高加速寿命试验与高加速应力筛选试验技术

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高加速寿命试验 HALT, highly accelerated life test 和高加速应力筛选HASS, highly accelerated stress screen 是近年来不断发展起来的可靠性新技术，为考核产品质量和可靠性、快速暴露产品的设计和制造缺陷，提高其可靠性提供了强有力的工具。

一、 HALT/HASS技术的特点

1.1 基本原理

传统的可靠性试验的原理就是模拟现场工作条件和环境条件，将各种工作模式以及各种应力按照一定的时间比例、一定的循环次序反复施加到受试产品上，经过对受试产品的失效分析与处理，将得到的质量信息反馈到设计、工艺、制造、采购等部门，并进行持续的改进，以提高产品的固有可靠性；同时依据试验的结果对产品的可靠性作出评估。

HALT/HASS 可靠性技术不同于传统的可靠性试验，它是利用高机械应力和高变温率来实现高加速的，因为具有很高的效率，能够将原来需要花费6 个月甚至1 年的新产品可靠性试验缩短至一周，并且在这一周中所发现的产品质量问题几乎与顾客应用后所发现的问题一致，使得经过HALT/HASS 试验的产品使用故障率大大降低。简单地说，有缺陷器件（如焊点有气泡，元器件引线有划痕等）之所以容易失效是由于有缺陷部件的应力集中系数高达2-3倍，这样其疲劳寿命就相应降低了好几个数量级，使得有缺陷与无缺陷器件在相同的应力作用下疲劳寿命拉大了档次，导致有缺陷器件迅速暴露而无缺陷器件损伤甚小。许多类型的应力所引起故障失效加速因子是与应力呈指数级增加关系，而不是呈等比例增加关系，所以提高应力能加速产品失效。

1.2 试验目的

传统的可靠性试验的目的是为确定产品是否能够经受外场实际环境的模拟试验，即是一个通过与否的试验：如果“通过”就交付使用，如果“未通过”就查找产品失效的原因，并确保产品“通过”，这在一定程度上起到提高产品可靠性水平的作用。

HALT/HASS 的试验则不同于传统的可靠性试验。HALT 通过系统地设置逐级递增的环境应力，来加速暴露试验样品的缺陷和薄弱点，而后对所暴露的缺陷和故障从设计、工艺和材料等方面进行分析和改进，以达到提升产品可靠性的目的，最大的特点是设置高于产品设计运行极限的环境应力，这不仅使暴露故障的时间大大短于正常可靠性应力条件下的所需时间，还能得于产品的工作极限和使用极限，为HASS 的应力类型和应力量级的选择提供依据；HASS主要应用于产品的生产阶段，以发现零部件和组装中存在的缺陷并实施必要的改进措施，实现剔除有缺陷的部件或元器件，达到保证产品的可靠性的目的。

1.3 应力要求

传统的可靠性试验通常被作为一种产品预期要经受外场实际环境的模拟试验，研制产品时把技术要求中所规定的应力极限值作为鉴定或考核产品的条件。这种试验存在着以下几个问题：一是费用昂贵，试验时间过长，有的长达几个月甚至超过1 年；二是大量产品使用时可靠性差，平均故障间隔时间（MTBF）短，外场返修频繁，造成担保费用、维修费用居高不下，导致顾客不满意，严重损害企业的信誉；三是产品在设计与批量生产的试验应力要求是一致的；四是不同产品的试验应力基本不同。

HALT/HASS 试验技术是一个整体，HALT 是进行HASS 的前提，只有完成了适当的HALT，并且将所发现的质量问题都解决后，才允许进行HASS。HALT 采用步进应力的方法进行试验，其试验过程就是以步进方式对产品施加一系统单应力（如温度、高速温度循环、多轴随机振动）或温度与振动综合应力，在HALT 过程中对发生的每一个失效都进行根本原因分析（Root Cause Analysis）,不断进行试验、分析、验证和改进，并且得到产品的确良工作极限和损坏极限；HASS 试验依据HALT 得到的工作极限和损坏极限，来制订HASS 方案，确定HASS 的量级，以保证筛选所消耗的疲劳寿命的量是可以接受的，这是因为不管采用什么筛选方法，筛选过程总要消耗产品的一部分疲劳寿命，如果使用应力和损失应力之间的余量很小，就根本不能运用任何应力筛选方法进行筛选。不同产品有不同的工作极限和损环极限，并且不同产品的筛选的应力类型也是不一样的。因为，对不同地方使用的产品不存在统一的HALT/HASS 试验应力，通常根据产品各自的特点，选择产品最敏感的应力进行筛选。

二、 HALT/HASS技术应用的关键保证

任何可靠性试验本身是不能提高产品可靠性水平的。为保证HALT/HASS 试验技术应用过程的有效性，通常从以下几方面着手，即产品故障的根因分析、产品的自动测试、试验的层次性和样品的代表性等。

2.1 产品故障的根因分析

HALT 试验的首个关键保证是根因分析，以及为确保产品完整性的纠正措施的确定与执行，从而提高产品的可靠性和设计的健壮性。只有发现和确定了产品的薄弱环节，才能达于提高产品裕度的目的。不同产品的根因分析是不相同的，这就是高加速寿命试验中最复杂的一个环节，就试验中所暴露的问题，不仅要确定其产生的原因，还要分析在现场使用中否会发生以及发生的频率，并给出行之有效的纠正预防措施。这就要求做出这种决定的人员具备良好的预先规划与产品知识、经验以及根因分析技能，为产品的试验提供全面的技术支持，包括在试验过程中能够适时制定试验方案、安排试验进程、分析被测产品的故障机理并给出行之有效的纠正措施等。

2.2 产品的自动测试

传统的可靠性试验仅仅在产品技术要求所规定的工作条件范围内进行必要的测试，而HALT/HASS 试验则是在应力步进的每一个阶梯上都要求进行测试，这就使得产品的自动测试成为开展HALT/HASS 试验的另一个关键所在。产品的自动测试不仅包括被测产品以及相关设备的信号监测、采集以及控制，还包括所需夹具的设计、验证和安装方式等。

2.3 试验的层次性

在HALT 过程中只有按照由低到高的层次关系进行试验，才能充分暴露产品中的缺陷，更准确地分析产生这些缺陷的根本原因，确定下一层次试验的方案，达到最佳的试验效果，从而使产品的可靠性从根本上得到保障。产品的千差万别，也就使得其对不同环境应力激励的敏感程度有所不同，只有确定合适的试验应力，才能保证HALT/HASS 试验的有效性。

2.4 样品的代表性

为了保证试验的有效性，HALT 试验应当在产品的设计、工艺、元件和材料都已确定后进行，这样才能充分发现设计的薄弱环节，更准确地分析产生这些缺陷的根本原因。

为确保HASS 试验能够达到预期的效果，一般准备3 个试验品，并在每个试品上制作一些未依据标准工艺制造或组装的缺陷，如零件空焊、组装不当等，应用所确定的HASS 试验条件测试这三个试品，并观察各试品上的人为缺陷是否能够被检测出来，以决定是否加严或放宽试验条件。在完成有效性测试后，应当再更新新的试验品，应用调整过的试验条件测试数十次，如皆未发生因应力不当而被破坏的现象，即可判断HASS 试验有效；反之则应继续调整试验方案以获得最佳的HASS 试验条件。

三、 HALT/HASS的试验开展

HALT/HASS 的4 个主要试验项目是温度应力、高速温度循环、随机振动、温度与振动综合应力。这4 个项目中，除了温度与振动综合应力试验是HALT/HASS 试验中所独有的，传统的可靠性试验不曾开展过，其它3 个试验目的方法与要求也与传统的确良可靠性试验有所不同。对于开展过传统可靠性试验的企业，可以将原有的试验设备利用起来，在逐步开展HALT/HASS 试验的过程中，将HALT/HASS 的试验理念渗透到产品设计、生产和试验中去。

HASS 是产品通过HALT 试验得出操作或破坏极限值后在生产线上所做的高加速应力筛选，通常遵循两个原则：一是所能够检测出可能造成被测产品的隐患，二是经试验后不致造成被测产品损坏或者说“内伤”；所以HASS 试验一般是将温度与随机振动综合应力中的高、低温度的可操作界限缩小20%，而振动条件则以破坏界限G 值的50%作为HASS 试验的初始条件，然后再依据此条件开始执行温度与振动综合应力并进行测试，同时观察被测产品是否有故障出现；如有故障出现，应当先判断是因过大的环境应力造成的，还是由被测产品本身的质量问题所引起的；属前者时应再放宽温度及振动应力10%再进行测试；属后者时表示目前测试条件有效。如无故障情况发生，则须加严测试应力10%，再进行测试。

a) 温度应力

传统的温度应力试验，只需直接升温或降温达到目标温度，例如某产品规定的低温工作温度为-40 度，则只需直接降温至-40 度，平衡半小时，进行一次测试。

HALT 的温度应力试验所施加的应力是以递增形式变化的，其试验过程是通过施加不断加大的应力来激发产品设计中潜伏各种缺陷，直到产品的破坏极限，以其低温试验（高温应力试验方法与之相同）为例，首先设定起始温度为20 度，保持10MIN 后进行测试，一切正常则将温度降低10 度，当温度稳定后维持10MIN，之后执行至少一次的功能测试，如一切正常则将温度再降低10 度，并当温度稳定后维持10MIN 再执行功能，依此类推直到发生功能故障，以判断是否达到操作界限或破坏界限。

只要企业开展过传统的可靠性试验，一般都可以进行HALT 的这项试验，因为通常的高低温试验箱温度范围可以达-70 度—180 度之宽，并且温度场均匀性和稳定性均能满足该项试验的要求。

b) 高速温度循环

传统的温度循环试验是按照产品所规定的温度和循环次数进行，例如，某产品要求-25度、85 度间进行规定的6 次温度循环试验，在每个循环的最高及最低温度一般停留30MIN，试验结束后恢复到常温状态下，进行一次试验。

HALT 温度循环试验是将先前在温度应力试验中所得到的低温及高温操作界限作为此处的高低温界限，并以每分钟60 度的快速温度变化率在此区间内进行高速温度循环；在每个循环的最高温度及最低温度都要停留10MIN，并使温度稳定后再执行功能测试，以检查被测产品是否发生可恢复性故障；如果发现被测产品发生可恢复性故障，则将温度变化率减少10 度/1MIN，再执行温度循环，直至无可恢复性故障发生，则此时的温度变化率即为试验的工作界限。这项试验的开展所遇到的问题集中在快速温度变化率上，传统的可靠性温度冲击试验箱的温度变化率是不可控的，并且达不到每分钟60 度的要求。

c) 随机振动

传统的随机振动则是在三轴方向以规定的加速度、时间进行，之后恢复到常态，测试一次HALT 随机振动试验是将振动的加速度自5G 开始，每次以2G-5G 递增，并保持10MIN 后在振动持续的条件下执行功能测试，以判断其是否达到可操作性界限或破坏界限。这里的振动一般是指3 个互相垂直轴向的6 个方向以及3 个轴的转动方向的多轴振动。在传统的振动台上，可以尝试着进行步进振动应力的试验，并按照要求对产品进行测试和解决所暴露的质量问题。

d) 温度与振动综合应力试验

温度与振动综合应力试验是HALT 中独有的一个试验项目，不曾出现在传统的可靠性试验项目中；该项目将高速温度循环及随机振动两项应力同时进行，使加速老化的效果更加显著；该试验使用先前的高速温度循环温度的上下限以及温变率，并将随机振动自5G 开始配合每个循环递增2G-5G，且使第个循环的最高及最低温度持续10MIN，特温度稳定后执行功能测试，哪些重复进行直到达到可操作界限及破坏界限为止。传统的可靠性试验设备中温度与振动应力试验是分立的，企业要想开展该项试验需添置必需的温度与振动综合应力试验设备。

四、结束语

目前，由于国外的封锁，我国对HALT/HASS 的核心技术的掌握还不是很全面，依然面临着许多新课题，例如信息处理与试验统计分析技术、相应标准和规范的制定、HALT 的计算机辅助设计与分析技术、相关的试验设备信号采集和控制技术等，这些技术壁垒的解决与否，一定程度上制约着HALT/HASS 试验的推广作用，因为HALT/HASS 并不是简单购置新的试验设备、改变试验方法与顺序，而是实实在在地提高产品的质量与可靠性。

来源：CAE仿真学社

振动疲劳材料控制试验 ANSYS

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首次发布时间：2023-04-02