道路车辆电工电子设备高加速寿命试验

2014-03-25谢罕杰黄燕秋卢兆明

环境技术 2014年6期

程度，陆斌，许毅，谢罕杰，黄燕秋，卢兆明,

（1．苏州广博力学环境实验室有限公司，苏州 215129； 2．上海市质量监督检验技术研究院，上海 200233）

概述

用环境应力下的成熟度对产品的适用性和耐用程度进行评价[1]，已经从理论探索趋向实际应用。成熟的汽车企业已经将高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Testing, HALT）及高加速应力筛选和稽核（Highly Accelerated Stress Screening and Auditing, HASS/HASA）引入装车电工电子设备的研发、试产和批量供货-采购的管理中[2]，其需求已进入国内检测市场。

HALT/HASS/HASA构成的是一整套产品评价和质量控制系统。HALT适用于采用了新工艺技术/设计的产品，还能用于评价产品的改善。HASS/HASA适用于发现产品存在的意外的和随机出现的质量问题。其中HALT通过规范的基础试验方法注重物理试验，原因分析和矫正措施；进行健壮发展和维持。HASS/HASA则注重于长期有效的品质的保证措施，将另文详述。

1 试验设备

HALT/HASS/HASA试验使用的设备是相同的。应能满足HALT所需温度和振动应力，试验箱必须在同一箱体内提供温度和振动环境。

1.1 振动

HALT试验箱具有6自由度（3平轴和3转轴）振动技术。采用能量在本质上维持正高斯长尾能量分布的准随机振动。宽带随机的频率范围2Hz -10000 Hz；振动台空载输出大于35g rms。

1.2 温度

在受样试品上施加快速温度变化应力。试验箱具有足够大的气流速率用以在受试样品上产生所要求的快速热量变化率，并维持热稳定，这也很重要。高速变化率（最小温变率应达到45℃/min）；温度范围从-80℃至+170℃。

1.3 数据的采集和保存

HALT过程中的响应数据包括温度、振动和产品功能性的表现。温度数据的收集和保存要用到试验系统的热电偶监测信道或多信道的数据采集设备；振动数据的收集和保存则要用到试验系统的加速度监测信道或带测量传感器（加度计）的频谱分析仪和监控器。

1.4 布置在受试样品上的传感器

对受试样品振动响应测量的加速度计应有小的质量（比如4g），响应频率2Hz至10kHz，±500*Gn的测量范围(Gn=9.80665 m/s2); 对受试样品温度响应测量的热电偶。需要采用热电偶丝。用于HALT试验箱的热电偶，在试验箱温度范围内（近似-100℃至+200℃）应具有足够的稳定性。热电偶丝应该用22#规格，或更小。

2 HALT试验

2.1 温度步进应力试验（见图1）

2.1.1 温度步进应力试验，由环境温度开始（定为+20℃至+30℃）。最大的高温基于材料金相变化的极限相关，应在试验前被标明。塑料外壳应被移除容许电子类产品达到更高温度。试验不应使材料金相发生变化。正确的温度试验基于没有故意造成的伤害。步长通常为10℃，适当时可以增加到20℃步长。

2.1.2 温度驻留时间必须足够长到完全稳定，并使设备和受试样品达到完全热饱和。驻留时间通常在样品热电偶反馈确定样品温度稳定在设定点之后5min至15min之间。对热容量的工程判断直接影响用最小或最大温度驻留时间。在驻留时间后完成全部功能测试，也可以在整个步长上进行。

2.1.3 温度步长试验中的应力是连续的，直到受试样品确定的工作极限或达到试验箱的最大值。

2.1.4 一旦工作极限确定，步进式的温度应力程序以10℃为增量，可能会连续进行超过工作极限而达到损坏限值或达到试验箱的最大值。然而，由于受试样品未能被充分运行，将势必要减少热应力（例如，返回+20℃，或在+20℃与工作极限间的某个温度）在每个驻留到稳定期间，确认受试样品仍保持功能运行。所有事件中重要的是工作极限的确定。然而，对于稀有和昂贵的原型样品并不建议进行损坏极限温度的认定。可在较晚些时候，当产品试样更易获得时，再进行损坏极限温度的认定，这样就降低了样品的开销。

2.2 快速温度转换应力试验（见图2）

2.2.1 除非遇到破坏性失效，至少应进行3个温度循环。温度转换试验以可以达到的最大的变化速率进行。考虑到试验时间的可用性及某一样品的物理特性，快速温度转换将发生在HALT程序中温度-振动混合作用的部分，跳过这一步是合理的。然而，快速温度转换循环仍被推荐进行，在任何可能时间，尽管在试验序列的温度-振动混合部分期间这些温度循环识别其斜坡率的灵敏度可能会受到振动的掩盖。

图1 温度应力步进-温度曲线

图2 快速温度转换试验-温度曲线

2.2.2 除特殊环境应用外，温度循环范围应是温度步进应力期间发现的下限温度工作限值合上限温度工作限值的5℃的范围内。例如，如果下限温度工作限值确定为-50℃；上限温度工作限值确定为+100℃，倘若不存在特殊情况，可容许的最小温度转变范围应该为-45℃至+95℃。有一种特殊情况是当材料的金相变化的温度接近工作温度极限。当有塑料元件必须留在受试样品中经历试验，就出现这种例外。温度上限应降低以确保箱内温度的超出不会造成塑料元件融化或卷曲而导致受试样品出现故障。例如，如果电子器件的塑料壳体被保留，温度范围可降至-45℃至+90℃。

2.2.3 在样品上的响应热电偶测得温度在设定点稳定后，温度驻留时间至少5min。对较大质量部件，温度驻留时间至少应增加到使其至少达到温度上限的80%。

2.2.4 在样品暴露于温度转换（斜坡）步段的期间，若有可能，连续实施功能测试，判断是否存在热敏感率问题。

2.3 振动步进应力试验

2.3.1 振动步进应力试验起始于1g r ms 至 10g rms箱内设置点，以2Hz至2000Hz测量，或较大带宽（推荐5Grms）且以1g rms 步增至 10g rms（推荐5g rms步长）为步长增量进行，一段驻留时间后完成并在随后进行功能测试。详见图3。

2.3.2 振动每个量级的驻留时间至少10min。功能检测在10min驻留之后进行。因而每个振动量级上驻留的总时间则由样品的功能测试运行周期的时长决定。注，功能测试应在步长期间进行；然而也必须能在最短时间即10min的停顿时间结束时完成。

2.3.3 每个振动步阶结束后推荐返回到“骚痒振动量级”(5±3)Grms，以检出在高一级振动量级中被极端应力隐藏的潜在失效。以此方法可明显地提高焊料接点断裂的检出。

2.3.4 振动步进应力试验连续进行，直到受试样品的工作极限，或达到试验箱的最大值。

2.3.5 一旦工作极限确定，步进式的振动应力程序按前面规定的增量超过工作极限而达到损坏限值或达到试验箱的最大值。然而，由于受试样品未充分运行，在每个停顿期间返回到“骚痒量值振动”就尤为重要，确认受试样品仍保持功能运行。

2.4 综合环境应力试验（见图4和图5）

2.4.1 除非遇到受试样品破坏性的失效，至少应完成所有5个综合环境循环。

2.4.2 综合环境试验的温度曲线在温度工作极限范围内循环进行（或修正的工作极限，当如塑料软化等特殊情况存在时）。修正的工作极限缩小了温度范围，从而确保箱内温度不至导致受试样品破坏性的失效。在每个温度极限值上的停留时间至少为10min。

2.4.3 要求的5个循环的起始振动量级按振动步进应力试验中最大量级1/5确定。振动量值以相同量值随之后的每个温度循环增加（例如，受试样品在振动步进应力试验中于35g rms发生破坏性的失效，则起始的振动量级可为7g rms。在每个完成的温度循环之后振动量级将以7g rms为增量递增，即，第1循环为7g rms；第2循环为14g rms；第3循环为21g rms；第4循环为28g rms；第5循环为35g rms）。如果在振动步进应力试验中未出现破坏极限，则将最大振动量值分成5份。注：可以使用更小的起始量值和增量步阶。

图3 振动应力试验推荐曲线

图4 综合环境应力试验曲线-温度℃（红）和振动g rms（蓝）

2.4.4 每个振动步阶结束后推荐返回到“骚痒振动量级”(5±3)Grms，以检出在高一振动量级中被极端力隐藏的潜在失效。

2.4.5 要求在试验循环的所有驻留段对受试样品进行功能测试。驻留段是可相应延长的，延长到功能测试的时长。功能测试应在步长期间进行；然而也必须能在最短时间即10min的驻留段结束时完成。

3 试验管理活动

HALT在产品从研发到实用过程中，是验证、评估，改进的依据；在量产和持续供货阶段，HASS/HASA采用的试验方法。因此，HALT是实验室手段，是整个产品适用性管理的一个环节。HALT的试验要素和严酷度等级以及判定规则是由一个相对固定的团队来设计完成的。

1）失效分析，分析确定失效的原因和决定终止实验。

2）定期机制（如每个月），定义HALT测试要求、评价过去HALT结果，并修订后续的试验计划。会议记录应保留会议中所有决议。这些会议应在产品HALT试前或试后召开。

3）HALT前议程，讨论包括定义HALT试验作业指导书，对受试产品的功能要求，受试产品的安装方法，带有热电偶和加速度计的监视器在产品元件和/或位置设置。

4）HALT后会议，回顾HALT试验结果的评价，包括失效情况和纠正措施计划的讨论。

5）试验现场，应有一位技术管理人员，对HALT试验区域的技术操作全面负责。

4 试验细节综述

4.1 确保热电偶（产品热电偶）正确地布置在受试样品上，为试验箱温度设定点的调整提供参照。该热电偶被用于HALT控制系统，系统采用闭环反馈温度测量以达到箱体温度控制。产品热电偶应精确地安置于接近样品平均温度的位置。产品热电偶的位置应在受试样品的暴露表面，更适合在相对较低热重的区域。该热电偶应避免放置在发热元件上或靠近发热元件，也不应放在产品完全封闭的部分内部。典型的位置可以是在大的不发热片状物的顶部。热电偶线应用带有硅胶粘合剂的聚酰亚胺薄膜条贴在线路板上，并将热电偶用胶水粘贴到片状物上，使用热传导线锁定贴牢。热电偶与产品电路用聚酰亚胺带进行绝缘。在热电偶的顶部应覆盖带黏性的覆盖材料，确保测量的是板的温度而非热电偶上穿过空气的温度。记录热电偶布置情况，用于进行后续试验时最小化差异。推荐用照相记录。

4.2 使用适当测试夹具将受试样品在振动台上固定好，使热量和振动能量最大化转移到受试样品。目的是激发受试样品加速疲劳损坏和揭示产品的弱点。因此，将最大应力对于产品最优化施加是最为有利的。

4.3 对产品的尺寸和质量应进行估计，可以精确地用试验箱适当地对受试样品施加应力。

图5 综合环境应力试验曲线设定的截屏示例(本试验方案与图4 不对应)

4.4 受试样品的温度转换速率可通过减少受试样品的覆盖物得以提高。可以移除窗格玻璃／盖子或在遮蔽物上开孔。

4.5 受试样品上的响应热电偶用于充分地评估样品对所处的温度环境的响应。实例包括热传导敏感部件、设计用于对温度有良好反应的部件，以及在样品大质量部件上提供其达到温度稳定所需的驻留时间的测量。

4.6 在受试样品上至少固定1个响应加速度计。加速度计用腈基丙烯酸酯粘合剂（强力胶）或热熔胶粘接。这个要求须在进行HALT振动步进应力之前完成。记录加速度计的布置情况，用于进行后续试验时最小化差异。推荐用照相记录。

4.7 功能测试要求

受试样品的功能测试应应能充分暴露样品性能和发现多种失效模式。测试必须运用产品的主要功能，使用反馈法测试这些功能的表现。功能测试的目标是达到受试样品的100%试验覆盖，或尽可能完整的试验覆盖。

4.8 产品特性应力

这些应力对于受试产品是特定的，并在每个步进应力期间施加，用以提高额外失效突发性和检出。这些应力应包括循环加载；也可能包括故意变换线电压、线频；直流（DC）供电电压；板上振荡器频率；输出负载；以及所有其它可能的情况。这些产品特性应力组合在一起加载到功能测试中，并在贯穿HALT过程中的每一个应力阶段执行。

4.9 应记录受试样品在试验的功能测试信息

记录应提供测试覆盖范围数量的设定，用百分比表示，也包括试验进行的详细描述，以指明产品试验了什么又是怎样进行的。记录还应提供HALT试前会议中所定义的功能测试目标是如何被实现的证明。

4.10 HALT前作业程序

如适用，受试样品应经过一个或多个功能测试循环，以证实试验装设的完整性，并获得受试样品的性能基线信息。

4.11 在施加每个量级的应力时，在受试样品上都要进行功能测试以评判样品的运转情况。详细记录样品发生退化的情况和发生的条件，包括样品的运行和样品损坏的限度，以及所有重要的注解。