高加速寿命试验和高加速应力筛选试验技术综述

樊强

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

1 引言

传统的环境试验和可靠性试验，均是基本模拟试验的范畴，试验应力的考虑都是尽量模拟真实环境，其环境应力与产品未来使用中遇到的应力相当，至多其技术条件中把实测环境应力适当地提高以确保产品耐环境能力有一个合适的余量。虽然如此，仍有许多顺利通过设计阶段鉴定试验和生产阶段验收试验的产品，残留的潜在缺陷仍然很多，使可靠性差和返修频繁，使得保证期费用和维修费用居高不下。另一方面，随着产品可靠性的要求不断提高，产品可靠性试验所需要的时间越来越长。例如，MTBF要求400 h的产品进行可靠性增长试验的时间一般应为其5～25倍，进行可靠性鉴定试验若用常用的第17方案试验时间应为其4.3倍也需要1720 h。时间加长不仅要延长研制周期而且使成本增加，最终使产品价格高，产品竞争力下降。

随着科学技术的发展，现代电子设备的复杂程度越来越高，发展速度也很快，可靠性问题也越来越尖锐，传统的可靠性环境模拟试验已经远远不能赶上现代电子设备发展的步伐。HALT&HASS试验就是在克服环境模拟试验周期长、试验效率低、试验耗费大等缺点的基础上发展起来的一种新的可靠性试验技术。

高加速寿命试验（HALT：Highly Accelerated Life Test）和高加速应力筛选试验（HASS：Highly accelerated Stress Screening） 技术在美国已经被广泛地应用到电子产品的可靠性分析中，现已成为美国电子产品新品上市前的标准验证方法。

2HALT和HASS概述

2.1 HALT和HASS的高加速原理

HALT&HASS是利用高机械应力和高温变率来实现高加速的。一般来说，有缺陷部件和元器件之所以容易失效是由于缺陷部件的应力比无缺陷的要高。HALT是用来寻找产品设计和制造中存在的薄弱环节，而HASS是发现零部件和组装中存在的缺陷并加以改进，其目的是要剔除有缺陷的部件或元器件，以提高产品的可靠性。

在许多类型的应力所引起的故障失效中，加速因子并不是和应力成等比例地增加，大部分情况下是成指数级增加的，即提高应力能加速产品失效，而产品最基本的失效模式是由温度、温度循环和振动等应力所引起的机械疲劳损伤，他们之间的关系如下：

式（1）中：D——累积的疲劳损伤；

n——应力循环次数；

σ——机械应力，即单位面积的作用力（由热膨胀，静载荷、振动或其它导致机械应力的作用所引起）；

β——疲劳试验确定的材料常数，其变化范围为 8～12。

S.A.Smithson在1990年环境科学学会年会上发表的论文给出了表1所示的不同温变率下的筛选效果。从表1的数据可以看出，变温率5℃/min下进行400个66 min/次的温度循环与变温率40℃/min进行1个8 min/次循环的效果是一样的，而二者所花费的时间比高达4400:1。筛选应力越高，产品的疲劳和破坏就越快，但是有缺陷的高应力部位累积疲劳损伤应力比低应力部位要快得多，这样就有可能是产品内有缺陷元器件与无缺陷元器件在相同的应力下拉开疲劳寿命的档次，使缺陷迅速暴露的同时，无缺陷部位损伤很小。由此可见HALT&HASS试验的高速、高效性。

表1

2.2 HALT试验概述

HALT虽然涉及寿命两个字，但其并不用于评估产品的寿命。其目的是为快速诱发出产品的故障，并确定纠正措施，提高产品的环境适应性和可靠性。同时扩大和确定产品耐环境能力的工作和破坏极限，增加产品适应环境能力的裕度。

HALT主要是通过增加被测件的极限值，进而增加其坚固性和可靠性。它利用阶梯应力的方式加于产品，能够在早期发现产品缺陷、操作设计边际及结构强度极限。其加于产品的应力有高低温（含温度循环）、振动、电应力循环、电压边际及频率边际测试等。利用这些测试可以迅速地找出产品设计及制造的缺陷，改善设计缺陷，增加产品可靠性并缩短上市周期，同时还可以提供设计能力、产品可靠性的基础数据以及日后的研发重要依据。

HALT是以连续的试验、分析、验证及改进来构成整个过程，关键在于及时分析试验中所有故障的根本原因并实施有效的改进，主要应用于产品的研发阶段。

2.3 HASS试验概述

HASS应用于产品的生产阶段，其目的在于确保所有在HALT中找到的改进措施都能够得以实施，并确保所有在HALT中找到的改进措施都能得以实施，并确保不会由于生产工艺和元器件的改动而引入新的缺陷。

HASS是产品通过HALT试验得出的操作或破坏极限值后在生产线上做高加速应力筛选。

3 HALT和HASS试验的实施

HALT&HASS试验的过程一般包括准备工作、试验进行（含依次步进应力、故障定位和分析以及采取纠正措施、确定应力极限、剖面的设计、记录故障等）。

3.1 HALT和HASS试验的准备工作

任何可靠性试验本身是不能提高产品可靠性水平的。为保证该试验技术应用过程的有效性，通常从以下几方面着手：

a）产品故障的根本原因分析

HALT试验只有发现和确定了产品的薄弱环节，才能提高产品裕度。不同产品的根本原因分析是不相同的，这是高加速寿命试验中最复杂的一个环节，试验中所暴露的问题，不仅要确定其产生的原因还要分析在现场使用中是否会发生以及发生的频率，并给出行之有效的纠正预防措施。

b） 产品的测试

HALT&HASS试验在应力步进的每一个阶梯上都要求进行测试。产品的自动测试不仅包括被测试产品及相关设备的信号检测、采集以及控制，还包括所需夹具的设计、验证和安装等。

c） 试验的层次性

在HALT试验中只有按照由低到高的层次关系进行试验，才能充分暴露产品中的缺陷，更准确地分析产生这些缺陷的根本原因，确定下一层次试验的方案，达到最佳的试验效果，从而使产品的可靠性从根本上得到保障。由于产品千差万别，也就使其对不同环境应力激励的敏感程度有所不同，只有确定合适的试验应力才能保证HAST&HASS试验的有效性。

d） 样品的代表性

为了保证试验的有效性，HALT试验应当在产品的设计、工艺、元器件和材料都确定后进行，这样才能充分发现设计的薄弱环节，更准确地分析产生这些缺陷的根本原因。

3.2 进行HALT&HASS试验

HALT的4个主要试验项目是温度应力、高速温度循环、随机振动、温度和振动综合应力。HASS是产品通过HALT试验得出操作或破坏极限值后所得出的试验剖面在生产线上所做的高加速应力筛选。

3.2.1 HALT试验

a） 温度应力

HALT的温度应力试验所施加的应力是以递增的形式而变化的，其试验过程是通过施加不断加大的应力来激发产品设计中潜伏的各种缺陷，直到产品的破坏极限。以高温工作试验+70℃（低温试验方法与之相同）为例，首先设定起始温度为+30℃，保持10 min后进行测试，一切正常则温度升高5℃；当温度稳定后持续10 min，之后至少测试一次功能测试，如果一切正常则将温度继续升高10℃；当温度稳定后维持10 min后测试，依此类推直至发生功能故障以判断是否达到操作界限或破坏界限。

b） 高速温度循环

HALT温度循环试验是将先前在温度应力试验中所得到的低温和高温的操作界限做为此处的高低温界限，并可以以70℃/min的快速温度变化率在此区间内进行高速温度循环；在每个循环的高、低温区都要停留10 min左右，并使温度稳定后再进行功能测试，以检测被测试产品是否发生可恢复性故障；如果发现被测产品发生可恢复性故障，则将温度变化率减少5℃/min再执行温度信号，直至无可恢复性故障发生，则此时的温度变化率即为试验的工作界限。这项工作的开展主要是快速温度变化率，传统的温度冲击箱的温度变化率是不可控的，且达不到70℃/min的要求。

c） 随机振动

传统的随机振动则是在三轴向以规定的加速度、时间进行，之后恢复到常态。HALT随机振动试验（该振动是6自由度即3个相互垂直的轴向以及转动方向）是将振动的加速度自5 G开始，每次以2～5 G递增，并保持10 min后在振动持续条件下进行功能测试，以判断其是否达到可操作界限或破坏界限。

d）温度与振动综合应力试验

这是将高速温度循环及随机振动两项应力同时进行，使加速老化的效果更加显著；该试验使用先前的高速温度循环温度的上下限以及温变率，并将随机振动自5 G开始配合，每个循环递增2～5 G，且使每个循环的最高及最低温度持续10 min，待温度稳定后进行功能测试，如此重复直至达到可操作界限或破坏界限为止。

3.2.2 HASS试验

HASS试验包括3个主要过程，即HASS试验的剖面设计、剖面验证和剖面使用。

a） HASS试验的剖面设计

HASS试验的剖面设计是产品通过HALT试验得出操作或破坏极限值后进行试验剖面的确定，HALT也是HASS试验的基础数据。

b）HASS试验的剖面的验证

为确保HASS试验能够达到预期的效果，一般准备几个（推荐3个，当然越多越好）试验品，并在每个试验品上制作一些未依据标准工艺制造或组装的缺陷，应用所确定的HASS试验条件来测试这几个试验品，以决定是否加严或放宽试验条件。在完成有效的测试后，应当再更换新的试验品，应用调整过的试验条件测试数十次，如皆未发生因应力不当而被破坏的现象，即可判断HASS试验有效；反之，则应继续调整试验方案以获得最佳的HASS试验条件剖面。

c） HASS试验剖面的使用

经过剖面验证的HASS试验通常被视为高速有效的质量筛选利器，能够有效地对每个产品在生产制造过程中进行联系测试与筛选，从而保证产品的质量与可靠性。但HASS试验的剖面不是一成不变的，应根据顾客使用后所反馈的质量问题或者异常现象作出适当的调整；另外当设计变更时，也应当及时修改试验条件，或是重新开始HALT试验。

4 对HALT&HASS试验的几点看法

a） HALT的产品层次

最好在最低等级到最高组装等级的每一个组装等级上进行HALT试验，因为这样可以让改进设计的时间更加充裕，技术上改进设计也较为容易，费用也较少。在考虑是否对分组件进行HALT时，尚需考虑分组件是否有独立功能和可测试性，如果不具备测试功能也无任何意义。进行分组件试验的缺点是分组件之间的连接电缆和接头没有经受试验，因此在对复杂产品的各分组件进行HALT后，尚需在其最高组装等级上进行最终的HALT。

b）HALT期间的功能测试

HALT通过施加步进应力可以将产品内部的缺陷诱发成故障，更为关键的是能够发现和确定这些故障的位置和性质，以采取改进措施。因此，在施加应力的同时，必须对受试产品进行功能检查和性能测试。在进行HALT时，应有完整的故障诊断设备。如果受试产品经受应力时没有对其功能和性能进行检测，就会丢失那些在特殊应力或各种应力综合时才能显示的“软故障”方面的信息。这些故障实际上是确定产品工作极限的基本信息，如果不加以排除便会成为产品在使用现场难以发现的故障源，影响产品的使用效果和可靠性。

重要的是应当在HALT以前，明确规定在HALT中要监视什么，检测什么参数以及确定故障识别准则，这样才能确保HALT的成功。

c） 选择不同的应力

不同的产品有不同的工作极限和损坏极限，因此，对所有的产品不存在统一的HALT&HASS试验应力。不同的产品其筛选的应力类型也是不一样的，应根据产品各自的特点，选择产品最敏感的应力进行筛选。

d）振动系统和夹具

振动系统利用气体作为动力，有多个气锤往复快速锤击一块放在试验箱箱底的金属板，产生6自由度振动激励。该系统有很宽的加速度和频率范围。在2000 Hz以上又有很高的谱密度。这一系统能对产品所有的组件、分组件、元部件和元器件的引线接点及管脚的共振频率进行有效的激励。HALT最有效的往复式机械冲击振动台的频率范围是2～10000 Hz。往复式机械振动冲击系统虽然有简单、易控的优点，但也有很多局限性，例如：随机振动谱型是固定的（伪随机），难以根据要求对谱型进行设置和调整；200 Hz以下低频振动激励常常不够充分；台面上各轴向之间的强迫作用谱均匀性变化很大，且只在一个轴向呈现优势。

HALT振动夹具的设计不考虑模拟的实际安装情况，只要求使能量最大限度地输送到产品以加速故障析出，因而常使用廉价的夹具把产品用螺杆、螺母等牢靠地固定在振动台上。

e） 气流安排

在HALT试验箱内，由于一般机械制冷系统达不到要求，因而大多使用液氮制冷，液氮从试验箱内的多个软管直接喷向产品。应按HALT的目的安排和分配空气流。一般使用柔性空气导管，使空气流过产品部件，以实现最大的温度变化速率，并确保产品所有的部件都能经受最大的温度极值，导管设计时不考虑产品使用期间的正常气流。如有必要甚至可以在产品的外壳上切出小孔以允许有足够的空气流过元器件。

f）传感器的安装

为了有助于故障分析和确保应力有效地耦合到受试产品上，应在受试产品的适当部位安装温度和振动传感器。热电偶应安装在产品的关键部位，加速度计可以安装在电路板或分组件上，以监视能量向产品传输以及产品对施加应力的响应情况。需要注意的是，施加热应力时，产品上应尽量避免安装加速度计，因为加速度计暴露在热应力中会缩短其寿命。

g）采用高加速应力筛选技术

通过高加速寿命试验的产品投入批生产后，不能用常规的应力筛选来析出制造过程引入的缺陷，而必须采用高加速应力筛选（HASS）技术。HASS也是生产工艺的组成部分。

h）应力施加的顺序

HALT的过程是从施加破坏性最小的应力开始，逐步加大到最能产生破坏的应力，这样有助于节省成本。一般首先施加低温应力，即从室温环境温度开始施加低温应力完成后，用类似的方法进行高温步进应力试验，然后再进行快速温度变化步进应力试验。试验时温度应按照试验箱允许的速度快速变化，同时连续对产品进行功能测试，温度变化率上升和下降的起始点是指不反复出现早期故障的速率，这一速率要通过步进方法确定，它一般应在产品工作范围规定的应力范围之内。完成热应力后再进行振动应力步进试验。

5 结束语

由于HALT&HASS这种设计思想要求在产品开发阶段投入更多的资金，进行高加速寿命试验来帮助改进设计，使其成为环境适应性尽可能高的产品。然而这种设计思路与我国目前军用装备的成品设计思路有较大的差距。我国目前的武器装备研制体制、计划、经费渠道以及质量的认识，尚不能适应这种设计原则，但在民用工业中可以进行尝试，以提供产品的竞争能力，延长应用期限。同时在一些大批量的军品产品中，由单位内部可先尝试部分产品先进行HALT试验进行设计、规范工艺等来提高产品的可靠性。一般说来，通过HALT的产品对于通过传统的可靠性试验是很容易的。希望这项技术能早日在相关行业中推广开来，为提高我国机械、电子等产品的可靠性作出贡献。

[1] 祝耀昌.国外典型电子产品HALT和HASS结果浅析[C]//国防科技工业可靠性技术交流会论文集.2003：779-786.

[2] 祝耀昌.高效强应力筛选方法[C]//产品环境工程论文集.2008：70-80.

[3] 可靠性实用指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[4] 刘明治.可靠性试验[M].北京：电子工业出版社，2004.