基于HALT 和HASS 試驗(yàn)的可靠性技術(shù)發(fā)展概述

張玲， 羅雨薇， 邱忠文

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所， 重慶 400060；2.中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司， 重慶 400060）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)， 電子行業(yè)的競爭環(huán)境越來越激烈，為了最大限度地滿足用戶的需求， 必須在最短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)和生產(chǎn)出高可靠性的產(chǎn)品， 而傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)是“通過型測試”， 其設(shè)計(jì)裕度并不高， 已遠(yuǎn)落后于社會(huì)技術(shù)發(fā)展[1]。 如何找出產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中的缺陷， 并最大限度地提高產(chǎn)品的可靠性， 已成為可靠性試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究內(nèi)容。 近年來， 國內(nèi)外機(jī)構(gòu)不斷地開展和發(fā)展加速壽命試驗(yàn)、 環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)、 高加速壽命試驗(yàn)（HALT： Highly Accelerated Life Test） 和高加速應(yīng)力篩選（HASS： Highly Accelerated Stress Screen）試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)和加速環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)， 為評(píng)估產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量、 揭示產(chǎn)品存在的問題、 提高產(chǎn)品的可靠性提供了有力的工具。

1 高加速試驗(yàn)技術(shù)概述

傳統(tǒng)的環(huán)境試驗(yàn)是在正常應(yīng)力水平下進(jìn)行測試， 這種試驗(yàn)方法花費(fèi)時(shí)間長、 成本高、 效率低且缺陷篩選不夠徹底。 為了克服傳統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)的缺陷， HALT 和HASS 作為一種新的可靠性試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)， 高加速試驗(yàn)采用比產(chǎn)品正常使用條件下所經(jīng)受的更為嚴(yán)酷的試驗(yàn)環(huán)境，獲得比在正常條件下更多的產(chǎn)品信息， 從而有效地評(píng)估產(chǎn)品的壽命[2-3]。

20 世紀(jì)90 年代以來， 隨著海、 陸、 空和電子等領(lǐng)域精密機(jī)電產(chǎn)品的使用越來越廣泛[4]， 作為產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的重要組成部分， HALT 和HASS正在逐漸地被國內(nèi)外的制造行業(yè)接受和認(rèn)可。 目前， 國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域取得了一定的成果， 內(nèi)容涉及試驗(yàn)原理、 方案設(shè)計(jì)與方法、 試驗(yàn)仿真與分析及在不同領(lǐng)域的工程應(yīng)用等[5]。

1.1 高加速壽命試驗(yàn)概述

1988 年， 霍布斯G.K.首次提出了基于故障物理學(xué)的HALT， HALT 研究的主要對(duì)象是產(chǎn)品在研發(fā)過程中出現(xiàn)的故障或失效現(xiàn)象， 對(duì)工藝和材料中暴露的缺陷進(jìn)行分析和改進(jìn)， 通過步進(jìn)遞增的方式來施加模擬環(huán)境應(yīng)力， 達(dá)到加速暴露試樣缺陷和薄弱部位的目的， 從而提高產(chǎn)品可靠性的目的[6]。HALT 最大的特點(diǎn)是， 在實(shí)施過程中， 產(chǎn)品所承受的環(huán)境應(yīng)力遠(yuǎn)高于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的正常環(huán)境條件， 這不僅能夠獲得產(chǎn)品的工作極限和破壞極限， 有效地縮短故障暴露的時(shí)間， 也為HASS 試驗(yàn)選擇應(yīng)力的類型和強(qiáng)度提供了依據(jù)。

通過HALT 的產(chǎn)品的可靠性得到極大的提高，在經(jīng)歷鑒定試驗(yàn)時(shí)， 產(chǎn)品故障率大幅度地降低， 使鑒定試驗(yàn)成為一種形式。 此外， HALT 技術(shù)還極大地降低了產(chǎn)品壽命周期費(fèi)用， 縮短了產(chǎn)品研發(fā)、 設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)和上市周期。

1.2 高加速應(yīng)力篩選概述

傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選 （ESS： Environmental Stress Screening） 因試驗(yàn)時(shí)間長、 占用試驗(yàn)設(shè)備多、 費(fèi)用高等缺點(diǎn)成為制約大批量快速生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵[3]。 傳統(tǒng)ESS 的應(yīng)力水平尚不夠高， 不足以激發(fā)深層次的缺陷， 而產(chǎn)品投入生產(chǎn)后還會(huì)由于生產(chǎn)過程中使用的材料、 元器件、 工藝和制造過程的偏離等引入制造缺陷， 這些缺陷中有些明顯的缺陷可以使用常規(guī)的檢驗(yàn)手段來加以排除，但一些潛在的缺陷則必須通過施加一定的應(yīng)力加以激發(fā)， 變成明顯的缺陷后才可能檢查出來。 因此必須進(jìn)行高強(qiáng)度的ESS， 特別是HASS。

2 實(shí)施HALT 和HASS 的主要過程

2.1 HALT 實(shí)施過程

2.1.1 HALT 試驗(yàn)的基本流程

HALT 方案的試驗(yàn)流程如圖1 所示。 首先， 要確定進(jìn)行HALT 的產(chǎn)品， 設(shè)計(jì)合適的試驗(yàn)夾具， 依次步進(jìn)地施加應(yīng)力； 然后， 通過測試相應(yīng)的參數(shù)， 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的缺陷， 進(jìn)行改進(jìn)， 不斷重復(fù)該過程，直到應(yīng)力施加到工作極限或破壞極限才停止試驗(yàn)。

圖1 HALT 試驗(yàn)流程圖

2.1.2 HALT 應(yīng)力剖面設(shè)計(jì)

HALT 常用的應(yīng)力種類有： 溫度（高溫、 低溫、 快速溫度變化）、 振動(dòng)和電應(yīng)力（拉偏和通、斷電） 等。 HALT 用于某一產(chǎn)品的最大應(yīng)力量值，不能事先確定， 要在施加步進(jìn)應(yīng)力過程中逐漸地確定， 其基本原則是： 激發(fā)出的缺陷在設(shè)計(jì)、 工藝和材料上已無法進(jìn)行改正， 即已達(dá)到“技術(shù)基本極限” 時(shí)的應(yīng)力； 步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)進(jìn)行到計(jì)劃和/或時(shí)間（速度） 資源不允許繼續(xù)時(shí)的應(yīng)力或設(shè)備最大能力； 人為設(shè)置的某一高應(yīng)力做為極限， 雖然沒有達(dá)到“技術(shù)基本極限”， 通過加大HALT 應(yīng)力， 可以提高發(fā)現(xiàn)故障模式的復(fù)蓋率以減少樣本， 從而減少費(fèi)用。 從對(duì)受試產(chǎn)品施加的應(yīng)力來看， HALT 試驗(yàn)包含溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、 快速溫變?cè)囼?yàn)、 振動(dòng)試驗(yàn)和綜合應(yīng)力試驗(yàn)。 HALT 試驗(yàn)應(yīng)力剖面的制定及參數(shù)的確定應(yīng)基于產(chǎn)品工作極限和破壞極限值[7]，而工作極限和破壞極限必須由試驗(yàn)摸底得出。 摸底試驗(yàn)應(yīng)采用步進(jìn)的方式逐步地增大， 應(yīng)力類型應(yīng)是器件的各種敏感應(yīng)力及應(yīng)力組合。 若綜合應(yīng)力摸底試驗(yàn)實(shí)施難度太大， 可將應(yīng)力組合作適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

例如： 進(jìn)行機(jī)械摸底試驗(yàn)時(shí)（如圖2 所示），試驗(yàn)從起始量級(jí)G0開始， 以恒定步長逐步地提高，當(dāng)量級(jí)步進(jìn)至g2且此時(shí)樣品失效， 則降低量級(jí)使樣品恢復(fù)正常， 記錄恢復(fù)時(shí)的量級(jí)為g1； 降低步長， 將量級(jí)繼續(xù)步進(jìn)增加至g3， 使樣品失效， 再次降低量級(jí)至g1， 若樣品恢復(fù)正常， 則g1為樣品工作極限GH； 繼續(xù)進(jìn)行步進(jìn)和恢復(fù)， 直至量級(jí)步進(jìn)至gn， 且發(fā)生不可逆失效時(shí)停止， 則gn為樣品的破壞極限Gb[8]。

圖2 摸底機(jī)械試驗(yàn)剖面

在進(jìn)行摸底試驗(yàn)時(shí)， 當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度后， 應(yīng)適當(dāng)?shù)販p小步進(jìn)值， 采取保守的施加方式探索其極限值， 由于產(chǎn)品存在個(gè)體差異， 故各個(gè)極限值應(yīng)選擇試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)的最小值； 若應(yīng)力施加至設(shè)備能力極限仍然沒有獲得試驗(yàn)產(chǎn)品的極限時(shí)， 則應(yīng)選擇設(shè)備極限值作為產(chǎn)品極限。 HALT 的效果不僅取決于所選應(yīng)力的類型、 大小、 持續(xù)時(shí)間和敏感度， 還取決于檢測出被測產(chǎn)品故障的能力和及時(shí)性， 功能監(jiān)測和性能測量的完整性和準(zhǔn)確性。 在實(shí)施HALT 過程中， 對(duì)產(chǎn)品測試時(shí)， 需要對(duì)其功能和性能進(jìn)行檢查、 測量和記錄， 其主要解決方法是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

2.2 確定HASS 方案的基本過程

2.2.1 HASS 方案的確定過程

HASS 方案的確定過程如圖3 所示， 具體的步驟如下所述。

圖3 HASS 方案的確定過程

a） 根據(jù)HASS 工作應(yīng)力極限（OL） 和破壞應(yīng)力極限（DL）， 選擇理想剖面或常用剖面、 確定溫度極限（如常用剖面， 80%～85%OL）、 確定振動(dòng)極限（如常用剖面， 50%DL）， 根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范確定其他應(yīng)力極限。

b） 設(shè)計(jì)HASS 初步方案： 1） 選用合適的HASS 箱； 2） 設(shè)計(jì)夾具， 所設(shè)計(jì)的夾具應(yīng)具有剛性好、 重量輕和熱慣性低等優(yōu)點(diǎn)， 需考慮產(chǎn)品邊界條件； 3） 進(jìn)行驗(yàn)證篩選（POS）， 首先， 需驗(yàn)證HASS 方案的有效性， 具體方法為植入缺陷， 進(jìn)行HASS 暴露出所有的植入缺陷， 若不能實(shí)現(xiàn)， 則評(píng)估植入裝置， 重復(fù)該過程； 其次， 驗(yàn)證安全性。

c） 壽命權(quán)衡， 結(jié)合夾具特性進(jìn)行， 每個(gè)安裝位置均用新產(chǎn)品運(yùn)行HASS 方案， 至少運(yùn)行10 次；若產(chǎn)品在POS 驗(yàn)證中遭到破壞， 則適當(dāng)?shù)亟档蛻?yīng)力使產(chǎn)品不被破壞。

d） 將上述得到的HASS 方案用于生產(chǎn)運(yùn)行一段時(shí)間， 進(jìn)行調(diào)整篩選最優(yōu)化， 收集數(shù)據(jù)， 確認(rèn)故障發(fā)生在第幾個(gè)綜合應(yīng)力循環(huán)， 考慮確保用一個(gè)循環(huán)就能激發(fā)所有故障需增加的應(yīng)力， 同時(shí)考慮現(xiàn)場和內(nèi)場的故障情況， 重復(fù)步驟c）。

e） 確定最終HASS 方案。

2.2.2 HASS 應(yīng)力剖面設(shè)計(jì)

將產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過程中引入的潛在缺陷激發(fā)成明顯缺陷并進(jìn)行檢測的過程被稱為HASS。 通常來說， HASS 選擇易激發(fā)并且能夠快速地激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷的應(yīng)力[9-10]， 而隨機(jī)振動(dòng)和快速溫度變化作為最能激發(fā)產(chǎn)品潛在制造缺陷的應(yīng)力， 常用來作為HASS 試驗(yàn)的應(yīng)力。 在施加這兩種類型的應(yīng)力時(shí)， 其強(qiáng)度一般要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于產(chǎn)品在實(shí)際儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移和使用過程中可能遇到的任何最大應(yīng)力強(qiáng)度。HASS 的首要設(shè)計(jì)原則是通過提高應(yīng)力， 以極大地壓縮HASS 時(shí)間。 通常來說溫度循環(huán)： 高、 低溫值一般取上下工作應(yīng)力的80%～85%， 溫變率大于30 ℃/min， 進(jìn)行2～3 個(gè)循環(huán)； 高、 低溫臺(tái)階上的停留時(shí)間只需能完成產(chǎn)品的功能、 性能檢測或達(dá)到溫度穩(wěn)定即可（長者為準(zhǔn)）， 一般規(guī)定為10 min；振動(dòng)應(yīng)力： 取振動(dòng)破壞極限的50%。 根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和其他情況， 對(duì)已確定的這些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 對(duì)于強(qiáng)度退化導(dǎo)致的耗損故障， 可以通過提高應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)快速地暴露耗損故障， 是HASS 試驗(yàn)時(shí)間壓縮的基本原理。 HASS 的應(yīng)力范圍如圖4 所示。

圖4 HASS 應(yīng)力范圍

3 HALT 和HASS 試驗(yàn)的應(yīng)用

HALT 主要用于電子產(chǎn)品、 機(jī)電產(chǎn)品、 光電產(chǎn)品和機(jī)械產(chǎn)品， 從較低層次的組裝等級(jí)產(chǎn)品逐級(jí)地應(yīng)用， 更便于監(jiān)視和尋找故障， 以及后期設(shè)計(jì)改進(jìn)， 若低層次產(chǎn)品在進(jìn)行過HALT 后功能和性能均正常， 便可使用由其組成的更高層次的產(chǎn)品HALT， 以節(jié)省費(fèi)用； 原則上， HALT 用的產(chǎn)品越多， 發(fā)現(xiàn)的缺陷越全面， 得到的應(yīng)力極限越正確，可以通過提高應(yīng)力量值的方式來減少樣本數(shù)量。 喬建軍[11]等人對(duì)一種飛機(jī)剎車控制裝置進(jìn)行了研究， 估算了HALT 應(yīng)力對(duì)其的作用時(shí)間， 并和第一個(gè)周轉(zhuǎn)期中的使用應(yīng)力的作用時(shí)間做了對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)了利用HALT 得到的數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行壽命和可靠性評(píng)估的目的； 王強(qiáng)[12]等人將HALT 應(yīng)用于某發(fā)動(dòng)機(jī)控制器 （ECU）， 經(jīng)過兩輪次試驗(yàn)， 對(duì)HALT 的實(shí)際效果進(jìn)行了評(píng)估， 提高了ECU 的溫度和振動(dòng)極限， 且溫度循環(huán)和復(fù)合應(yīng)力在規(guī)定的周期數(shù)內(nèi)均未出現(xiàn)失效， 證實(shí)HALT 能夠在降低時(shí)間成本和使用樣本數(shù)的前提下， 極大地提高產(chǎn)品裕度。

產(chǎn)品在批量制造過程中， 如果沒有進(jìn)行生產(chǎn)過程控制和記錄統(tǒng)計(jì)， 且未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)， 則涉及該批次的所有產(chǎn)品均需進(jìn)行HASS 試驗(yàn)。 在HASS 試驗(yàn)過程中， 將使用比產(chǎn)品正常使用經(jīng)受到的或遠(yuǎn)高于產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的應(yīng)力進(jìn)行篩選， 剔除早期缺陷。 但是， HASS 試驗(yàn)并不適用于所有的產(chǎn)品，一方面， 需要花費(fèi)大量的人力、 物力才能實(shí)現(xiàn)和完成； 另一方面， 產(chǎn)品如果在經(jīng)過設(shè)計(jì)階段、 制造階段和HALT 以后， 已經(jīng)達(dá)到了可靠性要求， 就無需再進(jìn)行HASS 試驗(yàn)[13]。 由于不同產(chǎn)品的性能不同，其工作極限和失效極限也不同， 因此HALT 和HASS 試驗(yàn)的應(yīng)力強(qiáng)度和類型沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)， 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品各自的特點(diǎn)， 選擇合適的產(chǎn)品應(yīng)力類型和應(yīng)力值。 王艷玲[14]等人， 開展了以航天地面電源為研究對(duì)象的HALT 的應(yīng)用研究， 通過對(duì)傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)和HALT 結(jié)果的分析比較， 證明了高加速試驗(yàn)的絕對(duì)優(yōu)勢； 基于雙余度永磁同步發(fā)電機(jī)可靠性高、 壽命長的特點(diǎn)， 張永勝[15]等人，開展了對(duì)電機(jī)的加速壽命試驗(yàn)研究， 并建立雙余度永磁同步發(fā)電機(jī)的多應(yīng)力加速壽命分布模型； 實(shí)踐證明， 在周期短、 樣本數(shù)少的情況下， HALT 能夠提升樣品的工作極限裕度和破壞極限界限， 達(dá)到提高產(chǎn)品現(xiàn)場可靠性的目的。

4 結(jié)束語

HALT 和HASS 試驗(yàn)技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域受到重視， 與國外相比， 目前我國在HALT 和HASS技術(shù)上還有較大的差距， 我國還尚未有完整的HALT 和HASS 技術(shù)體系。 因此， 需開展HALT 和HASS 技術(shù)的研究， 以提高元器件質(zhì)量和可靠性技術(shù)水平。