论文:谈谈高加速寿命试验

林震,张爱民,沈朝晖,谢再师
摘要:高加速寿命试验(HALT)是一种新兴技术,它使用在产品的设计阶段,用于快速暴露产品的缺陷和薄弱环节。本文介绍了HALT的优点、典型的HALT过程及HAST项目;对HAST项目中的温度步进应力、6自由度随机振动、快速温度变换、温度与振动步进应力综合试验等方法进行了详细描述。

关键词:HALT;HASS;工作极限;破坏极限

中图分类号:TB24　　　　　文献标识码:A
TalkaboutHighlyAcceleratedLifeTest
LINZhen,ZHANGAi2min,SHENZhao2hui,XIEZai2shi
Abstract:HighlyAcceleratedLifeTest(HALT)isanemergingtechnology,itisperformed
duringdesigntofindtheweakreliabilitylinksintheproduct.Thispaperintrducesthemeritsof
HALT,anddescribesthetypicalHALTprocessanditems.Thepaperalsodescribesdetailedly
theHALTitemsoftemperaturestepstress,rapidtemperaturetransitions,6degree2of2freedom
randomvibrationandcombinedenvironmentoftemperatureandvibration.
Keywords:HALT;HASS;OperatingLimit;DestructLimit
1　引言
高加速寿命试验(HALT)是由美国Hobbs工程公司总裁GreggKHobbs博士首先提出来的。从90年代开始,HALT获得推广应用。HALT的最大特点是时间上的压缩,即在短
短的几天内模拟一个产品的整个寿命期间可能遇到的情况。与传统的可靠性试验相比,HALT试验的目的是激发故障,即把产品潜在的缺陷激发成可观测的故障。因此,它不
是采用一般模拟实际使用环境进行的试验,而是人为施加步进应力,在远大于技术条件规定的极限应力下快速进行试验,找出产品的各种工作极限与破坏极限。
目前,虽然还没有相关的试验标准,但国外在航空、汽车及电子等高科技产业都广泛开展了HALT项目,已有相当成效。
HALT具有如下优点:
　①利用高环境应力,提早使产品设计缺陷激发出来,从而消除设计缺陷,大大提高设计可靠性,确保产品能获得早期高可靠性,使产品具有高的外场可靠性;改善后可延长产
品早夭期(浴盆曲线后段延伸);
②产品的设计周期大大减少;
③生产费用大大降低;
④维修费用大大降低,因为交付的产品具有更高的可靠性;
⑤了解产品的设计能力及失效模式;
⑥HALT能找出产品的工作极限和破坏极限,为制定HASS(高加速应力筛选)方案,确定HASS的应力量级提供依据;
⑦大大减少鉴定试验时的故障,经过HALT的产品,鉴定试验已不重要,仅是一种形式而已。
2　HALT过程
HALT采用步进应力剖面。它实际上就是步进应力试验的增强形式。美国波音公司把HALT和步进应力试验统称为可靠性强化试验RET。
2.1　试验夹具设计
在HALT设计开始前,必须设计一个特殊、专用的夹具。这个夹具必须满足以下两个要求:
◇适用于振动和温度试验,并能同时试验多个产品(根据具体情况);
◇能提供合适的振动传输率、热均匀性和均衡的温度变化率。夹具上标明产品的具体安装位置,并确定每个产品位置的应力量级等等。一般来
说,最高和最低振动响应处放置工作样本,非功能性样本放在其它的位置。
2.2　试验剖面设计
在HALT开始时,必须设计一个非常有效、合理的试验剖面。试验剖面包括产品将暴露的环境应力类型、各应力的量级、步长及停留时间等等。
Hobbs博士指出:“HALT剖面基于步进应力试验,使用适当的应力,直到达到产品的基本技术极限为止。当故障出现时,必须弄清楚它的失效模式和失效机理,而不是应力
和量级。”没有标准的HALT剖面。然而,Thermotron工业的一位应用工程师ChrisScholten指出:“一个典型的HALT剖面开始于5℃到10℃步长的冷步进应力试验,然后
是同样步长的热步进应力试验,接着是快速温度变换,然后是振动步进应力试验,最后是温度和振动的综合。”
2.3产品试验
◇应用步进应力,直到产品失效为止;
◇暂停试验,对失效进行根本原因分析(RootCauseAnalysis),维修产品;
◇从暂停处继续试验(步进),直到产品再次失效为止,接着失效分析,维修产品;
◇重复应力—失效—失效分析—维修过程;
◇找出产品的工作极限与破坏极限,确定产品的工作裕度和破坏裕度。在HALT过程里面,故障根本原因分析(RCA)和改进措施是核心内容。因此,在
HALT过程中不能放过任何一个被激发出的故障,是设计问题就要改进设计,是工艺问题就要改进工艺。只有采用有效的纠正措施,才能加速设计和工艺的成熟,才能充分发挥
HALT的长处。
3　HALT试验项目
HALT试验项目主要包括温度步进应力、6自由度随机振动、快速温度变换、温度与振动步进应力的综合等等。
3.1　温度步进应力试验
温度步进应力试验是HALT的第一部分,其目的是在没有任何外部诱发振动的情况下,确定产品的工作和破坏温度上、下限。
它包括冷步进应力和热步进应力:
1)冷步进应力:应力开始于20℃,然后温度以每步10℃往下降,直到确定产品的工作与破坏温度下限为止。
2)热步进应力:应力开始于20℃,然后温度以每步10℃往上升,直到确定产品工作与破坏温度上限为止。每步停留20min(有的为10min),这个时
间包括产品各部分的温度平衡时间与产品性能的测试时间。
3.2　快速温度变换
快速温度变换构成HALT的第二部分,其目的是为了在没有任何外部诱发的振动条件下,在极端的高温与低温下,发现产品潜在的一些问题。其极端温度(高温与低温)值由
温度步进应力试验确定的工作极限温度决定,等于或稍高(低)于工作极限温度。在这个阶段,产品经受着持续的冷热变换,其变换速度尽可能快(不过,必须在产品
与箱子所允许的范围内)。降温与升温速率必须大于40℃/min。在每个极端温度处,停留20min。这个时间是为了使产品在该温度下彻底“整定”,使产品的各个部分达到温度
平衡。快速温度变换试验一般进行十个循环,最少也不能低于五个循环。
3.3　振动步进应力
振动步进应力是HALT的第三部分,其目的是为了在没有不当的温度应力下(一般选择环境温度为20℃),确定产品的工作与破坏振动极限。振动源为六自由度的随机振
动,频率范围从2Hz到5000Hz。试验开始于5Grms,然后振动量级以5Grms的步长往上加,每步保持10min,保持期间对产品进行性能测试。如果应力等级达
到或超过30Grms,产品的性能测试有两种方法。
一种是在当前的应力下测试;另一种是低一点的应力或5Grms的温和振动下测试,因为高应力造成的突然失效有时只能在低一
点的应力下才能测出来。由于持续的试验,破坏极限找到后,产品需静放一段时间或大范围维修后再进行综合应力试验。但如果在整个范围的振动里,产
品一直运行良好(没有破坏),那么可以立即实施综合应力试验。
3.4　综合环境综合环境试验构成HALT的第五部分。
综合环境试验是用于测试产品在快速温变和振动步进应力的复合下的强度。这是很重要的一部分,因为许多产品的振动响应随着温度的变化而变化。
温度剖面采用上下两个极端温度,这两个极端温度接近于温度步进应力试验确定的上下工作极限温度。如果公司给出了产品的贮存极限温度,那么温度极端值通常比贮存
极限温度恶劣20℃,在每个极端温度处保持20分钟。然而,还没有到达-60℃时,电解电容就差不多“冻结”而无法工作了。因此,如果是对带有电解电容的产品实施HALT,
合理的下极限温度为-45℃(或接近)。整个综合环境试验最少进行5个温度循环。振动极限值基于上面振动步进应力试验确定的工作极限值。每个温度循环里面使用
不同量级的振动。如果进行5个温度循环,振动极限值选择为100Grms,那么第一个温度循环里面振动剖面是这样的:从5Grms开始,然后振动量级以5Grms的步长往上加,
直到20Grms(极限值除于循环次数),每步保持10min,保持期间对产品进行性能测试;同样的,第二个温度循环里面振动剖面从20Grms开始,然后振动量级以5Grms的步长往
上加,直到40Grms,每步保持10min,保持期间对产品进行性能测试;??。如果可能的话,我们可以找到温度与振动综合情况下的工作与破坏极限。
当然,为了进一步加速、暴露缺陷,有时
还根据产品各自的特点选择其它的一些应力,例如功率循环、电力开关循环、电压容限及频率容限等等。事实上,实际的应力是在HALT之前和HALT期间的产品评估决定的。
在HALT过程中,有些应力可能被删除掉,有些应力可能被加了进来,有些应力可能综合的进行。
需要特别注意的是,HALT是一个破坏性试验,做完试验的产品不能另做它途。
4　美国QualMark加速可靠性试验中心的一组HALT数据
美国加速可靠性试验中心对来自33个不同公司、不同行业的HALT数据进行了统计分析,得出了以下的一些有价值的试验数据:
4.1　不同应力下失效所占的百分比从图1中看,好象快速温度变换对诱发产品的失效作用并不大,只占4%。其实并非如此,因为冷步进应力和热步进应力总是
在快速温度变换之前进行,大多数与温度有关的失效都在温度步进应力阶段暴露出来,在进行快速温度变换之前这些失效已经被纠正过来,所以快速温度变换应力下失效所占
的百分比很小。同样地,振动步进应力总是先于综合环境应力进行,把大部分与振动有关的失效都剔除掉了。

图1　不同应力下失效所占的百分比
4.2　不同应用类型的HALT极限值(见表1)
表　1
产品应用
类　　型温度振动,Grms
工作温度下限破坏温度下限工作温度上限破坏温度上限工作振动极限破坏振动极限
军用-69-78116123121124
民用-48-7390953239
野外-57-74941156466

4.3　不同环境类型的HALT极限值(见表2)
表　2
产品应用
类　　型温度振动,Grms
工作温度下限破坏温度下限工作温度上限破坏温度上限工作振动极限破坏振动极限
办公室-62-80921184652
运输-69-78116123121124
野外-66-811061246669
飞机-60-901101101829

注:
工作温度下限———产品停止工作或不再满足技术条件要求,但温度上升后,产品仍能恢复正常工作的那个温度值。
破坏温度下限———产品停止工作或不再满足技术条件要求,且温度上升后,产品已不能恢复正常工作的那个温度值。
工作温度上限———产品停止工作或不再满足技术条件要求,但温度下降后,产品仍能恢复正常工作的那个温度值。
破坏温度上限———产品停止工作或不再满足技术条件要求,且温度下降后,产品已不能恢复正常工作的那个温度值。
工作振动极限———产品停止工作或不再满足技术条件要求,但振动强度下降后,产品仍能恢复正常工作的那个振动强度值。
破坏振动极限———产品停止工作或不再满足技术条件要求,且振动强度下降后,产品已不能恢复正常工作的那个振动强度值。

5　结束语
和过去相比,今天的产品更耐用,所以有必要开展HALT去改进产品的可靠性。
HALT利用高环境应力,提早使产品设计和工艺缺陷激发来,从而消除设计和工艺缺陷,
加速产品设计的成熟,大大提高产品可靠性。在加速把产品潜在的故障以失效形式暴露出来,随机振动比温度循环更有效,综合试验比
单个试验更有效。
为了保证产品在HALT过程获得的高可靠性、高强度不因制造过程而降低,剔除制造缺陷,减少大量的野外失效,非常有必要在生产阶段实施HASS,对产品的质量和可靠性进行监控。
目前为止,HALT仍然是一门新兴技术,但是,HALT已经在国外广泛开展,取得了大量的研究成果,其研究项目已经深入到HALT的每个细节里面,非常详细。
参考文献:
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