关于HALT和HASS试验及其试验设备温度控制的探讨

罗鹏程

（重庆四达试验设备有限公司，重庆 404100）

1 高加速环境试验的需求

当今市场经济的竞争越来越激烈，企业作为产品的制造者，总是想以最快的速度向市场提供性能完善、使用方便、可靠性高、使用寿命长的产品，为达到这些目标，除了产品设计时要充分考虑市场对产品的需求外，还要通过试验来了解产品的可靠性和对产品预期寿命进行评估。

采用什么试验方法对产品可靠性和预期寿命进行评估，越来越受到企业的关注。通常情况下，主要考虑评估产品的运输储存和使用环境条件对产品的影响。进行这类评估一般采用GB/T 2423 和GJB 150 规定的环境试验方法，这些也是常规的环境试验方法，应用非常普遍。

随着上述常规环境试验在产品质量控制中的开展，产品的性能和可靠性获得了很大的提高。但是，随着产品开发周期越来越短，这种传统的试验方法已经很难满足对产品的可靠性和寿命进行快速评估的要求了，于是人们开发出了高加速环境试验方法。所谓高加速环境试验是指对产品施加比传统环境试验更加严酷的试验条件，以在一定的试验时间内获取更多的产品相关信息。这种试验施加的应力可以是温度、振动、压力和湿度及其它应力，应力的组合也是应力施加的重要方式，高温变率的温度循环和宽带随机振动是公认最有效的激发应力形式。

2 两种高加速环境试验

目前,在电子行业有两种高加速环境试验获得了广泛应用,即高加速寿命试验和高加速应力筛选试验,英文缩写分别为“HALT”和“HASS”。

HALT试验是一种新型环境试验，它通过设置逐级递增的加严环境应力，来加速暴露试验样品的缺陷和薄弱点，然后针对暴露的缺陷和故障从设计、工艺和材料等方面进行分析和改进，从而达到提升可靠性的目的，其最大特点是设置高于样品设计的工作限值的环境应力，从而使暴露故障的时间大大短于正常可靠性应力条件下所需的时间。

HASS试验应用于生产周期内，是一种高效的筛选工艺过程，它使用较高的组合应力，通常为温度和振动，施加在批量制造的产品上进行筛选，从而快速剔除制造过程中引入缺陷的产品。HASS试验的应力值的选取需要根据HALT试验得到的特征数据确定，通过HALT试验得出产品的工作和破坏极限值后，HASS试验的应力值一般选取在上述两个极限值之间。

可见HALT试验和HASS试验这两者既有联系又有区别。两种试验在方法上相似，试验时的环境条件比产品正常使用的环境条件严酷得多，也就是说试验时施加更大的环境应力，这一点是相同的；而HALT试验可以说是HASS试验的基础，如上所述，HASS试验的应力值需要根据HALT试验得到的特征数据来确定。但两种试验的目的不同，高加速寿命试验是通过试验获取产品的大量信息，通过对这些信息的统计分析，估计出产品的预期寿命，同时寻找产品失效的原因并改进设计。因此主要适用于产品的设计阶段，通过试验改进设计提高产品的可靠性和使用寿命，这一试验方法越来越受到可靠性研究和试验人员的广泛关注。高加速应力筛选试验则主要是通过对产品施加更大的应力以尽快暴露出产品的缺陷，筛选出不合格的产品，它实际是一种工艺方法，从本质上讲它并不能提高产品的可靠性。

3 HALT和HASS试验设备温度控制的设计考虑

从产品失效的统计数据发现，对产品施加温度应力比对产品施加机械应力暴露出的缺陷和失效更多，这并不意味施加机械应力不重要，可能是产品对施加温度应力较为敏感所致，所以，要对产品可靠性和寿命进行客观的评估，应该对产品施加综合的应力才比较稳妥。然而，由于获得温度应力的试验设备较为便利，试验相对容易，试验人员易操作，因此较多的公司首选快速温度变化试验进行单应力（温度）的HALL或HASS试验。

开展HALT试验或HASS试验离不开满足要求的试验设备。目前，国内环境试验设备制造厂商大多能制造满足应力筛选ESS试验要求的试验设备，但尚未有公开报道国内厂家能生产满足HALT 试验或HASS 试验要求的试验设备。原因是HALT 试验或HASS 试验对设备能力要求很高，单就温度应力试验而言，要求有非常大的温度变化速率，一般要求温度变化速率应大于40℃/min，同时温度变化的范围在不对试验样品造成损害的情况下越宽越好。

笔者所在公司曾经生产了一批温度范围在零度以上的满足HALT 和HASS 试验的试验箱，其温度变化速率能超过60℃/min，但是由于没有零度以下的温度段，温度变化的范围还不够宽，不能满足多数试验需求。目前公司在着手开展温度变化范围延伸至-100℃以下的设备研制工作。结合当今的技术状况和我们的研制经验，我们认为，HALT和HASS试验设备的设计需要考虑以下几方面：

1)获得零下100℃的温度通常使用的方法有压缩机三极复叠制冷，压缩空气通过膨胀制冷及液氮（LN2）制冷，其中，压缩机复叠制冷由于降温速率满足不了HALT 和HASS 试验要求，一般不宜采用。

2)压缩空气膨胀制冷可获得很低的温度，在空气分离系统中通过空气的液化分离出各种不同的气体时就可获得极低的温度。但系统要求建立空压站，要有空气净化，空气干燥等装置，投资较大，对设备管理要求较高，制冷效率不高是其缺点。有空压站的用户采用此法是一种可选的方案。笔者曾用该法在一个专用设备中获得过70℃/min的降温速率。

3)目前满足HALT试验 和HASS 试验要求的国外品牌试验箱普遍采用液氮降温。液氮制冷可获得-190℃左右的低温，而且制冷系统的构成较为简单，液氮也容易获得，它是空气制氮过程中的附产物，费用主要体现在包装和运输费，当大量使用时价格约2～3 元/升。另外使用液氮还有一个好处，在快速升降温过程中试验箱内部气压会发生变化，当采用压缩机降温时，随着温度的降低，箱内气压下降，这时试验箱进排气自动平衡结打开，外部空气进入箱内，而外部空气中含有水分，当快速升温时试验样品升温总是滞后于箱内空气变化，试验样品温度常常会低于箱内空气的露点温度，这时试验样品的表面会出现凝露和结霜，有可能造成试验样品失效，为防止这一现象出现，通常的方法是在升温过程中，向箱内充入干燥的氮气来降低空气的露点，防止试验样品表面凝露结霜。而采用液氮降温的试验设备，由于箱内充入的液氮气化后就是干燥氮气，通过自动压力平衡口排出箱外，因此没有压缩机制冷时箱内出现对空气的呼吸效应引入湿空气的情况，不会出现产品表面凝露和结霜。另外，采用液氮制冷可获得很大的降温速率，我们曾用液氮制冷的方法在对材料深冷处理的箱内实现了60℃/min 的降温速率。

4)目前，在设计HALT 和HASS 试验箱时，一般采用电加热升温，液氮降温的方式，在设计细节上还应有如下考虑：首先是如何防止升降温过程中温度的超调，特别是升温时过度的超调可能会造成试验样品损坏，除了在控制软件上下功夫外，还应在硬件上考虑必要的保护措施防止过度超调带来的危害。另外在制冷过程中要使液氮充分气化以防止液态氮滴到试验样品表面形成局部应力集中，通常采取适当选取喷入的液氮压力、采用合适的喷嘴结构和设计合理的进入箱体的管路等方法进行解决。同时还要考虑液氮输入量的调节，通常的方法是采用液氮泵，电磁阀和气动比例阀，在选择控制元件时要注意极低温度下可能出现运动部件冷焊，造成控制失灵的问题。管道输送过程中不可避免与环境中空气进行热交换，使管中部分液氮气化，从而影响液氮的正常调节，因此管道一般要采用必要的保温措施或使用真空绝缘管，同时应在系统中安装安全阀防止液氮气化造成压力升高。从环保和使用安全的角度考虑，由液氮气化制冷后氮气排空可能造成使用环境中氮气和氧气比例失调，造成氧气分量减少，形成对使用人员的伤害，所以，除了设计必要的排放管路外，还应在设备上安装氧气浓度测量和报警装置。

4 建议

为推广HALT和HASS试验在国内的应用,需要产品制造企业、实验室、设备制造商多方共同努力，鉴于我国HATL和HASS试验处于刚起步阶段，试验标准多是借鉴国外标准，试验设备也需进口，价格昂贵，从使用成本考虑，建议一些国际化程度不高的企业先开展单一温度加速应力筛选试验及相关设备的研制，待技术成熟后，再开展多应力综合试验设备的开发。

[1] 陈国帮，黄永华，包锐合著.低温流体热物理性质[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2] 朱建华，钟浩.如何确定高加速寿命试验的应力极限[J].环境技术2012(1)：5-9.