一、研究開發(fā)HALT和HASS的背景情況

 

以往，環(huán)境試驗被作為一種產(chǎn)品預(yù)期要經(jīng)受外場實際環(huán)境的模擬試驗。研制產(chǎn)品時通常把技術(shù)條件規(guī)定的應(yīng)力極限值作為鑒定或考核產(chǎn)品的條件。但是，即使已順利通過了設(shè)計階段的鑒定試驗和生產(chǎn)階段的驗收試驗，殘留的潛在缺陷仍然很多，大量產(chǎn)品使用時可靠性差，平均故障間隔時間（MTBF）短，外場返修頻繁，導(dǎo)致?lián)�保費用、維修費用居高不下，用戶或客戶不滿意，嚴重影響研制部門和制造廠商的信譽。

 

傳統(tǒng)的可靠性試驗（包括環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）、可靠性增長試驗和可靠性鑒定試驗等）大多也是在模擬環(huán)境下進行的試驗，以ESS為例，最早電子產(chǎn)品的ESS 是根據(jù)美國海軍1979年NAVMAT-P9492《生產(chǎn)篩選試驗大綱》確定的。溫度范圍一般采用技術(shù)條件規(guī)定的上下限，溫度循環(huán)次數(shù)由產(chǎn)品的復(fù)雜程度決定，如表1所示。隨機振動采用梯型譜，20～80Hz為+3db/OCT，80～350Hz, 為功率譜密度0.02～0.04g2/Hz的平直譜,350～2000Hz為3db/OCT，振動時間為單向10min，三向時每向5min。90年制定的國軍標GJB1032《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》參照《MIL-STD-2164-85》，強調(diào)無故障檢驗要求，規(guī)定環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)包含兩部分試驗。第一部分為缺陷剔除試驗（盡可能激發(fā)故障、并修復(fù)），要求完成40h溫度循環(huán)和5min隨機振動。第二部分為無故障檢驗試驗，以驗證篩選的有效性，其應(yīng)力量級與第一部分試驗相同，要求完成80h溫度循環(huán)中連續(xù)40h循環(huán)無故障和15min中連續(xù)5min無故障振動試驗。每一次循環(huán)時間約4h，變溫率為 5℃/min，振動要求與早期標準相一致。可靠性增長試驗則選用模擬現(xiàn)場實際的綜合環(huán)境條件進行。GJB1407-92《可靠性增長試驗》規(guī)定可靠性增長的總試驗時間一般為（5～25）MTBF。這些試驗費用昂貴，試驗時間長，而價格和研制周期已成為當今市場激烈競爭的焦點。因此研究開發(fā)一種快速、經(jīng)濟、 有效的新的可靠性試驗方法已勢在必行。

 

表1  根據(jù)元器件數(shù)量規(guī)定的溫度循環(huán)次數(shù)

 

產(chǎn)品元器件數(shù)量	<100	100～500	500～1000	1000～2000	2000～4000
循環(huán)次數(shù)	2	4	6	8	12

 

高效價廉的新試驗設(shè)備的推出和確認使可靠性試驗新方法的使用和推廣成為可能。新試驗設(shè)備是由用液氮制冷的高變溫率溫箱和氣動式三軸六自由度（6DOF）振動臺組成的。目前OVS2.5HP HALT/HASS試驗系統(tǒng)的主要性能參數(shù)已達到：隨機振動的頻率帶寬從2Hz～10KHz；溫度范圍從-100℃～+200℃；變溫率≥60℃/min。

 

這種新的可靠性試驗方法就是高加速壽命試驗（HALT）和高加速應(yīng)力篩選（HASS），它們都是由美國Hobbs工程公司的Gregg K Hobbs博士研究并于1988年在講授“篩選技術(shù)”課程時提出來的，從九十年代開始HALT和HASS獲得推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)的可靠性試驗不同，HALT 試驗的目的是激發(fā)故障，即把產(chǎn)品潛在的缺陷激發(fā)成可觀察的故障。因此，它不是采用一般模擬實際使用環(huán)境進行的試驗，而是人為施加步進應(yīng)力，在遠大于技術(shù)條件規(guī)定的極限應(yīng)力下快速進行試驗，找出產(chǎn)品的工作極限甚至最終達到的損壞極限（工作極限和損壞極限的幾個具體定義見附錄A）。然后，根據(jù)HALT確定的極 限來制訂HASS方案，通過HASS剔除生產(chǎn)制造缺陷，使產(chǎn)品快速達到高可靠性。

 

附 錄B給出的是美國Tandem計算機公司在一種容錯計算機的CPU上進行的HALT和HASS研究，從中可以看出產(chǎn)品正常工作環(huán)境極限，HALT極限和給 出的HASS極限之間的大致數(shù)值關(guān)系，無可置疑地說明了經(jīng)過HALT和HASS后，在正常使用條件下產(chǎn)品所具有的高可靠性。

 

HALT的主要優(yōu)點歸納如下：

 

a．消除設(shè)計缺陷，大大提高設(shè)計可靠性，確保能獲得早期高可靠性，使設(shè)備具有高的外場可靠性；

 

b．大大減少鑒定試驗時的故障，經(jīng)過HALT的產(chǎn)品，鑒定試驗已不重要，僅是一種形式而已；

 

c．降低壽命周期費用；

 

d．能確切了解工作極限和損壞極限，為制定HASS方案，確定應(yīng)力量級提供依據(jù)。

 

HASS的主要優(yōu)點歸納如下：

 

a．能用最低費用和最短時間激發(fā)出產(chǎn)品的潛在缺陷；

 

b．能用最低費用和最短時間檢測出盡可能多的缺陷；

 

c．提高產(chǎn)品外場可靠性；

 

d．降低產(chǎn)品生產(chǎn)、篩選、維修和擔(dān)保總費用。

 

二、高加速的基本原理

 

1、疲勞損傷與機械應(yīng)力之間的關(guān)系

 

眾所周知提高應(yīng)力能加速產(chǎn)品失效，疲勞損傷與機械應(yīng)力具有如下關(guān)系：

 

D≈nσβ                     （1）

 

式中：D是累積的疲勞損傷；

 

n是應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；

 

σ是機械應(yīng)力，即單位面積的作用力（由熱膨脹，靜載荷，振動或任何其它導(dǎo)致機械應(yīng)力的作用所引起）；

 

β是疲勞試驗確定的材料常數(shù)，其變化范圍為8-12。

 

一般來說，有缺陷部件和元器件（如焊點有氣泡，元器件引線有劃痕等）之所以容易失效是由于有缺陷部件的應(yīng)力比無缺陷的要高，篩選的目的就是要剔除有缺陷的部件或元器件。

 

Gregg K. Hobbs根據(jù)1973年Steinberg“電子設(shè)備振動分析”一文從試片拉伸疲勞試驗給出的應(yīng)力與失效循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖（見圖1）證明了公式（1）的存 在，并證明失效循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，應(yīng)力相差一倍，失效循環(huán)次數(shù)相差1000倍，（相當于壽命相差1000倍）。這種由機械應(yīng)力引起的疲勞損傷 是累積的，不可逆的，通常不能消除。一般情況下有缺陷部件引起的應(yīng)力集中系數(shù)可達到2或3，其應(yīng)力是無缺陷部件的2或3倍，因而可使疲勞壽命相應(yīng)降低好幾 個數(shù)量級。

 

2、溫度變化率與激發(fā)缺陷所需溫度循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

 

溫度循環(huán)屬熱疲勞性質(zhì)，S.A. Smithson在1990年環(huán)境科學(xué)學(xué)會年會發(fā)表的論文中給出了如表2所示的不同變溫率下的篩選效果，圖2和圖3給出了相應(yīng)關(guān)系的曲線圖。

 

三、HALT/HASS試驗過程及方法

 

對 研制的產(chǎn)品來說，HALT/HASS是一個整體（美國Tandem計算機公司把HALT和HASS統(tǒng)稱為加速應(yīng)力試驗AST）。HALT采用步進應(yīng)力的方 法進行試驗，故HALT又稱步進應(yīng)力試驗（美國波音公司把HALT和步進應(yīng)力試驗稱為可靠性強化試驗RET）。HALT試驗過程就是以步進方式對產(chǎn)品施加 一系列單應(yīng)力（如多軸隨機振動，溫度循環(huán)，電應(yīng)力等）和組合應(yīng)力，并逐步增加強度直至產(chǎn)品失效的過程（HALT試驗實例見附錄C）。在HALT過程中對發(fā)生的每一個失效都進行根本原因分析（Root Cause Analysis），不斷進行試驗、分析、驗證和改進。HALT是進行HASS的前提，只有完成了適當?shù)腍ALT，而且所發(fā)現(xiàn)的問題均已得到解決，才允許 進行HASS。Gregg K. Hobbs認為不管采用什么篩選方法，篩選過程總要消耗產(chǎn)品一部分疲勞壽命，如果使用應(yīng)力和損壞應(yīng)力之間的余量很小，就根本不能運用任何應(yīng)力篩選方法進行篩選。因此必須根據(jù)HALT得到的工作極限和損壞極限，摸清產(chǎn)品的設(shè)計余量，以此來制訂HASS方案，確定HASS的量級，以保證篩選所消耗的疲勞壽命的 量是可以接受的。

 

產(chǎn)品從HALT到生產(chǎn)制造中的HASS，要完成HASS研究。“HASS研究”的目的是提供最快捷最有效的篩選。篩選的有效性是以充分激發(fā)產(chǎn)品缺陷又不過量消耗產(chǎn)品使用壽命（即不損壞好的硬件）的能力來度量的。HASS研究過程通常包括HASS夾具的設(shè)計、制造和鑒定，剖面研究和最后的篩選驗證（Proof-of-Screen）。HASS夾具應(yīng)能提供合適的振動傳輸率、熱均勻性和均衡的溫度變化率，以使每個試驗部位應(yīng)力量級的變化最小，振動能量從振動臺面到被測單元的傳遞最大為最佳。剖面研究是要確定應(yīng)力篩選的試驗剖面，包括篩選選用的應(yīng)力類型，應(yīng)力量級，施加應(yīng)力的順序、保持時間等。篩選驗 證首先是要確定通過篩選檢測制造缺陷的有效程度，其次是要證明產(chǎn)品經(jīng)過篩選后不會過量消耗其使用壽命。剖面設(shè)計是一個反復(fù)實驗的過程。圖4、圖5給出了 QualMark公司對所委托的不間斷電源（UPS）最初設(shè)計的HASS剖面和最終確定的HASS剖面。最初設(shè)計的最高剖面溫度為83℃，最低剖面溫度為 -53℃，平均變溫率為45℃/min，剖面的振動從5Grms到30Grms，剖面持續(xù)的時間為60min。最終確定的HASS剖面為最高剖面溫度為 83℃，最低剖面溫度為-30℃，平均變溫率為45℃/min，剖面的振動從5Grms到20Grms，剖面持續(xù)的時間仍為60min。

 

篩選驗證完成后，產(chǎn)品就作好了進行生產(chǎn)制造篩選的準備。對每個產(chǎn)品在生產(chǎn)制造篩選過程中應(yīng)連續(xù)監(jiān)測。根據(jù)制造數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，允許改變試驗剖面，但每次變動前都必須仔細考慮和分析。如果篩選遺留了缺陷或突然出現(xiàn)高的失效率，都必須分析了解原因，根據(jù)需要可以修正剖面應(yīng)力，但任何應(yīng)力的變動都要求重新進行篩選 驗證，如果設(shè)計有較大變更，應(yīng)重新做HALT。

 

QualMark公司可靠性加速試驗中心Mike Silverman在2000年R&M年會上介紹HASS研究的四種方法歸納于表3。

 

四、開展HALT和HASS的幾點看法

 

a．不同產(chǎn)品有不同的工作極限和損壞極限，因此，對所有產(chǎn)品不存在統(tǒng)一的進行HALT和HASS的應(yīng)力。不同產(chǎn)品篩選的應(yīng)力類型是不一樣的，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品各自的特點，選擇產(chǎn)品最敏感的應(yīng)力進行篩選。

 

b． 故障根本原因分析（RCA）和改進措施是HALT和HASS的核心。因此，在HALT和HASS過程中不能放過任何一個被激發(fā)出的故障，是設(shè)計問題就要改 進設(shè)計，是工藝問題就要改進工藝。只有采用有效的糾正措施，才能加速設(shè)計和工藝的成熟，才能充分發(fā)揮HALT和HASS的長處。

 

c．HALT 和HASS需要大量資源設(shè)備和專職人員。因此，一個產(chǎn)品的HALT和HASS計劃必須由管理部門、開發(fā)部門和生產(chǎn)部門共同支持。設(shè)計開發(fā)工程部、生產(chǎn)制造部和質(zhì)量可靠性部有關(guān)人員都應(yīng)關(guān)心HALT和HASS工作，提供時間、經(jīng)費和受試產(chǎn)品等資源并迅速支持失效分析工作，試驗時受試產(chǎn)品的設(shè)計師應(yīng)做到隨叫隨到。

 

d．應(yīng)在研制部門大力推廣開展HALT和HASS，設(shè)法使產(chǎn)品的HALT和HASS成為研制部門領(lǐng)導(dǎo)自覺的需求，可首選在新研制的關(guān)鍵產(chǎn)品上進行試點，摸索和積累經(jīng)驗，然后全面推廣

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