道路車輛 電工電子設(shè)備高加速壽命試驗(yàn)

程 度，陸 斌，許 毅，謝罕杰，黃燕秋，盧兆明,

（1．蘇州廣博力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室有限公司，蘇州 215129； 2．上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200233）

概述

用環(huán)境應(yīng)力下的成熟度對(duì)產(chǎn)品的適用性和耐用程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]，已經(jīng)從理論探索趨向?qū)嶋H應(yīng)用。成熟的汽車企業(yè)已經(jīng)將高加速壽命試驗(yàn)（Highly Accelerated Life Testing, HALT）及高加速應(yīng)力篩選和稽核（Highly Accelerated Stress Screening and Auditing, HASS/HASA）引入裝車電工電子設(shè)備的研發(fā)、試產(chǎn)和批量供貨-采購(gòu)的管理中[2]，其需求已進(jìn)入國(guó)內(nèi)檢測(cè)市場(chǎng)。

HALT/HASS/HASA構(gòu)成的是一整套產(chǎn)品評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制系統(tǒng)。HALT適用于采用了新工藝技術(shù)/設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，還能用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品的改善。HASS/HASA適用于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的意外的和隨機(jī)出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。其中HALT通過(guò)規(guī)范的基礎(chǔ)試驗(yàn)方法注重物理試驗(yàn)，原因分析和矯正措施；進(jìn)行健壯發(fā)展和維持。HASS/HASA則注重于長(zhǎng)期有效的品質(zhì)的保證措施，將另文詳述。

1 試驗(yàn)設(shè)備

HALT/HASS/HASA試驗(yàn)使用的設(shè)備是相同的。應(yīng)能滿足HALT所需溫度和振動(dòng)應(yīng)力，試驗(yàn)箱必須在同一箱體內(nèi)提供溫度和振動(dòng)環(huán)境。

1.1 振動(dòng)

HALT試驗(yàn)箱具有6自由度（3平軸和3轉(zhuǎn)軸）振動(dòng)技術(shù)。采用能量在本質(zhì)上維持正高斯長(zhǎng)尾能量分布的準(zhǔn)隨機(jī)振動(dòng)。寬帶隨機(jī)的頻率范圍2Hz -10000 Hz；振動(dòng)臺(tái)空載輸出大于35g rms。

1.2 溫度

在受樣試品上施加快速溫度變化應(yīng)力。試驗(yàn)箱具有足夠大的氣流速率用以在受試樣品上產(chǎn)生所要求的快速熱量變化率，并維持熱穩(wěn)定，這也很重要。高速變化率（最小溫變率應(yīng)達(dá)到45℃/min）；溫度范圍從-80℃至+170℃。

1.3 數(shù)據(jù)的采集和保存

HALT過(guò)程中的響應(yīng)數(shù)據(jù)包括溫度、振動(dòng)和產(chǎn)品功能性的表現(xiàn)。溫度數(shù)據(jù)的收集和保存要用到試驗(yàn)系統(tǒng)的熱電偶監(jiān)測(cè)信道或多信道的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；振動(dòng)數(shù)據(jù)的收集和保存則要用到試驗(yàn)系統(tǒng)的加速度監(jiān)測(cè)信道或帶測(cè)量傳感器（加度計(jì)）的頻譜分析儀和監(jiān)控器。

1.4 布置在受試樣品上的傳感器

對(duì)受試樣品振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量的加速度計(jì)應(yīng)有小的質(zhì)量（比如4g），響應(yīng)頻率2Hz至10kHz，±500*Gn的測(cè)量范圍(Gn=9.80665 m/s2); 對(duì)受試樣品溫度響應(yīng)測(cè)量的熱電偶。需要采用熱電偶絲。用于HALT試驗(yàn)箱的熱電偶，在試驗(yàn)箱溫度范圍內(nèi)（近似-100℃至+200℃）應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性。熱電偶絲應(yīng)該用22#規(guī)格，或更小。

2 HALT試驗(yàn)

2.1 溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)（見圖1）

2.1.1 溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，由環(huán)境溫度開始（定為+20℃至+30℃）。最大的高溫基于材料金相變化的極限相關(guān)，應(yīng)在試驗(yàn)前被標(biāo)明。塑料外殼應(yīng)被移除容許電子類產(chǎn)品達(dá)到更高溫度。試驗(yàn)不應(yīng)使材料金相發(fā)生變化。正確的溫度試驗(yàn)基于沒有故意造成的傷害。步長(zhǎng)通常為10℃，適當(dāng)時(shí)可以增加到20℃步長(zhǎng)。

2.1.2 溫度駐留時(shí)間必須足夠長(zhǎng)到完全穩(wěn)定，并使設(shè)備和受試樣品達(dá)到完全熱飽和。駐留時(shí)間通常在樣品熱電偶反饋確定樣品溫度穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)之后5min至15min之間。對(duì)熱容量的工程判斷直接影響用最小或最大溫度駐留時(shí)間。在駐留時(shí)間后完成全部功能測(cè)試，也可以在整個(gè)步長(zhǎng)上進(jìn)行。

2.1.3 溫度步長(zhǎng)試驗(yàn)中的應(yīng)力是連續(xù)的，直到受試樣品確定的工作極限或達(dá)到試驗(yàn)箱的最大值。

2.1.4 一旦工作極限確定，步進(jìn)式的溫度應(yīng)力程序以10℃為增量，可能會(huì)連續(xù)進(jìn)行超過(guò)工作極限而達(dá)到損壞限值或達(dá)到試驗(yàn)箱的最大值。然而，由于受試樣品未能被充分運(yùn)行，將勢(shì)必要減少熱應(yīng)力（例如，返回+20℃，或在+20℃與工作極限間的某個(gè)溫度）在每個(gè)駐留到穩(wěn)定期間，確認(rèn)受試樣品仍保持功能運(yùn)行。所有事件中重要的是工作極限的確定。然而，對(duì)于稀有和昂貴的原型樣品并不建議進(jìn)行損壞極限溫度的認(rèn)定?？稍谳^晚些時(shí)候，當(dāng)產(chǎn)品試樣更易獲得時(shí)，再進(jìn)行損壞極限溫度的認(rèn)定，這樣就降低了樣品的開銷。

2.2 快速溫度轉(zhuǎn)換應(yīng)力試驗(yàn)（見圖2）

2.2.1 除非遇到破壞性失效，至少應(yīng)進(jìn)行3個(gè)溫度循環(huán)。溫度轉(zhuǎn)換試驗(yàn)以可以達(dá)到的最大的變化速率進(jìn)行。考慮到試驗(yàn)時(shí)間的可用性及某一樣品的物理特性，快速溫度轉(zhuǎn)換將發(fā)生在HALT程序中溫度-振動(dòng)混合作用的部分，跳過(guò)這一步是合理的。然而，快速溫度轉(zhuǎn)換循環(huán)仍被推薦進(jìn)行，在任何可能時(shí)間，盡管在試驗(yàn)序列的溫度-振動(dòng)混合部分期間這些溫度循環(huán)識(shí)別其斜坡率的靈敏度可能會(huì)受到振動(dòng)的掩蓋。

圖1 溫度應(yīng)力步進(jìn)-溫度曲線

圖2 快速溫度轉(zhuǎn)換試驗(yàn)-溫度曲線

2.2.2 除特殊環(huán)境應(yīng)用外，溫度循環(huán)范圍應(yīng)是溫度步進(jìn)應(yīng)力期間發(fā)現(xiàn)的下限溫度工作限值合上限溫度工作限值的5℃的范圍內(nèi)。例如，如果下限溫度工作限值確定為-50℃；上限溫度工作限值確定為+100℃，倘若不存在特殊情況，可容許的最小溫度轉(zhuǎn)變范圍應(yīng)該為-45℃至+95℃。有一種特殊情況是當(dāng)材料的金相變化的溫度接近工作溫度極限。當(dāng)有塑料元件必須留在受試樣品中經(jīng)歷試驗(yàn)，就出現(xiàn)這種例外。溫度上限應(yīng)降低以確保箱內(nèi)溫度的超出不會(huì)造成塑料元件融化或卷曲而導(dǎo)致受試樣品出現(xiàn)故障。例如，如果電子器件的塑料殼體被保留，溫度范圍可降至-45℃至+90℃。

2.2.3 在樣品上的響應(yīng)熱電偶測(cè)得溫度在設(shè)定點(diǎn)穩(wěn)定后，溫度駐留時(shí)間至少5min。對(duì)較大質(zhì)量部件，溫度駐留時(shí)間至少應(yīng)增加到使其至少達(dá)到溫度上限的80%。

2.2.4 在樣品暴露于溫度轉(zhuǎn)換（斜坡）步段的期間，若有可能，連續(xù)實(shí)施 功能測(cè)試，判斷是否存在熱敏感率問(wèn)題。

2.3 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

2.3.1 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)起始于1g r ms 至 10g rms箱內(nèi)設(shè)置點(diǎn)，以2Hz至2000Hz測(cè)量，或較大帶寬（推薦5Grms）且以1g rms 步增至 10g rms（推薦5g rms步長(zhǎng)）為步長(zhǎng)增量進(jìn)行，一段駐留時(shí)間后完成并在隨后進(jìn)行功能測(cè)試。詳見圖3。

2.3.2 振動(dòng)每個(gè)量級(jí)的駐留 時(shí)間至少10min。功能檢測(cè)在10min駐留之后進(jìn)行。因而每個(gè)振動(dòng)量級(jí)上駐留的總時(shí)間則由樣品的功能測(cè)試運(yùn)行周期的時(shí)長(zhǎng)決定。注，功能測(cè)試應(yīng)在步長(zhǎng)期間進(jìn)行；然而也必須能在最短時(shí)間即10min的停頓時(shí)間結(jié)束時(shí)完成。

2.3.3 每個(gè)振動(dòng)步階結(jié)束后推薦返回到“騷癢振動(dòng)量級(jí)”(5±3)Grms，以檢出在高一級(jí)振動(dòng) 量級(jí)中被極端應(yīng)力隱藏的潛在失效。以此方法可明顯地提高焊料接點(diǎn)斷裂的檢出。

2.3.4 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行，直到受試樣品的工作極限，或達(dá)到試驗(yàn)箱的最大值。

2.3.5 一旦工作極限確定，步進(jìn)式的振動(dòng)應(yīng)力程序按前面規(guī)定的增量超過(guò)工作極限而達(dá)到損壞限值或達(dá)到試驗(yàn)箱的最大值。然而，由于受試樣品未充分運(yùn)行，在每個(gè)停頓期間返回到“騷癢量值振動(dòng)”就尤為重要，確認(rèn)受試樣品仍保持功能運(yùn)行。

2.4 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)（見圖4和圖5）

2.4.1 除非遇到受試樣品破壞性的失效，至少應(yīng)完成所有5個(gè)綜合環(huán)境循環(huán)。

2.4.2 綜合環(huán)境試驗(yàn)的溫度曲線在溫度工作極限范圍內(nèi)循環(huán)進(jìn)行（或修正的工作極限，當(dāng)如塑料軟化等特殊情況存在時(shí)）。修正的工作極限縮小了溫度范圍，從而確保箱內(nèi)溫度不至導(dǎo)致受試樣品破壞性的失效。在每個(gè)溫度極限值上的停留時(shí)間至少為10min。

2.4.3 要求的5個(gè)循環(huán)的起始振動(dòng)量級(jí)按振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中最大量級(jí)1/5確定。振動(dòng)量值以相同量值隨之后的每個(gè)溫度循環(huán)增加（例如，受試樣品在振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中于35g rms發(fā)生破壞性的失效，則起始的振動(dòng)量級(jí)可為7g rms。在每個(gè)完成的溫度循環(huán)之后振動(dòng)量級(jí)將以7g rms為增量遞增，即，第1循環(huán)為7g rms；第2循環(huán)為14g rms；第3循環(huán)為21g rms；第4循環(huán)為28g rms；第5循環(huán)為35g rms）。如果在振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中未出現(xiàn)破壞極限，則將最大振動(dòng)量值分成5份。注：可以使用更小的起始量值和增量步階。

圖3 振動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)推薦曲線

圖4 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)曲線-溫度℃（紅）和振動(dòng)g rms（藍(lán)）

2.4.4 每個(gè)振動(dòng)步階結(jié)束后推薦返回到“騷癢振動(dòng)量級(jí)”(5±3)Grms，以檢出在高一振動(dòng)量級(jí)中被極端力隱藏的潛在失效。

2.4.5 要求在試驗(yàn)循環(huán)的所有駐留段對(duì)受試樣品進(jìn)行功能測(cè)試。駐留段是可相應(yīng)延長(zhǎng)的，延長(zhǎng)到功能測(cè)試的時(shí)長(zhǎng)。功能測(cè)試應(yīng)在步長(zhǎng)期間進(jìn)行；然而也必須能在最短時(shí)間即10min的駐留段結(jié)束時(shí)完成。

3 試驗(yàn)管理活動(dòng)

HALT在產(chǎn)品從研發(fā)到實(shí)用過(guò)程中，是驗(yàn)證、評(píng)估，改進(jìn)的依據(jù)；在量產(chǎn)和持續(xù)供貨階段，HASS/HASA采用的試驗(yàn)方法。因此，HALT是實(shí)驗(yàn)室手段，是整個(gè)產(chǎn)品適用性管理的一個(gè)環(huán)節(jié)。HALT的試驗(yàn)要素和嚴(yán)酷度等級(jí)以及判定規(guī)則是由一個(gè)相對(duì)固定的團(tuán)隊(duì)來(lái)設(shè)計(jì)完成的。

1）失效分析，分析確定失效的原因和決定終止實(shí)驗(yàn)。

2）定期機(jī)制（如每個(gè)月），定義HALT測(cè)試要求、評(píng)價(jià)過(guò)去HALT結(jié)果，并修訂后續(xù)的試驗(yàn)計(jì)劃。會(huì)議記錄應(yīng)保留會(huì)議中所有決議。這些會(huì)議應(yīng)在產(chǎn)品HALT試前或試后召開。

3）HALT前議程，討論包括定義HALT試驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書，對(duì)受試產(chǎn)品的功能要求，受試產(chǎn)品的安裝方法，帶有熱電偶和加速度計(jì)的監(jiān)視器在產(chǎn)品元件和/或位置設(shè)置。

4）HALT后會(huì)議，回顧HALT試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)，包括失效情況和糾正措施計(jì)劃的討論。

5）試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)有一位技術(shù)管理人員，對(duì)HALT試驗(yàn)區(qū)域的技術(shù)操作全面負(fù)責(zé)。

4 試驗(yàn)細(xì)節(jié)綜述

4.1 確保熱電偶（產(chǎn)品熱電偶）正確地布置在受試樣品上，為試驗(yàn)箱溫度設(shè)定點(diǎn)的調(diào)整提供參照。該熱電偶被用于HALT控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋溫度測(cè)量以達(dá)到箱體溫度控制。產(chǎn)品熱電偶應(yīng)精確地安置于接近樣品平均溫度的位置。產(chǎn)品熱電偶的位置應(yīng)在受試樣品的暴露表面，更適合在相對(duì)較低熱重的區(qū)域。該熱電偶應(yīng)避免放置在發(fā)熱元件上或靠近發(fā)熱元件，也不應(yīng)放在產(chǎn)品完全封閉的部分內(nèi)部。典型的位置可以是在大的不發(fā)熱片狀物的頂部。熱電偶線應(yīng)用帶有硅膠粘合劑的聚酰亞胺薄膜條貼在線路板上，并將熱電偶用膠水粘貼到片狀物上，使用熱傳導(dǎo)線鎖定貼牢。熱電偶與產(chǎn)品電路用聚酰亞胺帶進(jìn)行絕緣。在熱電偶的頂部應(yīng)覆蓋帶黏性的覆蓋材料，確保測(cè)量的是板的溫度而非熱電偶上穿過(guò)空氣的溫度。記錄熱電偶布置情況，用于進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)時(shí)最小化差異。推薦用照相記錄。

4.2 使用適當(dāng)測(cè)試夾具將受試樣品在振動(dòng)臺(tái)上固定好，使熱量和振動(dòng)能量最大化轉(zhuǎn)移到受試樣品。目的是激發(fā)受試樣品加速疲勞損壞和揭示產(chǎn)品的弱點(diǎn)。因此，將最大應(yīng)力對(duì)于產(chǎn)品最優(yōu)化施加是最為有利的。

4.3 對(duì)產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行估計(jì)，可以精確地用試驗(yàn)箱適當(dāng)?shù)貙?duì)受試樣品施加應(yīng)力。

圖5 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)曲線設(shè)定的截屏示例(本試驗(yàn)方案與圖4 不對(duì)應(yīng))

4.4 受試樣品的溫度轉(zhuǎn)換速率可通過(guò)減少受試樣品的覆蓋物得以提高?？梢砸瞥案癫ＡВw子或在遮蔽物上開孔。

4.5 受試樣品上的響應(yīng)熱電偶用于充分地評(píng)估樣品對(duì)所處的溫度環(huán)境的響應(yīng)。實(shí)例包括熱傳導(dǎo)敏感部件、設(shè)計(jì)用于對(duì)溫度有良好反應(yīng)的部件，以及在樣品大質(zhì)量部件上提供其達(dá)到溫度穩(wěn)定所需的駐留時(shí)間的測(cè)量。

4.6 在受試樣品上至少固定1個(gè)響應(yīng)加速度計(jì)。加速度計(jì)用腈基丙烯酸酯粘合劑（強(qiáng)力膠）或熱熔膠粘接。這個(gè)要求須在進(jìn)行HALT振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力之前完成。記錄加速度計(jì)的布置情況，用于進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)時(shí)最小化差異。推薦用照相記錄。

4.7 功能測(cè)試要求

受試樣品的功能測(cè)試應(yīng)應(yīng)能充分暴露樣品性能和發(fā)現(xiàn)多種失效模式。測(cè)試必須運(yùn)用產(chǎn)品的主要功能，使用反饋法測(cè)試這些功能的表現(xiàn)。功能測(cè)試的目標(biāo)是達(dá)到受試樣品的100%試驗(yàn)覆蓋，或盡可能完整的試驗(yàn)覆蓋。

4.8 產(chǎn)品特性應(yīng)力

這些應(yīng)力對(duì)于受試產(chǎn)品是特定的，并在每個(gè)步進(jìn)應(yīng)力期間施加，用以提高額外失效突發(fā)性和檢出。這些應(yīng)力應(yīng)包括循環(huán)加載；也可能包括故意變換線電壓、線頻；直流（DC）供電電壓；板上振蕩器頻率；輸出負(fù)載；以及所有其它可能的情況。這些產(chǎn)品特性應(yīng)力組合在一起加載到功能測(cè)試中，并在貫穿HALT過(guò)程中的每一個(gè)應(yīng)力階段執(zhí)行。

4.9 應(yīng)記錄受試樣品在試驗(yàn)的功能測(cè)試信息

記錄應(yīng)提供測(cè)試覆蓋范圍數(shù)量的設(shè)定，用百分比表示，也包括試驗(yàn)進(jìn)行的詳細(xì)描述，以指明產(chǎn)品試驗(yàn)了什么又是怎樣進(jìn)行的。記錄還應(yīng)提供HALT試前會(huì)議中所定義的功能測(cè)試目標(biāo)是如何被實(shí)現(xiàn)的證明。

4.10 HALT前作業(yè)程序

如適用，受試樣品應(yīng)經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)功能測(cè)試循環(huán)，以證實(shí)試驗(yàn)裝設(shè)的完整性，并獲得受試樣品的性能基線信息。

4.11 在施加每個(gè)量級(jí)的應(yīng)力時(shí)，在受試樣品上都要進(jìn)行功能測(cè)試以評(píng)判樣品的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。詳細(xì)記錄樣品發(fā)生退化的情況和發(fā)生的條件，包括樣品的運(yùn)行和樣品損壞的限度，以及所有重要的注解。

5 結(jié)論

高加速壽命試驗(yàn)（HALT）是通過(guò)設(shè)定的試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)，用規(guī)定的試驗(yàn)方法，檢出產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的忍受程度。也就是明確產(chǎn)品的使用極限，以及暴露可能出現(xiàn)的缺陷。其理念與可靠性試驗(yàn)的理念并不相同。通過(guò)HALT試驗(yàn)，跟進(jìn)高加速應(yīng)力篩選（HASS）和稽核（HASA）可以幫助企業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出可預(yù)期壽命的“成熟”產(chǎn)品。

[1]王德言,環(huán)境技術(shù)與可靠性技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向[J].環(huán)境技術(shù),2013(S2): 01-06.

[2]GMW 8287, Highly Accelerated Life Testing (HALT) Highly Accelerated Stress Screening and Auditing[S].

[3]盧兆明,道路車輛 電氣及電子裝備的環(huán)境試驗(yàn)和要求[M].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

[4]Gregg K. Hobbs. Accelerated Reliability Engineering[M].John Wiley & Sons, 2000.

[5]Jack A. Collins,John Wiley. Failure Of Materials In Mechanical Design[M]. Wiley-Interscience, 1993.