用于设计与过程改进中的加速寿命试验及其实例

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偶然看到自己的硬盘里有一篇这样的文章，大概介绍了一下HALT/HASS方面的知识。与大家相互学习一下！

应力筛选技术可以在发售前改进产品设计和过程。HALT，即高加速寿命试验，提供了一个严酷的环境来促使设计和过程的成熟。HALT从工程开发周期开始，有助于实现健壮性产品的设计和成熟的生产过程，最终生产出优质产品。在HALT中收集到的有关产品极限的信息用来开展有效的高加速应力筛选（HASS）试验。HASS用在生产试验周期中，能够发现生产过程变化，防止带有隐藏缺陷的产品出现在现场使用中。通过这些筛选可以检测到隐藏的缺陷，而且不会大幅度地减少产品寿命。在设计与生产阶段进行筛选的目的是发现并改进设计和过程的薄弱链，HASS过程所需的极限值由从HALT中收集到的信息来确定。
在HALT过程中，用每个可能的刺激值进行试验来发现产品设计和制造过程之间的薄弱链。实验用的刺激源包括热循环、振动、电源循环、温度改变率、合成环境和特殊的应力：如时钟频率、直流电压变动等。这些应力并不是为了模拟现场环境，而是为了寻找设计和过程中的薄弱链。试验中逐渐提高所选刺激源的应力等级，直到出现故障或失灵，发现的故障必须在使用更高等级的应力之前改正。这些应力应渐进到正好超出期望的现场环境直到“基本极限或技术”、或自毁极限达到健壮性要求。这一极限的定义即应力中的微小变化导致很多故障同时发生的那一点。
在早期的原型阶段，在HALT试验中得到的信息被反馈到开发者那里，以在大规模生产之前就进行改进。由于受到销售条件和工程因素改变的制约，还需要在产品的整个寿命周期内周期性地对该产品进行评价。
HASS是一种增强了的环境应力筛选，利用最大可能的应力来获得筛选中的时间缩短。HASS的开展需要适当的HALT做基础。在HATL中，找到并了解了产品运行的高低极限和自毁极限。如果存在较大的设计裕量，操作极限的信息对评价产品是非常必要的。在定义有效的HASS过程中需要自毁极限的信息，在HALT过程中定义的极限对建立有效的HASS过程是必不可少的。HALT建立了高低级热操作极限，振动运行上限，热自毁极限和振动自毁极限。如果在HALT过程中进行了电压和频率边缘试验，电压和频率运行的上下限和自毁极限就可以建立起来。
HASS过程中所用的经验值是从小于运行极限20％的温度开始作为端点，振动等级从自毁极限的50%开始。温度改变率（至少25°C/min）应该在产品部件级实现。
一旦确定了HASS剖面，就可以运行筛选验证实验以确定筛选不会引入缺陷或严重影响产品寿命。如果产品在筛选验证中由于应力破坏而失效但不是隐藏缺陷，筛选等级应该减掉10%，然后重新运行筛选验证。
如果所有的薄弱链都已经从产品中剔除，那必然能够通过HASS试验，无需在发送到现场前仍然发现有隐藏缺陷而非常影响产品寿命。.为保证HASS的有效性必须对试验过程不断地进行监视，如果需要的话，要为适应产品改进做一些改变，从失效分析和现场得到反馈。在产品生产过程中会出现不同的操作裕量。工程上、生产上以及部件供应的变化都回显著地影响产品极限和安全筛选参数。筛选中的产品必须在HALT过程中周期性地进行重新评价来再确认产品极限。
HALT和HASS试验过程是很严格的，产品要开机、运行，并要有重要的监视界面以查找间歇失效。我们在较复杂的样本集合中发现，进行测试诊断来检测不易监视到的问题很非常益的。每个故障都必须溯源分析到引发故障的根本因素以确定是隐藏缺陷还是由过度的筛选应力引起的。
试验设备
用于完成HALT试验的温度和振动试验箱，是由计算机控制的。该试验箱能达到-100°C到+177°C(-l48°F到+350°F)的温度极限，最大气体温度改变率可达60°C/min(108°F/min)。试验箱的内部空间为1.4m宽、2.3m高(4.5ftx4.5ftx7.6ft)，可以完全将子系统放在里面进行测试。.为了容易取放被测试的产品，试验箱两边都开有气动门。液氮冷却和电子加热由高速气流连接在一起，使温度改变和稳定都非常快。
试验箱中包括一套称为OmniAxial?的振动激励系统，该系统将振动等量地分解到X、Y、Z三个坐标，并在所有旋向上给出激励。系统.使用了十六个气体振动冲击激励，这些激励生成了六个不相关的自由度、宽带激励和最优的冲击反应频谱。最大加速范围从带有零个lb.负载的95gRMS到带有1500lb.负载的18gRMS，振动频谱从0到2000Hz。我们还有一个单独的构架，有激励源安装在它周围因而能放置在庞大子系统的上面来保证更加分散的振动能穿过受试产品。激励源由空气压缩系统运转。
环境试验箱和振动系统中提供了自动编程和控制。环境试验箱是由JC系统620型FasTRAC双通道编程器／控制器控制的。620型使得我们能对99个独特的温度剖面进行编程。通过RS232接口实现计算机监控。振动系统有GHI计算机辅助测试系统控制，该系统为由16个通道、一块控制卡和用于编程的软件组成的PC系统。该系统还包括用于振动和震动分析的软件。
HALT过程
HALT过程由开发工程人员手中的原型设计开始，完成HALT最少需要三个样本以便能够更清楚地认识操作中的变化性和受试单元（UUT）的自毁极限。在配置完全的系统级试验中，只需要一个样品。
有了输入试验计划就可以开展了。输入需要从开发工程人员那里得到，以保证所有电路都能被测试和监控到。通过对受试单元的检测来确定在试验过程的振动应力阶段对产品进行约束的最佳途径。如果可能的话，应对产品正常的安装配置进行备份，使得产品在试验中受到的振动应力与它在最终使用时的寿命周期内受力模式相同。为达到足够的热改变率，需要专门的固定物来集中需要横穿产品的气流。
试验的准备和配置工作完成以后，运行振动与热剖面确定需要描述的区域。要在几个点上对振动等级进行监控，包括容易产生强烈共振的位置或区域。同样也要对热应力等级在几个点上进行监控，确定产品的热特性，获得其温度改变率。应该确认试验设备功能是理想的，对产品进行振动试验时不出现断点。
HALT试验中使用了步进应力方法。用一个选定刺激源的逐步增加的应力等级直到产生失效或出现失灵。一旦故障发生，必须在达到更高等级的应力级之前采取矫正措施。矫正措施最好由故障分析、生产、试验和开发工程领域得到的交叉作用的典型信息来确定。通常情况下是先采取临时修复保证试验继续进行。鉴定过一组修复措施之后才考虑实施永久性的修复措施。进行评测和修理之后，受试单元要返回到实验室接着从故障点开始进行试验。
在步进应力振动试验中，通常从10分钟2gRMS开始，然后以每10分钟2gRMS的台阶增加直至UUT失效或设备达到振动极限。对于热刺激源，通常从+20°C开始，以10°C的幅度增加（达到运行或自毁极限时以5°C的幅度增加），保持每个温度持续时间足够长以保证UUT的内部温度稳定，一直升高温度直到UUT失效或达到试验箱的试验极限。低温极限试验也遵循上述过程。试验中曾试图在从冷到热的循环或热到冷的循环时在UUT上得到60°C/min的温度改变率。在产品特定的刺激源，如电压和频率裕量时也采用步进应力方法。在这种步进施加应力的过程中，UUT是完全运转的，并可以不断地检测到输出。
每个经过HALT试验的产品得到的结果都是不同的。一般情况下，可以在-45°C到+100°C之间对产品进行试验，在产品的部件上获得45°C的温度改变率，并在产品仍能保持运行的状态下达到超过30gRMS的振动级。
HASS过程
对HALT中得到的运行和自毁极限进行分析并确定刺激源和应力等级，用于确定HASS过程中使用的刺激源和应力等级。通过在产品开发周期进行HALT试验，我们能够保证在操作和自毁极限之间留有足够的裕量，从而能提供有效的HASS过程。
一旦我们选定了我们认为有效的筛选，我们必须首先证明这种筛选能检测到产品中可能存在、在现场使用中会引发问题的隐藏缺陷。其次，我们必须证明这种筛选不会破坏好产品。在筛选验证过程中，需要六个样品至少进行10分钟的筛选循环。这六个样本是在已知缺陷的基础上构造的，来查看筛选是否能发现已知的缺陷。如果检测到了已知缺陷则认为这一筛选是有效的；如果检测不到已知缺陷，就要提高筛选的严酷度并重复筛选过程；如果筛选出的故障不是设计在样本中的缺陷，就需要对故障进行分析确认真的是隐藏缺陷，还是由于过应力引起的。如果必要的话，要对筛选进行改动再重复筛选过程知道证明所选择的筛选是有效的。
证明了筛选的有效性之后，就要转向在生产试验周期中使用了。有必要用每个产品寿命中连续的基本输出对这些筛选进行核查，保证筛选仍保持有效性，产品中的微小改变不会引起筛选等级移动到对产品产生破坏性的区域。
HASS的实现从HALT完成后不久的开发周期早期阶段开始。在全面的生产之前需要为一部分产品进行HASS试验。这样允许我们在HASS中使用测试版和预生产单元来收集数据以便在投入生产之前决定筛选试验的有效性。
为了证实HASS试验不会严重地影响产品寿命，我们对一个样本集合进行了延长的寿命试验。在这个试验过程中，我们对通过了HASS试验的同一个样本集合进行了连续的循环试验直到有产品出现失效或应力循环次数达到1000。试验完成之后，对样本集合进行另外的环境试验，如ESD、高低温、湿度以及振动试验，确认HASS并未引入隐藏的故障模式。

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结果
通过使用这些应力筛选技术发现了一些会在现场使用中出现问题并以现场失效返回的问题。下面的测试实例指出了采用HALT和HASS技术发现的几类结果。
实例1-印制电路板组件。其中一个受试单元一加载振动就出现随机故障。在分析这一故障时发现一个校准器与它的热衬底下面的一个VIA发生了短路。在热衬底与VIA之间加一个绝缘器件就消除了故障。
实例2-电源供电。在试验中通过将热电偶横放在受试单元的几个位置并对温度进行监控发现了几个过热点，为减少局部过热，设计了一个经过机械加工的热衬底保护层，加上一条母线来减少通过输出二极管的电流密度，同时增加了一个二极管线路来分散输出二极管产生的热量。该产品中的变压器也进行了重新设计，消除其在52°C的磁性饱和。试验同时表明这一设计中使用的并行转换器并不能象说明书中所写的那样进行分流。在HALT试验后对这一产品作了一些设计改进。
实例3-吹风机组件。在振动试验中有16gRMS输入时其中一个单元失效。对这一单元进行分析后发现控制卡上用了一个闸路控制来控制试验中坏掉的风叶的速度。该闸路控制远离电路板仅用导线连接，在它顶部的一个热叶片在生产过程中为了预防与封装在里面的风叶发生短路而被弄弯。通过对闸路控制的分析得到上述弯曲引起了管脚处的应力裂纹，从而导致在使用一定时间后断裂。与该控制卡的供货商联系后，他们试图寻找在低剖面下的替代安装方法或零件。最后找到了替代途径而很快实施了这一改进。
实例4-电源分布组件。在试验温度达到-50°C时一个单元的电路断路器清除了远程命令而出现故障。由于怀疑故障是由于单元的恢复操作引起的，用一个其他厂商的产品代替了上述电路断路器并重新进行试验，而且试验结果没有出现问题。该单元在温度和振动的混合试验中仍然出现问题。在-25°C、10RMS环境的第三个循环中，ACFAIL输出不稳定，该单元最终不再执行线源传递的操作。在后备DC电源通过25管脚IO接口供电时操作正常。故障分析结果表明AC输出问题是由变压器引线破损引起的。所有在此次试验中失效的单元都使用了同一厂家的电源变压器，出现了同样的故障模式。每个单元的变压器都用另一厂家的代替后重新试验都没有出现故障或退化。
实例5-印制电路板组件。对该设计最初进行的HALT试验中，在低温极限出现了几个故障。故障单元在30°C时出现了处理器写错误，系统在-20°C时处于紧急状态，在从45°C到25°C进行温度循环时出现周期性的数据错误，在30°C和65°C之间时出现周期性的检查和奇偶错误。开发人员对设计进行分析发现了计时问题，通过改变设计中使用的一些PAL等式加以改正。经过改进的电路板通过了HALT试验，通过这一试验该产品在设计上有了很大的改进。
实例6-全系统配置。试验中出现的问题之一在AC/DC电源供应部分。这是一个新问题，在电源集成的HATL试验中没有出现。受试系统的电源在最小的应力下出现了失效。.其他用于测试的其他区域的用电源供电的系统也出现的同样的故障。这些单元被返回到供货方进行故障分析，发现有15个单元用错了一个部件。
实例7-印制电路板组件。在HALT和HASS试验中有50%的卡出现问题。这些电路板在生产的HASS过程中出现了故障但拿回到实验室分析其故障的根本原因时却发现工作正常。在应用最小量的振动时，故障源追溯到了EPROM部分，包括EPROM刷新的频率。在这一部分发现由于不正规的安装和移动使插座出现了退化。在现场使用中这一原因应该也导致了大量的故障，因为常规的电路板处理也会引入故障。对装有新的EPROM和插座的电路板进行筛选验证试验，结果不再有故障出现。此后生产厂在安装和移动EPROM时使用正确的方法，改进了生产过程。在此类电路板上使用的插槽也提高了质量。厂家更计划从电路板上完全移除这些插槽。
实例8-供电。HALT试验中发现这种特别的供电产品存在几个设计问题，本实例仅说明其中的一个问题。在温度和振动混合循环的开始，所有的输出都降到零。通过分析发现该单元在互连跳接处有一个起来的管脚。测试另一个单元时在温度和振动混合的第二个循环中输出降到零点。经查找在12V调节器上有一个翘起来的管脚。
针对所有问题都出现在同一个设计区进行了深入研究。在检查中发现，这个区域是由于FR4板与铝衬底的分离导致了应力的出现。而且，互连跳线是两块板桥梁，12V调节器主体在铝衬底上，由导线焊连到FR4板上。上述问题表明，由于在这些元器件跳接的区域焊接不良，因此即使该产品经过了成熟的生产过程，在使用现场仍有风险出现疲劳损坏。通过与供货方进一步的讨论发现互连的位置上和调节器没有焊接充分，因为有VIA孔，可以使焊剂通过VIA孔流到FR4板的第一层。
收益
HALT和HASS试验使用户对产品建立了信誉，并对产品质量有一种期望。通过这些实验技术能够在很大程度上提高产品质量，增强产品竞争力。
通过HALT增强了产品的健壮性，从而提高了产品的可靠性。由于在生产试验阶段采用了HASS，所需总试验时间减少了很多，从而能够更快地打开产品市场。在HASS中，需要在测试周期结束的早期来发现问题而在系统级测试中在测试周期的后期查找问题，降低在产品成型阶段出现问题需要重新设计带来的风险。
结论
进行HALT和HASS试验的目的不是服从实验结果，而是进行矫正，防止问题的出现。为达到这一目的，试验中需要物理试验单元试验至失效以发现其薄弱环节，确定其产生的根源并实施矫正措施。
在HALT中对产品进行物理破坏的目的在于试图通过以期望的最终使用环境进行刺激来最大限度地提高和量化产品的强度余量（包括运行和自毁）。HALT作为设计阶段的一部分是非常重要的，是与设计人员建立起理解的一个重要方面。产品在进行HALT试验时，没有什麽规范手册可言，HALT决定了产品的极限值。
在HASS中，疲劳破坏通过刺激源累加到受试产品上。但是，通过HASS试验证明筛选过程是有效、省时、费效比高的一种试验方法。筛选验证过程证明了这一点，证实筛选能暴露出可能在现场使用时出现的设计纰漏或生产缺陷而无需破坏好产品或消耗产品的寿命。
管理闭环矫正措施过程对预防故障再现是非常重要的。在HALT和HASS过程中对所有出现的故障都必须分析其根本原因和将矫正措施计划反馈给工程人员、生产方、供货方这两项工作是需要强制完成的。这些过程需要产品测试、硬件设计、机械设计、软件开发和测试、生产、失效分析、供货方以及资深管理者的支持的共同协作，才能获得最大的利益。