加速极限试验方法综述

王文岳

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏 苏州 215011）

0 引言

高加速极限试验 （HALT）和高加速应力筛选（HASS）是一种新的可靠性试验方法。它不是采用一般模拟实际使用环境进行的试验，而是人为施加步进应力，在远大于技术条件规定的极限应力下快速地进行试验，找出产品的工作极限甚至最终达到的损坏极限。然后，根据HALT确定的极限来制订HASS方案，通过HASS剔除生产制造缺陷，使产品快速地达到高可靠性。HALT／HASS现已成为美国电子业界的标准产品验证方法。原需花费6个月至1年的新品可靠度试验，现仅需1～2周的时间即可完成，且试验过程中所暴露的产品设计缺陷，几乎与客户使用后所发现的问题一致，故HALT／HASS测试已成为新产品上市前所必需通过的环节。许多国际上3C产品大厂也都使用近似的手法来提升产品的可靠性，并达到新上市即可成为成熟产品的目标。

HALT／HASS无论是试验目的、试验原理和试验方法与目前国内传统的可靠性试验标准相比都有了很大的改变。

1 HALT/HAS概述

目前，国内电子产品可靠性的主要检验方法仍延用着传统的可靠性试验和环境试验方法，这些方法费用昂贵、试验时间长，而且很多试验都流于形式。即使是完全按照这些传统的方法进行了各项试验，使产品通过了设计定型的鉴定试验和生产阶段的质量一致性检验等，但仍不能保证产品现场使用的高可靠性。残留的潜在缺陷仍然很多，大量产品使用HALT／HASS技术及其应用时可靠性差，平均故障间隔时间 （MTBF）短，外场返修频繁，导致担保费用、维修费用居高不下，用户或客户不满意，严重地影响研制部门和制造厂商的信誉。

高效、价廉的新试验设备的推出和确认使可靠性试验新方法的使用和推广成为可能。新试验设备是由用液氮制冷的高变温率温箱和气动式三轴六自由度 （6 DOF）振动台组成的。目前OVS 2.5HP HALT／HASS试验系统的主要性能参数已达到：随机振动的频率带宽从 2 Hz～10 kHz；温度范围从-100℃～+200℃；变温率≥60℃／min。这种新的可靠性试验方法就是高加速极限试验 （HALT）和高加速应力筛选 （HASS），它们都是由美国Hobbs工程公司的GreggK Hobbs博士研究并于1988年在讲授 “筛选技术”课程时提出来的。从20世纪90年代开始，HALT和HASS获得推广和应用。与传统的可靠性试验不同，HALT试验的目的是激发故障，即把产品潜在的缺陷激发成可观察的故障。因此，它不是采用一般模拟实际的使用环境进行的试验，而是人为施加步进应力，在远大于技术条件规定的极限应力下快速地进行试验，找出产品的工作极限甚至最终达到的损坏极限。然后，根据HALT确定的极限来制订HASS方案，通过HASS，剔除生产制造缺陷，使产品快速地达到高可靠性。

高加速极限试验 （HALT）是在传统的环境试验技术基础上发展起来的一种新的试验技术和方法。HALT试验同常规的试验方法相比能极大地提高产品故障发现率，并大大缩短试验时间，提高试验效率。由于HALT的诸多优点和显见效益，近些年来得到迅速的发展并得到世界许多大公司的支持，是目前国际上广泛认同并执行、且在保证产品现场使用可靠性方面行之有效的方法。许多国际知名公司已通过应用HALT／HASS取得了成功的经验，如Agilent、Tektronix、安立等都已经把开展HALT／HASS作为新产品研制中必须的过程，逐渐地成为一种新的标准可靠性试验方法[1]。

2 高加速极限试验 （HALT）

2.1 HALT试验的目的和作用

HALT试验有两个目的：

a）通过HALT试验可迅速地找出产品设计及制造的缺陷、改善设计、增加产品可靠度并缩短研制周期，同时可建立设计和产品可靠度的基础数据，为以后的研发工作提供重要依据。

HALT采用步进应力的方法进行试验，故HALT又被称为步进应力试验。HALT试验过程就是以步进方式对产品施加一系列单应力 （如多轴随机振动、温度循环和电应力等）和组合应力，并逐步增加强度直至产品失效的过程。在HALT过程中对发生的每一个失效都进行根本原因分析 （Root Cause Analysis），不断进行试验、分析、验证和改进。

b）查找和确定产品承受各种施加应力的范围和界限。

产品对施加的应力的承受能力如图1所示，主要包括：技术规范上限、技术规范下限、工作上限、工作下限、损坏上限和损坏下限等。通过HALT步进应力的试验方法，可以找出产品承受各种施加应力的范围和界限。确定这些范围和界限的主要目的是为产品进行高加速应力筛选时选择各种施加应力的大小提供依据。这种选择应能在保证产品安全的前提下，施加尽可能大的应力，以获取尽可能大的加速效果，缩短试验时间。

因此，HALT是进行HASS的前提，只有完成了适当的HALT，而且所发现的问题均已得到解决，确定了各种应力的范围和界限后才可能进行HASS[2]。

应力参数以温度循环和随机振动为基础，根据产品的特点再酌增工作应力 （电应力）或其他应力如加湿。

图1 高加速应力极限试验和产品的应力范围示意图 [3]

应力量级按步长逐步地递增，直到远超出规范范围甚至达到破坏极限。以下参数可供选用参考。

结束试验的原则：

1）至破坏极限；

2）根据对设计余度的要求确定；

3）出现非正常失效，如材料熔化。

一般情况下，通过试验可得到如下相关参数：工作温度下限 （LOL）； 损坏温度下限 （LDL）； 工作温度上限 （UOL）； 损坏温度上限 （UDL）； 振动工作极限 （VOL）； 振动损坏极限 （VDL）。

2.2 HALT试验实施方案

HALT试验程方案为5个步骤 （前面4个为试验环节，第5步骤为分析验证环节），如图2所示，分别是：

1）高低温步进应力测试 （Temperature Step Stress Test）；

2）快速热循环测试 （Rapid Thermal Transitions Test）；

3）振动步进应力测试 （Vibration Step Stress Test）；

4）综合应力测试 （Combined Environment Stress Test）；

5）HALT后分析和验证。

图2 HALT试验环节示意图

对改进后的产品应进行验证性HALT，以便对更改的作用和效果进行评估。验证已发现的故障是否消除或得到改善，检查更改过程有无引进新的问题[4]。

2.3 HALT试验的注意事项

2.3.1 HALT试验的层次性要求

电子产品的HALT试验可以在元器件级、印制电路板级、单元级和设备级进行，在HALT试验过程中只有按照这种由低到高的层次关系进行试验，才能充分地暴露产品中的缺陷，更准确地分析之所以产生这些缺陷的根本原因，确定下一层次试验的试验方案，得到最佳的试验效果，从而使产品的可靠性从根本上得到保障。

2.3.2 试验夹具

在HALT试验中使用的夹具不是模仿产品实际使用中的安装方式来设计的，而是要最大限度地将能量传输到产品上以加速故障的析出。这就是说，简单、便宜的夹具只要尽可能紧地将受试产品固定在振动台上就行了。典型的HALT试验用的夹具，要保证有最大的气流流经受试样品，产品不是直接放在台面上而是置于一个铝制的U型槽内，然后再用几个U型横条夹住样品，用全螺纹的螺杆和螺钉固定在台面上。

2.3.3 样品安装

将受试样品放入试验箱内，在样品内部的关键部位 （如发热器件、对温度敏感器件等）粘贴温度和振动传感器，调整风管使气流均匀地分布于样品放置的台面上，温度传递到样品的速率可通过调节样品的机壳来增大，如去掉盖板，使空气直接流经样品。

2.3.4 HALT试验样件的选择

a）原则1：代表性

为了保证试验的有效性， HALT试验必须在能够代表设计、元件、材料和生产所使用的制造工艺都已落实的样件上进行，这样才能充分地发现设计薄弱环节，更准确地分析所产生这些缺陷的根本原因。

b）原则2：数量 （典型是4～6个）

HALT是采用步进的应力逐步地激发试件的缺陷，从而使试件表现出某种形式的失效。如果以所施加应力为X轴，以失效的试件数为Y轴，且参加试验的试件足够多，就可以得到统计曲线。HALT试验的目的是为了发现产品设计的薄弱环节，在HALT试验中要发现某种失效形式，推进产品工作和破坏极限，并不需要太大的试验样本，在试验中只要对所选用的试件不断地增大应力，它总会在上述曲线的某一位置出现失效，从而发现这种缺陷类型。为了保证试验中出现的失效形式具有代表性，能验证某失效模式不仅仅是在某一单个样件上出现，又不至于因为HALT是一个破坏性试验而造成浪费，HALT试验中一般采用小的样本数就够了。

3 高加速应力筛选试验程序

HASS过程分为HASS筛选方案的建立 （HASS Development）、HASS筛选方案验证 （Proof-of-Screen）和HASS筛选方案实施 （Production HASS）等3个阶段。

3.1 HASS筛选过程

HASS筛选方案的建立须参考HALT试验的结果：一般将综合应力测试中的高、低温度量值缩小20%，振动条件则以破坏极限G值的50%作为HASS筛选方案的初始条件。

在建立HASS筛选方案时，应注意如下两个原则：HASS剖面须能检测出可能造成产品故障的潜在缺陷；经试验后，不会造成产品损坏或 “内伤”。

当产品某层次的HASS试验剖面图被建立和验证后，就可以按照它对产品施加应力并开始筛选，以区分出有缺陷和无缺陷产品，分析失效机理，为改进产品提供有用的信息。

3.2 HASS试验的注意事项

a）进一步对HASS筛选方案的优劣进行考证。在整个HASS过程中，不仅仅要求在开始或结束时收集失效率数据，还要记录失效出现的时间，绘制出失效率——时间图，以此来考究产品的HASS筛选方案。如果曲线不变或随时间上升，那么HASS筛选程序无效，这可能是因为没有早期失效缺陷或筛选应力和应力量级不当造成的；然后分析原因，对HASS筛选方法进行改进。

b）改进产品，减少或消除筛选过程。因为环境应力筛选是一个鉴定的过程，它不会使产品增值，所以应尽快地减少或消除。如果HASS筛选程序制定得当，在筛选过程能深入地分析失效机理，及时采取修正措施，就会使产品不断地得到改进，最后使早期失效大大地减少或消除，从而根据对产品的把握性大小来减少或消除产品的HASS筛选过程。

c）利用筛选过程，检验产品改进措施。对于改进后的产品，在筛选过程中也要进一步地收集和分析HASS数据，如果改进措施得当， 失效率—时间曲线中早期失效区的面积应当变小，这是由于曲线的斜率减小或在较短的时间内达到不变失效率的结果。如果产品改进后曲线不是这样，则说明改进措施不得当，应立即反馈给有关技术人员。

d）在HASS筛选过程中，为满足产品批量生产的要求，必须认真设计测试系统的软、硬件，在满足多通道的数据采集的同时，不过多地衰减反映产品工作状态的信号，满足试件数量多和测试数据准确性高的要求。

e）在进行温度冲击试验时，要保证试验中所使用的电缆能经受住试验中所施加的热应力。许多商业电缆能承受的温度一般是105℃，长时间的高温冲击 （大于110℃） 可能熔化或软化电缆表皮。高温有可能使电缆承载电流的能力降低，低温会使电缆变脆，使其不能够经受其试验过程中的振动。还有在试验中的连接器要保证在温循环和振动应力作用下不产生断断续续的断通现象。

4 结束语

a）进行HALT和HASS试验的目的不是服从试验结果，而是进行矫正，防止问题的出现。为达到这一目的，试验中需要物理试验单元试验至失效，以发现其薄弱环节，确定其产生的根源并实施矫正措施。

b）在HALT中对产品进行物理破坏的目的在于试图通过以期望的最终使用环境进行刺激来最大限度地提高和量化产品的强度余量 （包括运行和自毁）。HALT作为设计阶段的一部分是非常重要的，是与设计人员建立起理解的一个重要方面。产品在进行HALT试验时，没有什么规范手册可言，HALT决定了产品的极限值[5]。

c）管理闭环矫正措施过程对预防故障再现是非常重要的。在HALT和HASS过程中对所有出现的故障都必须分析其根本原因和将矫正措施计划反馈给工程人员、生产方和供货方，这两项工作是需要强制完成的。这些过程需要产品测试、硬件设计、机械设计、软件开发和测试、生产和失效分析，以及供货方、资深管理者的支持，共同协作，才能获得最大的利益。

[1]陈奇妙.美国可靠性强化试验技术发展点评 [J].质量与可靠性，1998 （4）：44-47.

[2]姜同敏.可靠性强化试验 [J].环境技术，2000，18（1）： 3-6.

[3]姜同敏，金玫.可靠性强化试验技术及在航空工程中的应用 [J].航空工程与维修，2000（1）：32-34.

[4]卯诗松，卜玲玲.加速寿命试验 [M].北京：科学出版社，1997.

[5]朱美娴.高加速极限试验 （HALT）与高加速应力筛选（HASS） [J].装备质量， 2001 （3）： 1-14.