电子产品高加速应力筛选的应用探讨

李 劲，张 蕊

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

电子产品高加速应力筛选的应用探讨

李 劲，张 蕊

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

本文论述了电子产品高加速应力筛选试验的流程和方法，包括高加速应力筛选试验剖面设计和筛选验证等，并将该试验方法在某机载惯导产品进行了应用。这一方法对于其他机载电子产品的高加速筛选工作有一定的指导意义。

电子产品；高加速应力筛选；故障注入；筛选效率；寿命损失

1.景

筛选是一种发现产品潜在缺陷、提高产品质量、保证产品在使用寿命期内安全、可靠地工作的有效措施，它可以有效地筛除不良产品，寻找产品在生产过程中发生质量和可靠性问题的根源，可以尽早发现生产过程中的产品问题，防止因操作人员、技术人员和无经验人员的过失而造成的大量损失，大大减少产品的故障率，提高产品的可靠性和市场竞争力。

目前我国军工电子产品筛选主要参照GJB 1032《电子产品品环境应力筛选方法》，它是MIL-STD-2164《电子产品环境应力筛选方法》的等效标准。自颁布以来，该标准在我国武器装备的研制和生产中得到了广泛应用，为剔除产品早期故障提供有效手段，并在提高武器装备质量和可靠性方面发挥了重大作用。

GJB 1032对筛选所用的应力及施加时间、方式和次序均作了明确规定，其显著优点就是不必考虑受筛产品结构的复杂程度，制造工艺的优劣和其它因素而可直接套用，可操作性较强，但随着筛选的广泛应用，其没有结合产品的具体特征确定筛选条件的问题逐渐暴露。虽然GJB 1032中明确规定受筛产品可以是电路板及组件、电子组件和整机，但并未规定不同组装等级的筛选条件。对于结构复杂性不同的产品都统一规定了温度循环数，对不同结构的产品都统一使用了相同的振动应力，可以设想，对一个由几块线路板组装的简单组件，按照GJB 1032中的有关规定，在环境应力筛选中必然会降低其温度的上、下限，从而降低温度应力的强度，同时又不必要地增加了上、下限温度的稳定时间，降低了筛选效果和效率。

应用合适的筛选是及时发现、确定和纠正产品在生产过程中存在的缺陷的一种有效方法，然而，要达到这一目的，必须针对产品的特点，为其制定恰当的筛选应力条件和方案。而传统的、分割开的研制和生产阶段试验体系，并没有有效的手段评估筛选应力强度能高效的激发出早期故障，但不损坏产品中原来完好的部分，又不过多影响使用寿命。

能否利用产品在设计阶段获得的产品信息，为产品设计一个优化的且比常规筛选有效得多的筛选方式？20世纪90年代初，美国的Hobbs G K、Gray K A等人提出了两种新的试验方法：高加速寿命试验（HALT）和高加速应力筛选（HASS）。HALT应用于产品研制阶段，HASS是HALT的拓展，应用于产品的生产阶段，通过对研制阶段HALT数据的利用，大大增加了生产过程的筛选效率，并同时降低了筛选的费用和时间。

虽然目前HASS仍然是一门新兴的技术、已在欧美、日本等发达国家得到广泛开展，并取得了大量的研究成果，但由于保密原因，直到目前还没有制定相关的试验标准。我国的HALT由于种种原因并未推广，故HASS相关应用并不多见，本文通过实例验证，对HASS设计过程及其效果进行探讨。

2.ASS目的和作用

HASS是一种采用激发试验的原理，通过对产品施加远高于产品正常工作的环境应力，在较短时间内快速激发并消除产品的潜在缺陷，达到提高产品可靠性的一种技术手段。它与HALT联合使用，主要依据由HALT确定的产品规范限、设计限、工作限和破坏限确定其应力选择范围，应用于产品的生产阶段，确保产品由HALT所获得的高可靠性不会因为制造过程而降低。

3.型的HASS设计过程

典型的HASS设计过程包括HASS剖面设计、筛选验证（POS）和产品HASS试行三个阶段，如图1所示。HASS剖面设计和筛选验证的目的是提供一种最快、最有效的筛选方法。

图1.ASS试验设计过程

3.1.ASS剖面设计

设计出一个好的HASS剖面是HASS最关键的一步，而剖面的设计是一个反复试验论证的过程。HASS剖面包括应力类型（振动、温度、电应力等）、应力量级、驻留时间、试验顺序等，每个应力的界限值都基于之前可HALT的结果，所以在实施HASS前，必须先进行HALT。

HASS 典型剖面的结构有常规剖面和理想剖面两种，在进行HASS剖面设计时一般根据HALT结果和产品特点确定。

1) 理想剖面

当产品在HALT中获得足够的试验数据（如所有的工作界限和破坏界限等）时，可采用理想的HASS剖面，如图2 所示。

从图2可以看出，剖面分为析出筛选和检测筛选两部分。析出筛选部分不仅温度变化速率快，而且范围宽，其上下界限接近于产品的上下破坏界限；检测筛选部分温度变化速率比析出筛选温度要低，而且温度范围，其上、下界限均接近或不超过产品上、下工作应力界限。析出筛选和检测筛选的应力与产品经过HALT后得到的工作界限和破坏界限的关系如图2 所示。在HASS 过程的每个温度快速变化循环中，一般全程施加规定的随机振动量值，同时按规定时间进行微颤振动，以检测高应力下不易发现的缺陷。

2) 常规剖面

当产品在HALT中获得部分的试验数据（如所有工作界限和部分破坏界限）时，一般采用工程实践中用得较多的常规HASS 剖面，如图3所示。

从图3可以看出剖面不分析出筛选和检测筛选两部分。这个剖面在形式上与常规的环境应力筛选温度循环剖面是一样的，但其应力要高得多其上、下温度界限值，一般比HALT得到的上、下工作界限值低/高20% ，但远严酷于产品规范规定的上、下工作应力极限。一般全程施加规定的随机振动量值，同时按规定时间进行微颤振动，以检测高应力下不易发现的缺陷；另一种是用几个振动量值交替振动，还有一种是在温度循环过程中按一定时间间隔振动。

3.2.选验证（POS）

HASS是用于生产交付的产品，它的作用是快速剔除由元器件、工艺、生产波动等因素造成的产品早期失效，保证产品的外场可靠性。鉴于HASS的目的和作用，在开展HASS设计时，需要紧扣两个关键主题，一个主题是，通过HASS能否将产品的早期失效有效地激发出来？由于HASS是用于产品的生产交付过程，这就引出另外一个主题，产品通过HASS之后，会不会损失较多的有效寿命？对产品施加应力，就会损耗产品的寿命，我们对产品进行环境应力筛选，实际上就是用产品的一部分寿命来换取产品外场的使用可靠性，目前，国际上通行的规则是：环境应力筛选过程消耗产品最多不超过10%的有效寿命。

故HASS筛选验证分两步（如图1所示）：第一步（筛选效率确认）是要确定在检测制造缺陷是筛选的有效性，这由暴露和检测潜在的缺陷来完成；第二步（寿命损失评估）是要证明筛选并没有耗费掉被筛选产品的大量寿命。

3.3.品HASS试行

对HASS剖面进行验证后，就可以对产品进行筛选，而且，必须对整个筛选过程进行连续监控。HASS剖面可以根据生产过程和使用现场的数据进行适当的调整。不过，每次调整都必须慎重考虑、清楚分析。如果筛选遗漏了缺陷，必须分析原因，必要的话，要对HASS进行修改；如果在HASS过程中出现某个高失效，必须仔细分析原因，了解是否HASS过程变更所致，无论任何应力出现变化，都必须重新进行一次筛选验证（POS）。

4.用案例

4.1.品筛选方案阶段

某型惯导产品主要由电子部件和台体组成（如图4所示），而台体包含有陀螺等精密光机电元件，耐环境能力较差，是整个产品（以下简称“系统”）的短板，若直接以系统进行HASS，则无法充分利用强化的环境应力快速暴露电子部件（主要为电路板）的生产缺陷。同时考虑承制单位生产管理特点（产品必须进行电子部件和系统的二级筛选），某型惯导产品HASS采取“电子部件HASS+系统HASS”的方案，即根据HALT结果，分别制定“电子部件HASS剖面”和“系统HASS剖面”，采取首先进行“电子部件HASS”再进行“系统HASS”的试验步骤。

4.2.ASS剖面设计阶段

考虑到承制方产品交付实际状况，在进行HASS剖面设计时，我们主要考虑了以下因素：

·HALT试验的结果

·国外企业的做法；

·产品的特点；

·产品交付的特点；

·产品测试的要求；

·筛选的效率；

·剖面的可操作性。

根据产品的HALT结果（见表1），某型惯导产品电子部件和系统 HASS均采用HASS常规剖面的设计。

根据HALT得到的产品的高温工作极限、低温工作极限、振动工作极限，结合产品特性，分别设计了产品电子部件和系统的HASS试验剖面（如图5、图6所示），其中电子部件HASS剖面每个循环合计32min，进行6个循环共192min；系统HASS剖面每个循环合计200min，进行2个循环共400min。某型惯导产品HASS总时间为592min，约10h，而该产品根据GJB1032要求设计的两级筛选共需最少120小时，即HASS时间仅为传统筛选的约1/12。

4.3.选验证（POS）阶段

设计了最初的HASS剖面后，必须对其进行验证。筛选验证过程用于确认筛选效果和确定筛选不会引入缺陷或严重影响产品寿命。

某型惯导产品HASS筛选验证试验，按照设定的“电子部件HASS剖面”和“系统HASS剖面”顺序，首先进行筛选效果确认，然后继续按“系统HASS剖面”施加应力，评估HASS试验方法对产品寿命的影响。

4.3.1.ASS的筛选效率确认。

表1.型惯导产品的HALT结果

我们主要采取故障植入和与传统筛选对比效果的方法进行HASS筛选效率评估。利用经过HALT试验的产品，并将HALT验证有效的改进措施落实到该产品中，然后人为地埋入一些缺陷（如图7所示）。

由于筛选的作用是快速剔除由元器件、工艺、生产波动等因素造成的产品早期失效，通过分析，我们认为元器件的早期失效无法有效捕捉，故埋入的缺陷基本上是模拟工艺和生产过程波动引起的缺陷。通过HASS试验，确定这些缺陷的析出情况，之后再将同样的缺陷埋入产品进行传统的环境应力筛选，通过两种试验方法缺陷析出情况的对比，确定HASS剖面的效率是否满足要求。HASS筛选效率确认步骤如图8、图9、图10所示。

我们在产品中一共埋入了6个缺陷点，通过一个完整的HASS过程，这6个缺陷点中的4个被有效析出。为了确认这4个缺陷点的埋入程度是否合适，我们用传统的ESS试验进行了对比，通过一个完整的环境应力筛选过程，6个缺陷点只有1个被析出，至此，可以看出，HASS的筛选效率高于传统的环境应力筛选效率。

图9.统HASS筛选效果确认流程

图8.子部件HASS筛选效果确认流程

图10.ASS与ESS效果比对过程

图11.ASS寿命损失评估流程

同时我们也注意到，在HASS中有两个缺陷点没有被析出，这是不是由于HASS应力不足造成的呢？因此，我们决定在产品的后续工作（HASS寿命损失评估阶段）中进一步进行验证。

4.3.2.ASS寿命损失评估阶段

确认HASS剖面效率后，进入HASS试验对产品有效寿命的损失评估阶段，目前国际上的通用做法是：当HASS剖面设计完成之后，需要用一台全新的、落实了HALT改进措施的产品，用HASS剖面进行试验，直至产品出现疲劳损坏，统计总试验循环数，这个循环数我们就认为是产品的寿命循环数，若HASS剖面的循环数低于寿命循环数的10%，我们认为HASS剖面的设计是合适的。

HASS寿命损失评估流程如图11所示，具体的评估步骤如下：

1) 修复经过筛选效率确认的产品；

2) 按“系统HASS剖面”施加应力；

3) 进行10倍的“系统HASS剖面”筛选时间，即20个“系统HASS”循环；

4) 若无故障出现，则认为按该HASS方法筛选后，产品仍保留至少90%的有效寿命；若出现生产工艺故障，需重新对该HASS方法的筛选效率进行评估或必要的修改；若出现疲劳损伤故障，则需进行评估和分析，判断该故障是否由于HASS剖面应力过大造成；

5) 若必要，需权衡HASS剖面的筛选效率，修改HASS剖面和方法步骤，并重新进行HASS方法的POS确认，直至HASS剖面和方法步骤得到认可为止。

进行10倍的“系统HASS剖面”筛选时间，即20个“系统HASS”循环，受试产品无故障发生，HASS寿命损失评估阶段结束。通过对整个试验过程及试验应力强度进行综合分析和评估，我们认为，HASS试验所采用的应力剖面不会对产品的有效寿命产生显著影响。

而在筛选效率确认阶段未能析出的两个植入缺陷，直到最后，这两个缺陷点始终没有被激发成故障。通过分析我们认为，这两个点虽然是缺陷，但未必能以早期故障的形式表现出来。

4.4.次HASS应用结果

通过本次HASS应用研究，我们摸索出了一套利用产品在设计阶段获得的信息，为产品设计一个优化的且比常规筛选有效得多的筛选方法，并使某型惯导产品筛选效率大幅提升：

1) 将产品交付过程中的筛选时间由传统方法的最少120小时缩短到10小时；

2) 在大幅缩短产品筛选时间的同时，保证产品有更高的筛选度。

5.束语

国外多年的实践证明，HASS作为新兴的试验方法，其筛选效率高，与一般环境应力筛选相比，达到筛选的目的所需要的时间大大减少，能节省大量人力和成本。但因为HASS采用的应力是以HALT确定的极限应力为基础，HASS只能在经过HALT的产品的批生产中使用。HASS需用筛选验证（POS）来最终确定应力量值甚至估算寿命损耗比例，因此确定HASS的过程也是一个探索试验的过程。总之，在国外工业发达的国家，如欧美日本等，HASS技术由于它本身的魅力和激烈的市场竞争，已经被商家广泛的接受，并得到普遍的应用。

[1] 祝耀昌等 GJB1032的应用和分析 航空标准化与质量

[2] 刘杭生 筛选技术概述和新的筛选方法 电子产品可靠性与环境试验 2005年8月第4期

[3] 祝耀昌 高加速应力筛选 航空标准化与质量

[4] 原艳斌 高加速应力筛选试验技术研究 装备环境工程2005年第二期

[5] 康锐等 型号可靠性维修性保障性技术规范（第1册）

Discussion on Application of Electronic Products Highly Accelerated Stress Screening

LI Jing，ZHANG Rui（China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute, Guangzhou 510610）

The paper discussed the procedure and method of electronic products highly accelerated stress screening test, including profile design and screen validation and so on，while also applied this method to certain airborne inertial navigation product. This technology serves as a direction for highly accelerated stress screening of other Aircraft electronic products.

electronic products；HASS；fault injection；screening efficiency；loss of life

TJ06

A

1004-7204（2012）03-0005-06

李劲（1978-），男，广东肇庆人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心工程师，暨南大学本科毕业，主要从事电子产品的可靠性筛选试验、强化试验等评价工作。

张蕊（1979-），女，陕西西安人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心工程师，西北工业大学研究生毕业，主要从事电子产品的可靠性试验评价工作。