張玲， 羅雨薇， 邱忠文

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

0 引言

當今社會， 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)的可靠性試驗是“通過型測試”， 其設計裕度并不高， 已遠落后于社會技術發(fā)展[1]。 如何找出產(chǎn)品在設計和生產(chǎn)過程中的缺陷， 并最大限度地提高產(chǎn)品的可靠性， 已成為可靠性試驗技術領域的一個重要研究內(nèi)容。 近年來， 國內(nèi)外機構不斷地開展和發(fā)展加速壽命試驗、 環(huán)境應力試驗、 高加速壽命試驗（HALT： Highly Accelerated Life Test） 和高加速應力篩選（HASS： Highly Accelerated Stress Screen）試驗等環(huán)境試驗和加速環(huán)境試驗技術， 為評估產(chǎn)品的設計和制造質(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 高加速試驗技術概述

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

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

1.1 高加速壽命試驗概述

1988 年， 霍布斯G.K.首次提出了基于故障物理學的HALT， HALT 研究的主要對象是產(chǎn)品在研發(fā)過程中出現(xiàn)的故障或失效現(xiàn)象， 對工藝和材料中暴露的缺陷進行分析和改進， 通過步進遞增的方式來施加模擬環(huán)境應力， 達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 最大的特點是， 在實施過程中， 產(chǎn)品所承受的環(huán)境應力遠高于產(chǎn)品設計的正常環(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間， 也為HASS 試驗選擇應力的類型和強度提供了依據(jù)。

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

1.2 高加速應力篩選概述

傳統(tǒng)的環(huán)境應力篩選 （ESS： Environmental Stress Screening） 因試驗時間長、 占用試驗設備多、 費用高等缺點成為制約大批量快速生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本的關鍵[3]。 傳統(tǒng)ESS 的應力水平尚不夠高， 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。 因此必須進行高強度的ESS， 特別是HASS。

2 實施HALT 和HASS 的主要過程

2.1 HALT 實施過程

2.1.1 HALT 試驗的基本流程

HALT 方案的試驗流程如圖1 所示。 首先， 要確定進行HALT 的產(chǎn)品， 設計合適的試驗夾具， 依次步進地施加應力； 然后， 通過測試相應的參數(shù)， 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的缺陷， 進行改進， 不斷重復該過程，直到應力施加到工作極限或破壞極限才停止試驗。

圖1 HALT 試驗流程圖

2.1.2 HALT 應力剖面設計

HALT 常用的應力種類有： 溫度（高溫、 低溫、 快速溫度變化）、 振動和電應力（拉偏和通、斷電） 等。 HALT 用于某一產(chǎn)品的最大應力量值，不能事先確定， 要在施加步進應力過程中逐漸地確定， 其基本原則是： 激發(fā)出的缺陷在設計、 工藝和材料上已無法進行改正， 即已達到“技術基本極限” 時的應力； 步進應力試驗進行到計劃和/或時間（速度） 資源不允許繼續(xù)時的應力或設備最大能力； 人為設置的某一高應力做為極限， 雖然沒有達到“技術基本極限”， 通過加大HALT 應力， 可以提高發(fā)現(xiàn)故障模式的復蓋率以減少樣本， 從而減少費用。 從對受試產(chǎn)品施加的應力來看， HALT 試驗包含溫度步進應力試驗、 快速溫變試驗、 振動試驗和綜合應力試驗。 HALT 試驗應力剖面的制定及參數(shù)的確定應基于產(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摸底得出。 摸底試驗應采用步進的方式逐步地增大， 應力類型應是器件的各種敏感應力及應力組合。 若綜合應力摸底試驗實施難度太大， 可將應力組合作適當?shù)暮喕?/p>

例如： 進行機械摸底試驗時（如圖2 所示），試驗從起始量級G0開始， 以恒定步長逐步地提高，當量級步進至g2且此時樣品失效， 則降低量級使樣品恢復正常， 記錄恢復時的量級為g1； 降低步長， 將量級繼續(xù)步進增加至g3， 使樣品失效， 再次降低量級至g1， 若樣品恢復正常， 則g1為樣品工作極限GH； 繼續(xù)進行步進和恢復， 直至量級步進至gn， 且發(fā)生不可逆失效時停止， 則gn為樣品的破壞極限Gb[8]。

圖2 摸底機械試驗剖面

在進行摸底試驗時， 當應力增大到一定程度后， 應適當?shù)販p小步進值， 采取保守的施加方式探索其極限值， 由于產(chǎn)品存在個體差異， 故各個極限值應選擇試驗得出數(shù)據(jù)的最小值； 若應力施加至設備能力極限仍然沒有獲得試驗產(chǎn)品的極限時， 則應選擇設備極限值作為產(chǎn)品極限。 HALT 的效果不僅取決于所選應力的類型、 大小、 持續(xù)時間和敏感度， 還取決于檢測出被測產(chǎn)品故障的能力和及時性， 功能監(jiān)測和性能測量的完整性和準確性。 在實施HALT 過程中， 對產(chǎn)品測試時， 需要對其功能和性能進行檢查、 測量和記錄， 其主要解決方法是對產(chǎn)品進行實時在線監(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 工作應力極限（OL） 和破壞應力極限（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）、 確定振動極限（如常用剖面， 50%DL）， 根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范確定其他應力極限。

b） 設計HASS 初步方案： 1） 選用合適的HASS 箱； 2） 設計夾具， 所設計的夾具應具有剛性好、 重量輕和熱慣性低等優(yōu)點， 需考慮產(chǎn)品邊界條件； 3） 進行驗證篩選（POS）， 首先， 需驗證HASS 方案的有效性， 具體方法為植入缺陷， 進行HASS 暴露出所有的植入缺陷， 若不能實現(xiàn)， 則評估植入裝置， 重復該過程； 其次， 驗證安全性。

c） 壽命權衡， 結合夾具特性進行， 每個安裝位置均用新產(chǎn)品運行HASS 方案， 至少運行10 次；若產(chǎn)品在POS 驗證中遭到破壞， 則適當?shù)亟档蛻κ巩a(chǎn)品不被破壞。

d） 將上述得到的HASS 方案用于生產(chǎn)運行一段時間， 進行調(diào)整篩選最優(yōu)化， 收集數(shù)據(jù)， 確認故障發(fā)生在第幾個綜合應力循環(huán)， 考慮確保用一個循環(huán)就能激發(fā)所有故障需增加的應力， 同時考慮現(xiàn)場和內(nèi)場的故障情況， 重復步驟c）。

e） 確定最終HASS 方案。

2.2.2 HASS 應力剖面設計

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)品潛在缺陷的應力[9-10]， 而隨機振動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力， 常用來作為HASS 試驗的應力。 在施加這兩種類型的應力時， 其強度一般要求遠遠地大于產(chǎn)品在實際儲存、轉(zhuǎn)移和使用過程中可能遇到的任何最大應力強度。HASS 的首要設計原則是通過提高應力， 以極大地壓縮HASS 時間。 通常來說溫度循環(huán)： 高、 低溫值一般取上下工作應力的80%～85%， 溫變率大于30 ℃/min， 進行2～3 個循環(huán)； 高、 低溫臺階上的停留時間只需能完成產(chǎn)品的功能、 性能檢測或達到溫度穩(wěn)定即可（長者為準）， 一般規(guī)定為10 min；振動應力： 取振動破壞極限的50%。 根據(jù)產(chǎn)品的特點和其他情況， 對已確定的這些環(huán)境參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整。 對于強度退化導致的耗損故障， 可以通過提高應力在短時間內(nèi)快速地暴露耗損故障， 是HASS 試驗時間壓縮的基本原理。 HASS 的應力范圍如圖4 所示。

圖4 HASS 應力范圍

3 HALT 和HASS 試驗的應用

HALT 主要用于電子產(chǎn)品、 機電產(chǎn)品、 光電產(chǎn)品和機械產(chǎn)品， 從較低層次的組裝等級產(chǎn)品逐級地應用， 更便于監(jiān)視和尋找故障， 以及后期設計改進， 若低層次產(chǎn)品在進行過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， 得到的應力極限越正確，可以通過提高應力量值的方式來減少樣本數(shù)量。 喬建軍[11]等人對一種飛機剎車控制裝置進行了研究， 估算了HALT 應力對其的作用時間， 并和第一個周轉(zhuǎn)期中的使用應力的作用時間做了對比分析，實現(xiàn)了利用HALT 得到的數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進行壽命和可靠性評估的目的； 王強[12]等人將HALT 應用于某發(fā)動機控制器 （ECU）， 經(jīng)過兩輪次試驗， 對HALT 的實際效果進行了評估， 提高了ECU 的溫度和振動極限， 且溫度循環(huán)和復合應力在規(guī)定的周期數(shù)內(nèi)均未出現(xiàn)失效， 證實HALT 能夠在降低時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， 如果沒有進行生產(chǎn)過程控制和記錄統(tǒng)計， 且未達到穩(wěn)定狀態(tài)， 則涉及該批次的所有產(chǎn)品均需進行HASS 試驗。 在HASS 試驗過程中， 將使用比產(chǎn)品正常使用經(jīng)受到的或遠高于產(chǎn)品設計規(guī)范中規(guī)定的應力進行篩選， 剔除早期缺陷。 但是， HASS 試驗并不適用于所有的產(chǎn)品，一方面， 需要花費大量的人力、 物力才能實現(xiàn)和完成； 另一方面， 產(chǎn)品如果在經(jīng)過設計階段、 制造階段和HALT 以后， 已經(jīng)達到了可靠性要求， 就無需再進行HASS 試驗[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 試驗的應力強度和類型沒有統(tǒng)一的標準， 應根據(jù)產(chǎn)品各自的特點， 選擇合適的產(chǎn)品應力類型和應力值。 王艷玲[14]等人， 開展了以航天地面電源為研究對象的HALT 的應用研究， 通過對傳統(tǒng)的可靠性試驗和HALT 結果的分析比較， 證明了高加速試驗的絕對優(yōu)勢； 基于雙余度永磁同步發(fā)電機可靠性高、 壽命長的特點， 張永勝[15]等人，開展了對電機的加速壽命試驗研究， 并建立雙余度永磁同步發(fā)電機的多應力加速壽命分布模型； 實踐證明， 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， 達到提高產(chǎn)品現(xiàn)場可靠性的目的。

4 結束語

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