HALT技术在工业系统的应用

王雷，林诗美

（1.研祥智能科技股份有限公司，广东 深圳，518057；2.国家特种计算机工程技术研究中心，广东 深圳，518057）

HALT技术在工业系统的应用

王雷1，2，林诗美1，2

（1.研祥智能科技股份有限公司，广东 深圳，518057；2.国家特种计算机工程技术研究中心，广东 深圳，518057）

本文介绍了HALT技术的由来和技术背景，以及此项技术的演化和路径；通过具体的试验方法介绍，说明了确切的应力施加顺序，以及目前开展此项试验的必要性和此项试验的技术优势；最后通过具体案例进行验证和说明。

HALT；应力施加；限值

0 引言

工业系统领域因其设备工作环境的复杂性，需要保证系统中运行的电子设备要能够抵御温度、振动、湿度等多种应力的冲击。随着城镇化的不断发展，地铁等轨道交通建设的推进，对铁路信息系统的需求不断增加，对系统的连续工作可靠性要求也越来越高，以满足各种应用领域设备在复杂环境下工作的要求[1]。高加速应力试验是美国军方在二战时为提高坦克和装甲车及飞机的可靠性而提出的[2]，目前此试验由美国霍博思博士等技术专家进行不断的研究和规范化，已经有了较成熟的应力施加方法和试验设备，规定了温度和振动应力施加的顺序和应力变化率等，以其筛选能力强、速度快、快速发现产品缺陷著称[3]。

1 HALT试验技术介绍

HALT试验就是利用足够高的应力环境来考查元器件的材料在该应力条件下的应力承受度，再根据加速模型来推算在正常应力下材料的寿命。这样就节省了正常寿命试验所要经历的漫长时间，也节省了长时间试验所需要耗费的设备和电力及人工成本，更重要的是能够尽快的得出产品的寿命试验数据，快速的检验评估产品的可靠性水准，为进一步的设计修改提供参考。

HALT试验是通过应力或组合应力施加到产品上，逐渐激发出产品的潜在性缺陷的过程。在实验中，每个应力施加阶段，都要留出一定的时间进行产品检测并进行同步的故障观测，试验的逐步推进，会找出产品的一个个故障，并对故障进行详细记录，包括故障模式，发生时的时间，应力强度及其他各种参数，试验的继续进行也伴随着试验应力的不断升高，产品将完全丧失功能或出现可恢复的故障，或者达到试验设备的应力极限，这时试验可以暂时停止。试验结束后将得到故障模式和记录故障数据，以及产品的工作和破坏应力极限。

对大多数产品来讲，温度往往是影响其可靠性的重要因素，因此常常将温度作为加速试验的应力变量。如果有条件也可以加入振动，电应力，紫外光，低气压等环境应力，或者与具体实际相关的化学应力，当然，这些应力的施加需要对应的试验设备条件和基础数据作为支撑，不然具体的操作也是需要耗费大量的试验区摸索。

在实际的HALT实验中，为了进行高效的潜在性故障激发就必须使用较高的应力值，应力得选取要结合产品的实际敏感度，并且具体的应力值也要选择恰当，温度应力一般根据阿列纽斯模型选择，振动应力有对应的模型，其他应力模型就要根据实际的测试数据去定义，并且同一种应力在不同的产品和系统上面也会存在应力激发的差异性，所以对应具体不同的产品模型要进行适当的修正和补偿。

HALT试验的目的是为了改善产品的设计成熟度，它能快速地使产品在设计阶段就满足成熟设计的要求，因此与传统的试验方法相比它极大的缩短了设计试验周期，提高了工作效率，能更快速地向市场投放成熟和可靠的产品，同时提供了有效的应力选择依据，使高效的可靠性设计变得可信与可行。

如图1至图5所示，通过低温、高温和振动的步进试验，高低温的瞬变试验，以及振动温度复合试验五个阶段性试验，产品的缺陷基本会被激发出来。这个过程中施加的应力大小，以及应力施加的顺序也有关系，这些都需要在具体实验中进行总结和归纳。另外，不同的元件和产品的频率敏感点也是不一样的，如果能够逐渐总结出敏感频段或者频率点，可以采取具体的定频随机振，这样效果会更好，节省时间，更重要的是非敏感频率点对待测品的破坏性会大大降低，减少了对待测品不需要的损伤。

图1 低温步进曲线Fig. 1 Low temperature step curve

图2 高温步进曲线Fig.2 High temperature step curve

图3 高低温瞬变曲线Fig.3 High and low temperature transient curve

此外在选择固定夹具块的时候也需要注意，不同材质的夹具块频率敏感点是不同的，选择时需要根据实际需要进行测定，如角形铝块在450HZ～900HZ频率范围内，其对输入振动有放大作用，最低放大15dB，最高放大41dB。而胶木块的一阶固有频率为31177HZ，固有频率较大，且刚度较大，所以一般建议最好采用胶木块固定待测品，保证能量传递率接近于1，无损耗。

图4 振动步进曲线Fig.4 Vibration step curve

图5 综合应力曲线Fig. 5 Comprehensive stress curve

2 HALT实验技术优势

普通的高低温试验、高低温交变试验，高低温循环试验仅能起到模拟实际环境的PASS/Fail试验，即使测试时产品留有一定的Margin，但由于一般的温变速率在5℃以内，很难快速激发出产品的潜在性缺陷。如霍博思博士就强化应力对金属试件的疲劳寿命的影响效果进行了评估，发现当应力提高一倍，疲劳寿命降低为原来的1/1000，这个时候如果针对产品上的缺陷部件，故障点处的应力可提高2-3倍，在如此高应力情况下，缺陷即可快速的暴露出来，相对于普通的应力模拟实验，缺陷的激发时间会大大缩短，由于所有应力试验都会缩短产品寿命，高加速应力试验缩短了应力施加时间，所以对产品破坏性较小，由于其对产品失效率浴盆曲线的前端缺陷做到了较好激发[4]，从而降低了产品失效率，提高了可靠性，而通过高加速应力筛选后的产品是可以直接出货的。同时，霍博思博士也研究出，在加速和强化应力情况下激发出产品缺陷的有效性和激发出产品的缺陷与正常使用环境下所暴露出的产品故障问题具有较高的一致性。

目前已经有了MIL-HDBK-217、GJB299、SR332等标准[5]，可以覆盖一般的电力电子和通信电路的电子元件及常用模块电路，提供产品预计可靠性评估参考，为在项目雏形及方案阶段和设计阶段的DFR提供了有力评估标准，而当评估结果不满足可靠性要求，产品需要进行可靠性增长时，借助普通的试验手段或者客户验收试验的反馈情况进行改善，是很难满足客户的可靠性要求的；而高加速应力试验作为很好的可靠性增长方法，可以在短期内快速激发产品缺陷[6]，从而快速高效的提高产品可靠性的目的。

3 HALT验证案例

图6为测试样品的布置和安装加持图，在样品架设时需要考虑外接设备的引线和固定方式，保证系统刚性固定，引线强弱电分离，冷风管出风口尽量靠近和正对功率器件[7]，达到最佳的温度变化率设置。图7为系统各振动传感器布置点的振动能量测试值，为了保证系统各个部分得到一致的均匀振动应力刺激，夹具和系统固定需要特备布置，而振动能量曲线越一致代表各振动布置点之间的振动能量差异越小[8]，通过布置最终测试得到的结果整理如表1所示，得到了样品的各个限值和对应现象。

4 结论

通过本次试验，对于车载信息系统的工作限值，操作限值，破坏限值等得到了具体的试验值，验证了产品规格，对后续系统工作可靠性范围有了界定，并且对相关项目的可靠性设计裕量有了参考值，避免了可靠性过度设计。

图6 整机测试布置Fig. 6 Dut test arrangement

图7 测试点振动谱Fig. 7 Vibration spectrum of test point

表1 车载信息系统测试限值表Tab.1 Test limit table for vehicle information system

[1] 邓杰，张学毅，周美琴，等．基于OFDM 技术电力通信系统的仿真研究[J]．新型工业化，2015，5（5）：33-39.

DENG Jie，ZHANG Xue-yi，ZHOU Mei-qin，et al. Simulation of OFDM communication system based power [J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（5）：33-39.

[2] 任立明，何国伟，周海京. 可靠性工程师必备知识手册[M]. 2009.

REN Liming. Knowledge Manual for Reliability Engineer[M].2009.

[3] 王雷，刘志永. 基于特种计算机的高加速应力可靠性评估方法[J]. 新型工业化，2016，6（10）：77-81，86.

WANG Lei，LIU Zhi-yong. High stress accelerated reliability assessment method based on the special computer [J]. The Journal of New Industrialization，2016，6（9）：77-81，86.

[4] 锡吉. 电子设备可靠性工程[M]. 陕西科学技术出版社，1999.

XI Ji. Reliability engineering of electronic equipm ent[M]. 1999.

[5] 陆廷孝，郑鹏洲，何国伟. 可靠性设计与分析[J]. 北京：国防工业出版社，1995.

LU Ting-xiao. Reliability design and analysis[M].Beijing：National Defence Industry Press，1995.

[6] 王建石，朱炳林.电子设备结构工程师手册[M]. 北京：化学工业出版社，2013：190-201.

WANG Jian-shi. Electronic equipment structure engineer[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2013：190-201.

[7] 杨世铭，陶文栓.传热学[M]. 北京：高等教育出版社，2016：197-211.

YANG Shi-ming. Heat transfer theory[M]. Beijing：Higher Education Press，2016：197-211.

[8] 邓良勇，黄惠芬. 利用多地层结构改善集成 EMI 滤波器高频性能[J]. 新型工业化，2012，2（4）：1-7.

DENG Liang-yong，HUANG Hui-fen. Improving the high frequency performance of integrated EMI filter by using multi layer structure[J]. The Journal of New Industrialization ，2012，2（4）：1-7.

Application of HALT Technology in Industrial System

WANG Lei1,2, LIN Shi-mei1,2
(1.EVOC Intelligent technology co., LTD, Shenzhen, Guangdong 518057, China; 2.National Special Computer Engineering Technology Research Center, Shenzhen, Guangdong 518057, China)

The origin and the technical background of the HALT technology, and its evolution and path were firstly introduced in this paper. Then a specifi c method was conducted to decide the exact stress imposed order, the necessity of carrying out this experiment and its technical advantages. Finally the practical case was used to describe and verify the above result.

HALT; Stress imposed; Limits

王雷，林诗美.HALT技术在工业系统的应用[J]. 新型工业化，2016，6（10）：86-89.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.10.013

: WANG Lei, LIN Shi-mei. Application of HALT Technology in Industrial System[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10)： 86-89.

王雷（1982-），男，工学硕士研究生，研究方向：可靠性成熟度模型、APQP、CMMI等；林诗美（1975-），女，本科，电子专业，研究方向：电子信息、可靠性分析以及计算机