李一鵬

（蘇州東菱振動試驗(yàn)儀器有限公司，蘇州 215163）

前言

高加速壽命試驗(yàn)(HALT)和高加速應(yīng)力篩選(HASS)是可靠性環(huán)境試驗(yàn)的兩種試驗(yàn)方法。高加速壽命試驗(yàn)多針對設(shè)計(jì)過程驗(yàn)證，HASS主要針對生產(chǎn)過程，多用于電子產(chǎn)品的缺陷篩選及壽命測試。早期HALT&HASS主要針對美國軍方產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與產(chǎn)品篩選，現(xiàn)在該方式已成為很多公司新產(chǎn)品上市前必需通過的驗(yàn)證， 同時(shí)也成為美國電子類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證方式。

一方面，產(chǎn)品在量產(chǎn)后所承受的環(huán)境應(yīng)力，與傳統(tǒng)模擬試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的環(huán)境應(yīng)力相當(dāng)，最多在考核產(chǎn)品耐環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，適當(dāng)提高一個(gè)試驗(yàn)裕度。通過這種思路及方法驗(yàn)證過的產(chǎn)品，按理說應(yīng)該很少出故障，其環(huán)境適應(yīng)性和可靠性可以令人滿意，但實(shí)際情況卻是：許多產(chǎn)品順利通過了設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)和生產(chǎn)驗(yàn)收試驗(yàn)， 其返修率及失效率依然很高，使得產(chǎn)品得不到充分的環(huán)境模擬驗(yàn)證及可靠性保障。

另一方面，隨著社會對產(chǎn)品可靠性要求越來越高，其可靠性驗(yàn)證所花費(fèi)的時(shí)間也將會越來越長。從而導(dǎo)致研發(fā)周期的加長，同時(shí)也增加了研發(fā)成本，最終引起產(chǎn)品競爭力下降。表1為HALT與傳統(tǒng)模擬試驗(yàn)的比較。

可見， HALT&HASS是一種先行作用的，用于尋找改進(jìn)產(chǎn)品可靠性的方法，而大多數(shù)傳統(tǒng)方法的目的是測量產(chǎn)品可靠性，而不是改進(jìn)產(chǎn)品可靠性。使用HALT 的好處包括：迅速獲得成熟的產(chǎn)品，加快投產(chǎn)速度，更高的產(chǎn)品質(zhì)量裕度等。使用HASS的好處包括：快速篩選產(chǎn)品缺陷，降低產(chǎn)品故障率，明顯提高用戶滿意度等。

1 HALT&HASS 的主要工作內(nèi)容

HALT&HASS的主要幾項(xiàng)工作流程圖如圖1。

這幾項(xiàng)工作中，為了更好地完成HALT&HASS過程，前6項(xiàng)工作是必須完成的，而第7項(xiàng)工作可以為未來的產(chǎn)品帶來長期的改進(jìn)。這幾項(xiàng)主要工作大致內(nèi)容介紹如下：

表1 HALT 與傳統(tǒng)模擬試驗(yàn)比較

1.1 初期設(shè)定的預(yù)應(yīng)力值與應(yīng)力控制過程：預(yù)應(yīng)力應(yīng)設(shè)定在產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力裕度內(nèi)，一旦確定在該應(yīng)力條件下不能激出產(chǎn)品缺陷，應(yīng)該適當(dāng)提高施加的應(yīng)力裕度，使其接近產(chǎn)品的破壞裕度上限。在某些高要求的產(chǎn)品試驗(yàn)中，甚至允許適當(dāng)超出產(chǎn)品的破壞裕度。

1.2 析出：即是將潛在的缺陷變?yōu)槊黠@的或可檢測的缺陷。析出通常是在HALT中或析出篩選中完成的。

1.3 檢測和故障分析： 檢測和故障分析意味著確定故障位置，并確定故障產(chǎn)生原因。例如，在PCB板焊點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，我們需要確定出現(xiàn)焊點(diǎn)故障的原因。如果進(jìn)行HALT&HASS試驗(yàn)，該焊點(diǎn)會因熱膨脹系數(shù)匹配不良而產(chǎn)生極值應(yīng)力，從而析出故障點(diǎn)并確定解決措施。

1.4 糾正措施及糾正措施驗(yàn)證： 糾正措施意味著更改相應(yīng)的設(shè)計(jì)及工藝，使未來不再發(fā)生故障，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。而糾正措施驗(yàn)證意味著出現(xiàn)的問題可浮現(xiàn)，如果缺陷得到多次復(fù)現(xiàn)確認(rèn)，相應(yīng)的故障就有了不再發(fā)生的可能性。同時(shí)，將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，不但可以從該數(shù)據(jù)庫中獲得寶貴的知識，還能避免未來產(chǎn)品再次發(fā)生類似事件。

圖1 HALT&HASS 主要工作流程圖

2 HALT&HASS 應(yīng)力源設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)階段常用的HALT&HASS試驗(yàn)系統(tǒng)主要由兩大應(yīng)力源構(gòu)成，即振動壓力源和溫度應(yīng)力源，下面我們分別討論這兩種應(yīng)力源的基本設(shè)計(jì)原理及過程。

2.1 振動應(yīng)力源的設(shè)計(jì)分析

常用的振動應(yīng)力源包括機(jī)械振動臺、電動振動臺、液壓振動臺、壓電式振動臺等，其通用特性比較如表2。

通過表2可知，機(jī)械振動系統(tǒng)是在一個(gè)頻率上激勵(lì)一個(gè)方向，在HALT&HASS應(yīng)用中，這幾乎是一個(gè)無用的系統(tǒng)，因?yàn)檫@種振動臺建立的振動概率密度不會超過2倍的Grms量值的平方根。

液壓振動臺具有大功率，大位移的優(yōu)點(diǎn)。但頻響低的特點(diǎn)限制了其在HALT&HASS試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用面，現(xiàn)多用于針對大推力，低頻響類HALT&HASS試驗(yàn)的振動激勵(lì)源，例如，重卡的極端道路試驗(yàn)驗(yàn)證。

表2 振動應(yīng)力源比較

電動振動臺有很多優(yōu)點(diǎn)，包括良好的譜型控制，但這在HALT&HASS試驗(yàn)中是不必要的，其缺點(diǎn)是成本高，長時(shí)間運(yùn)行可靠性較差以及振動臺附近磁場較高等，一般不用做HALT&HASS試驗(yàn)系統(tǒng)的振動應(yīng)力源。

HALT&HASS試驗(yàn)系統(tǒng)一般使用氣動沖擊激勵(lì)式全軸向振動臺(簡稱氣動式振動臺)作為其振動應(yīng)力源，其可以產(chǎn)生高的加速度峰值，頻率響應(yīng)達(dá)到上萬Hz，且成本低廉。下面我們來討論氣動振動臺的設(shè)計(jì)。如圖2，氣動式振動臺一般有振動子系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)，輔助設(shè)備三部分組成。

振動子系統(tǒng)包括氣錘和臺板，由接地彈簧支撐，臺板下方多個(gè)位置分別從不同角度安裝氣錘，當(dāng)給氣錘通入一定壓力的氣體時(shí)，氣錘將產(chǎn)生原始激勵(lì)信號并激勵(lì)上部臺板，最終在臺板上表面得到試件的振動激勵(lì)。由此可知，該設(shè)備振動激勵(lì)的能譜優(yōu)化與氣錘及臺板的動力優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)系密切。

國外常用的氣錘有以下三種：等軸式活塞氣錘、階梯式活塞氣錘以及浮動式隨機(jī)振動氣錘，見圖3。

等軸式活塞氣錘具有結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但需求的工作壓力較高；階梯式活塞氣錘的能譜特性較優(yōu)于等軸式，需求氣壓低，是目前普遍采用的氣錘類型之一；浮動式隨機(jī)振動氣錘的原始激勵(lì)信號的能譜特性較前者有改善，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，還需要繼續(xù)優(yōu)化。

臺板動力特性的優(yōu)化可以更好地解決其動力學(xué)傳遞特性。目前，某公司選用先進(jìn)的合金材料，設(shè)計(jì)加工了系列結(jié)構(gòu)新臺面，見圖4。該公司的例行測試表明，該類加筋夾層臺板具有良好的動力學(xué)傳遞特性。

控制子系統(tǒng)一般由PLC（可編程邏輯控制器）、電氣比例閥、加速度傳感器、信號分析儀以及控制計(jì)算機(jī)組成。該部分的主要功能是對臺面上的振動激勵(lì)進(jìn)行控制以滿足振動強(qiáng)化試驗(yàn)要求。輔助系統(tǒng)包括空壓機(jī)，氣路轉(zhuǎn)換接頭，分配器以及輔助管路等，該部分的主要功能是為氣錘的正常工作提供動力。如圖5所示。

從圖中可知，控制計(jì)算機(jī)通過脈沖或者模擬式控制接口，給PLC發(fā)送一個(gè)目標(biāo)控制量級(即一個(gè)目標(biāo)控制加速度均方根值)，PLC根據(jù)該量級調(diào)節(jié)電氣比例閥的開口大小，控制壓縮空氣進(jìn)入氣錘的氣壓大小，從而控制臺面上的振動激勵(lì)量級。通過加速度傳感器實(shí)時(shí)采集臺面的振動信號后，送入信號分析儀進(jìn)行歸一化處理，接著計(jì)算該信號的均方根值并將該均方根值提供給PLC，以此逐步調(diào)整臺面的實(shí)際振動量級與目標(biāo)控制量級之間的差異，最終達(dá)到實(shí)際振動量級與目標(biāo)控制量級之差小于預(yù)先給定的容差范圍。

圖2 氣動式振動臺示意圖

圖3 (從左到右)分別為等軸式, 階梯式,浮動式氣錘

圖4 某公司臺板

圖5 氣動式振動應(yīng)力源工作原理圖

2.2 溫度應(yīng)力源的設(shè)計(jì)分析

常用的溫度應(yīng)力源有兩種類型：壓縮機(jī)(機(jī)械制冷)冷卻和液氮冷卻配合電加熱。機(jī)械制冷一般包括家用空調(diào)，溫度環(huán)境試驗(yàn)箱等，該類溫度應(yīng)力源具有溫度穩(wěn)態(tài)性能好的特點(diǎn)，但是其溫度變化速率有限，單位溫度變化速率的制冷成本高，且可靠性沒有液氮制冷好。當(dāng)要求高速率的熱循環(huán)時(shí)，一般采用液氮冷卻配合電加熱的形式。這兩種類型的溫度應(yīng)力源特性比較見表3。

液氮冷卻配合電加熱形式的溫度應(yīng)力源其溫度變化速率目前已經(jīng)達(dá)到了200℃/min，可以滿足絕大部分溫度變換速率敏感類缺陷的要求。該類型溫度應(yīng)力源的控制框圖如圖6所示。

從圖中可知道，整個(gè)溫度應(yīng)力源均以PLC為控制核心。安裝了安全泄放回路的液氮源通過安全電磁閥及調(diào)壓閥后，作用到HALT&HASS試驗(yàn)箱。同時(shí)電加熱源經(jīng)過加熱控制裝置控制電加熱絲的加熱溫度，該加熱絲也作用于HALT&HASS試驗(yàn)箱。PLC通過試驗(yàn)要求進(jìn)行邏輯控制，從而確定以下3方面控制要求：1)通過調(diào)節(jié)加熱控制器斬波比實(shí)現(xiàn)加熱升溫的控制。2)通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥的開口比例及開口比例變化率，控制降溫及降溫的變化快慢。3)協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行升降溫的安全控制，并根據(jù)試驗(yàn)條件，決定什么時(shí)候需要升溫，什么時(shí)候需要降溫。

表3 溫度應(yīng)力源比較

圖6 氣動式溫度應(yīng)力源工作原理圖

3 前景分析

HALT&HASS試驗(yàn)系統(tǒng)可以幫助用戶快速找到產(chǎn)品缺陷及提高研發(fā)周期。相關(guān)的HALT&HASS試驗(yàn)設(shè)備在國內(nèi)才起步不久，談不上大面積推廣應(yīng)用，而國外已有多家公司的HALT&HASS試驗(yàn)系統(tǒng)用于實(shí)際產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)與缺陷篩選。而國外的這方面重大設(shè)備長期對中國禁運(yùn)，所以，加快HALT&HASS試驗(yàn)設(shè)備的研制以及理論研究已是當(dāng)務(wù)之急。另外從市場角度出發(fā)，基于中國產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)狀以及廣大的市場應(yīng)用面， HALT&HASS試驗(yàn)設(shè)備必將在國內(nèi)有一個(gè)大的需求增長期。

同樣， HALT&HASS試驗(yàn)設(shè)備在多行業(yè)的推廣應(yīng)用也將推動該類試驗(yàn)設(shè)備的快速發(fā)展， 提出新的要求，大量的新型應(yīng)用技術(shù)也會應(yīng)用與該類型設(shè)備，從而對HALT&HASS試驗(yàn)設(shè)備的理論研究與設(shè)備設(shè)計(jì)工作起到促進(jìn)的作用。

[1]祝耀昌，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與高加速壽命試驗(yàn)[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2012.1.

[2]祝耀昌.高加速應(yīng)力篩選(HASS)的基本概念和原理[J].軍用標(biāo)準(zhǔn)化，2012.2.

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[4]蔣培，張春華，陳循，溫熙森.超高斯隨機(jī)振動環(huán)境的疲勞強(qiáng)化機(jī)理[N]國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,3.