多媒體HALT試驗(yàn)及結(jié)果分析

余天剛,李志強(qiáng)

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定 071000）

概述

HALT（Highly Accelerated Life Testing）試驗(yàn)是通過(guò)施加溫度、振動(dòng)、電應(yīng)力等綜合應(yīng)力，能快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)極限，暴露產(chǎn)品在可靠性設(shè)計(jì)方面的薄弱環(huán)節(jié)，目前該試驗(yàn)方法在軍工、航空、航天領(lǐng)域運(yùn)用較為普遍，汽車等民品行業(yè)也逐漸認(rèn)可并使用，汽車行業(yè)中GM于2001年引入HALT試驗(yàn)，F(xiàn)ORD于2002年引入，BMW于2003年引入，我國(guó)于2012年發(fā)布了GB/T 29309-2012《電工電子產(chǎn)品加速應(yīng)力試驗(yàn)規(guī)程高加速壽命試驗(yàn)導(dǎo)則》，將HALT試驗(yàn)的方法及規(guī)程進(jìn)行明確。在GB/T 34986-2017/IEC 62506：2013《產(chǎn)品加速試驗(yàn)方法》中，將HALT與高壓蒸煮、熱沖擊及其他的定性加速試驗(yàn)作為同類試驗(yàn)，明確這類試驗(yàn)只能識(shí)別潛在的失效模式，意味著通過(guò)這類試驗(yàn)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中大部分的部件是健壯的，但是有個(gè)別部件或者設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與其他部件相比比較弱，找到這些部件或者設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)并改進(jìn)，這就是HALT的意義。

1 案例分析

1.1 HALT試驗(yàn)總體要求

選取某車型的多媒體系統(tǒng)依據(jù)GB/T 29309-2012《電工電子產(chǎn)品加速應(yīng)力試驗(yàn)規(guī)程高加速壽命試驗(yàn)導(dǎo)則》開展HALT試驗(yàn)，本試驗(yàn)選取美國(guó)Qualmark公司生產(chǎn)的typhoon2.5型HALT試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)項(xiàng)目包含低溫步進(jìn)試驗(yàn)、高溫步進(jìn)試驗(yàn)、高低溫循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)、綜合應(yīng)力試驗(yàn)，由于各項(xiàng)試驗(yàn)均對(duì)樣品具有破壞性，故選取10個(gè)樣品，分為5組，每項(xiàng)試驗(yàn)2個(gè)樣品，試驗(yàn)前測(cè)試樣品全部功能，各個(gè)項(xiàng)目在測(cè)試過(guò)程中持續(xù)通電13.5 V并檢測(cè)相關(guān)功能，試驗(yàn)中每階段的前25 min，選擇“收音機(jī)（FM/AM）、CD/DVD、USB播放、藍(lán)牙播放”中一種功能連續(xù)播放，持續(xù)觀察樣品工作狀態(tài)；每個(gè)階段的最后5 min測(cè)試所有需測(cè)試的功能，見表1，所有功能應(yīng)工作正常，一旦出現(xiàn)無(wú)法恢復(fù)性功能失效，立即停止試驗(yàn)并開展失效分析。

1.2 高溫步進(jìn)試驗(yàn)

高溫步階從+20 ℃開始，每個(gè)步階為+20 ℃，增至80 ℃后每個(gè)步階為5 ℃，每個(gè)步驟駐留時(shí)間30 min，在駐留時(shí)間的最后5 min內(nèi)完成功能測(cè)試并在功能測(cè)試后進(jìn)行3次上、下電操作，直至確定操作極限。

樣品安裝方式和位置見圖1所示，按上述試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)和功能測(cè)試，溫度步進(jìn)運(yùn)行曲線見圖2所示。

試驗(yàn)運(yùn)行至100 ℃后，導(dǎo)航反應(yīng)遲鈍，110 ℃后藍(lán)牙連接困難，120 ℃停止工作，恢復(fù)至95 ℃，異常消除，各樣品試驗(yàn)結(jié)果見下表2，通過(guò)查閱導(dǎo)航模塊芯片技術(shù)參數(shù)：90 ℃下可正常工作，故多媒體的高溫工作極限為95 ℃。

表1 功能要求

圖1 樣品安裝方式和位置

1.3 低溫步進(jìn)試驗(yàn)

低溫步階從-20 ℃開始，每個(gè)步階為5 ℃，每個(gè)步驟駐留時(shí)間30 min，在駐留時(shí)間的最后5 min內(nèi)完成功能測(cè)試并在功能測(cè)試后進(jìn)行3次上、下電操作，直至確定操作極限，溫度步進(jìn)運(yùn)行曲線見圖3所示。

試驗(yàn)運(yùn)行至-60 ℃后，藍(lán)牙無(wú)法識(shí)別，-100 ℃時(shí)出現(xiàn)無(wú)法啟動(dòng)，恢復(fù)-55 ℃，藍(lán)牙異常消除，恢復(fù)-50 ℃，功能全部正常，各樣品試驗(yàn)結(jié)果見下表3。故多媒體的低溫工作極限為-50 ℃。

1.4 溫度循環(huán)試驗(yàn)

從常溫20 ℃開始，溫度循環(huán)的高、低溫度極限設(shè)定為多媒體操作極限的85 %，即-47～81 ℃，溫變率60 ℃/min，每個(gè)高低溫溫度點(diǎn)駐留30 min，共計(jì)執(zhí)行5個(gè)循環(huán)。在每個(gè)駐留時(shí)間的最后5 min內(nèi)完成功能測(cè)試并在功能測(cè)試后進(jìn)行3次上、下電操作。溫度運(yùn)行曲線見圖4所示。

圖2 高溫步進(jìn)運(yùn)行曲線圖

表2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中兩個(gè)樣品均工作正常。

1.5 振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)

1.5.1 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

設(shè)定XY為水平面，X方向?yàn)檐囶^方向，樣品與水平面夾角為61.9 °，與YZ平面夾角為29.6 °，振動(dòng)步階從5 Grms開始，每個(gè)步階為5 Grms，每個(gè)步驟駐留時(shí)間30 min，在駐留時(shí)間的最后5 min內(nèi)完成功能測(cè)試并在功能測(cè)試后進(jìn)行3次上、下電操作，直至確定操作極限。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)樣品功能出現(xiàn)異常時(shí)，將振動(dòng)應(yīng)力恢復(fù)至上一應(yīng)力點(diǎn)，檢測(cè)其是否正常工作，一旦出現(xiàn)不可恢復(fù)失效，立即進(jìn)行失效分析。樣品安裝方式和位置見下圖5所示，振動(dòng)步進(jìn)運(yùn)行曲線見圖6所示。

試驗(yàn)運(yùn)行至60 Grms時(shí)多媒體停止工作，振動(dòng)停止后不可恢復(fù)，各樣品試驗(yàn)結(jié)果見下表4，故多媒體的振動(dòng)工作極限為55 Grms。

圖3 低溫步進(jìn)運(yùn)行曲線圖

表3 試驗(yàn)結(jié)果

1.5.2 失效分析

圖4 溫度循環(huán)運(yùn)行曲線圖

圖5 樣品安裝方式和位置

圖6 振動(dòng)步進(jìn)運(yùn)行曲線圖

對(duì)上述兩個(gè)失效無(wú)法恢復(fù)的樣品進(jìn)行失效分析，首先對(duì)樣品進(jìn)行外部目檢。經(jīng)觀察可見：兩只樣品外殼均未見開裂、螺絲脫落現(xiàn)象，晃動(dòng)樣品，可聽見元器件滾動(dòng)聲音。打開兩個(gè)樣品，看見A5樣品內(nèi)部有2只電感及3只電容已經(jīng)脫落，無(wú)其它異常形貌，A6樣品有1只電感和2只電容脫落，無(wú)其它異常形貌。脫落元器件信息表見表5。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

表5 脫落元器件信息表

為確認(rèn)A5、A6樣品元件脫落原因，對(duì)各脫落元件的引腳斷口進(jìn)行SEM形貌觀察分析，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)：A5樣品脫落元件斷口有不同程度的磨損，推測(cè)其原因可能是元件在斷口之后繼續(xù)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)造成，其典型圖片見圖7，分析引腳能譜，發(fā)現(xiàn)并無(wú)其它污染、腐蝕性元素，見圖8。

對(duì)A5樣品板上4#元件PCB位置引腳斷裂處進(jìn)行剖面制樣，進(jìn)行觀察可發(fā)現(xiàn)引腳與焊點(diǎn)已形成裂縫，同時(shí)對(duì)引腳與焊錫之間的IMC層進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)IMC層厚度正常（測(cè)量值分別為：1.1 um、1.74 um、2.33 um）見圖9，A5樣品PCB板4#位置電感引腳互聯(lián)處剖面SEM觀察到明顯開裂，斷裂處無(wú)明顯異常元素，電感開裂的位置在其最脆弱的結(jié)構(gòu)處IMC層，且焊點(diǎn)未見空洞、IMC層厚度不當(dāng)?shù)裙に嚠惓＃虼嗽撎幜验_表明已到材料能耐受的極限值。

圖7 A5樣品脫落3#電容引腳放大形貌

圖8 A5樣品脫落3#電容某區(qū)EDS譜圖

圖9 A5樣品PCB板4#位置電感引腳互聯(lián)處IMC形貌

觀察A6樣品PCB板上1#位置電容引腳斷口形貌，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂形貌，觀察3#電感位置焊點(diǎn)焊錫與引腳之間IMC形貌，發(fā)現(xiàn)IMC層厚度正常（測(cè)量值分別為：744.3 um、1.600 um、3.126 um），見圖10，A6樣品內(nèi)部斷口形貌呈現(xiàn)典型的脆性斷裂形貌特征。另外兩個(gè)樣品各脫落元器件主要為有一定尺寸和重量的元器件（事實(shí)上在實(shí)際應(yīng)用中，這類大小的器件很少見到有因其自身重量導(dǎo)致焊點(diǎn)在振動(dòng)條件下開裂的），且位置恰好位于PCB板的邊緣，這些位置在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)受到比其它位置更大的應(yīng)力，表明兩個(gè)樣品均是由于振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中過(guò)應(yīng)力導(dǎo)致元件引腳斷裂、脫落。

1.6 綜合應(yīng)力試驗(yàn)

1.6.1 綜合應(yīng)力試驗(yàn)1

先采取略高于樣品技術(shù)要求的試驗(yàn)條件，并結(jié)合前期步進(jìn)試驗(yàn)的結(jié)果，確定綜合試驗(yàn)條件，用于驗(yàn)證樣品能否滿足設(shè)計(jì)值。設(shè)定振動(dòng)強(qiáng)度為5 Grms，溫度循環(huán)為-50～90 ℃，每個(gè)高低溫溫度點(diǎn)駐留30 min，共計(jì)執(zhí)行5個(gè)循環(huán)。在每個(gè)駐留時(shí)間的最后5 min內(nèi)完成功能測(cè)試并在功能測(cè)試后進(jìn)行3次上、下電操作。試驗(yàn)運(yùn)行曲線見圖11所示。

圖10 A6樣品PCB板3#位置電感引腳互聯(lián)處IMC形貌

圖11 綜合應(yīng)力試驗(yàn)運(yùn)行曲線圖

試驗(yàn)過(guò)程中藍(lán)牙出現(xiàn)反應(yīng)慢、播放連接不穩(wěn)定問(wèn)題，試驗(yàn)停止恢復(fù)常溫后工作正常。詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見下表6，藍(lán)牙模塊可能為產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)。

1.6.2 綜合應(yīng)力試驗(yàn)2

采取接近樣品操作極限的試驗(yàn)條件，驗(yàn)證樣品能否承受該綜合條件，會(huì)出現(xiàn)何種故障現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)不可恢復(fù)失效，立即進(jìn)行失效分析。設(shè)定振動(dòng)強(qiáng)度為40 Grms，溫度循環(huán)為-50～90 ℃，每個(gè)高低溫溫度點(diǎn)駐留30 min，共計(jì)執(zhí)行5個(gè)循環(huán)。在每個(gè)駐留時(shí)間的最后5 min內(nèi)完成功能測(cè)試并在功能測(cè)試后進(jìn)行3次上、下電操作。試驗(yàn)運(yùn)行曲線見圖12所示。

試驗(yàn)過(guò)程各個(gè)循環(huán)均有功能異常，主要為導(dǎo)航反應(yīng)慢，F(xiàn)M反應(yīng)慢，無(wú)USB，屏幕閃爍、黑屏，USB聲音輸出正常，空調(diào)、FM、USB功能自動(dòng)切換，藍(lán)牙連接困難等，試驗(yàn)停止恢復(fù)常溫后工作恢復(fù)正常。

2 結(jié)論

表6 試驗(yàn)結(jié)果

圖12 綜合應(yīng)力試驗(yàn)運(yùn)行曲線圖

通過(guò)以上HALT試驗(yàn)及失效分析可以發(fā)現(xiàn)，多媒體在藍(lán)牙及導(dǎo)航功能出現(xiàn)異常較多，存在改善空間，查閱藍(lán)牙IC（件號(hào)，BC63B239A）、GPS IC（件號(hào)，UBXG6010）的規(guī)定工作溫度范圍為-40～85 ℃。當(dāng)試驗(yàn)條件超過(guò)其器件的工作溫度后，就可能引起晶振停振、器件不工作等現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)生失效。

本試驗(yàn)中樣品在高溫95 ℃，低溫-50 ℃內(nèi)將不會(huì)發(fā)生故障，振動(dòng)量級(jí)在55 Grms以下時(shí)，短時(shí)間內(nèi)將不會(huì)發(fā)生故障（裕量越大，所需時(shí)間越長(zhǎng)）。同時(shí)，樣品在溫度沖擊條件下未見異常，表明樣品及其內(nèi)部各處互聯(lián)界面連接較好，且因CTE匹配導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)較??；根據(jù)振動(dòng)應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果，樣品失效因機(jī)械應(yīng)力失效，失效機(jī)理與試驗(yàn)預(yù)期相符，其失效時(shí)的加速應(yīng)力量級(jí)要遠(yuǎn)大于產(chǎn)品的實(shí)際條件（2.7 g），應(yīng)力裕量空間較大，因此樣品的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際工作條件下抵抗振動(dòng)應(yīng)力的能力較強(qiáng)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度能滿足實(shí)際要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以車載多媒體HALT試驗(yàn)為例對(duì)整個(gè)HALT試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及失效分析過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，為發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中計(jì)細(xì)節(jié)的薄弱部分提供一種實(shí)例參考。針對(duì)HALT應(yīng)力應(yīng)該設(shè)置到什么程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)是不改變失效機(jī)理，即試驗(yàn)故障機(jī)理是能在市場(chǎng)上出現(xiàn)的，針對(duì)HALT試驗(yàn)中的故障，需要開展根因分析，一旦發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在設(shè)計(jì)上的薄弱點(diǎn)，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么在日常的使用環(huán)境下類似的故障還會(huì)出現(xiàn)，一定要考慮進(jìn)行性能提升。