結(jié)霜。另外，采用液氮制冷可獲得很大的降溫速率，我們曾用液氮制冷的方法在對材料深冷處理的箱內(nèi)實現(xiàn)了60℃/min 的降溫速率。

4)目前，在設(shè)計HALT 和HASS 試驗箱時，一般采用電加熱升溫，液氮降溫的方式，在設(shè)計細節(jié)上還應(yīng)有如下考慮：首先是如何防止升降溫過程中溫度的超調(diào)，特別是升溫時過度的超調(diào)可能會造成試驗樣品損壞，除了在控制軟件上下功夫外，還應(yīng)在硬件上考慮必要的保護措施防止過度超調(diào)帶來的危害。另外在制冷過程中要使液氮充分氣化以防止液態(tài)氮滴到試驗樣品表面形成局部應(yīng)力集中，通常采取適當選取噴入的液氮壓力、采用合適的噴嘴結(jié)構(gòu)和設(shè)計合理的進入箱體的管路等方法進行解決。同時還要考慮液氮輸入量的調(diào)節(jié)，通常的方法是采用液氮泵，電磁閥和氣動比例閥，在選擇控制元件時要注意極低溫度下可能出現(xiàn)運動部件冷焊，造成控制失靈的問題。管道輸送過程中不可避免與環(huán)境中空氣進行熱交換，使管中部分液氮氣化，從而影響液氮的正常調(diào)節(jié)，因此管道一般要采用必要的保溫措施或使用真空絕緣管，同時應(yīng)在系統(tǒng)中安裝安全閥防止液氮氣化造成壓力升高。從環(huán)保和使用安全的角度考慮，由液氮氣化制冷后氮氣排空可能造成使用環(huán)境中氮氣和氧氣比例失調(diào)，造成氧氣分量減少，形成對使用人員的傷害，所以，除了設(shè)計必要的排放管路外，還應(yīng)在設(shè)備上安裝氧氣濃度測量和報警裝置。

4 建議

為推廣HALT和HASS試驗在國內(nèi)的應(yīng)用,需要產(chǎn)品制造企業(yè)、實驗室、設(shè)備制造商多方共同努力，鑒于我國HATL和HASS試驗處于剛起步階段，試驗標準多是借鑒國外標準，試驗設(shè)備也需進口，價格昂貴，從使用成本考慮，建議一些國際化程度不高的企業(yè)先開展單一溫度加速應(yīng)力篩選試驗及相關(guān)設(shè)備的研制，待技術(shù)成熟后，再開展多應(yīng)力綜合試驗設(shè)備的開發(fā)。

[1] 陳國幫，黃永華，包銳合著.低溫流體熱物理性質(zhì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2] 朱建華，鐘浩.如何確定高加速壽命試驗的應(yīng)力極限[J].環(huán)境技術(shù)2012(1)：5-9.