独立温度应力施加在系统可靠性评估中的应用

王雷，陈志列

（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）

独立温度应力施加在系统可靠性评估中的应用

王雷1，2，陈志列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）

在工业系统的可靠性设计中，通过温度应力加速激发产品潜在缺陷，提高产品设计可靠性，已经成为目前的研究热点。在温度应力施加过程中，如何利用局部独立温控来确认系统的可靠性限值，区分元件在极限温度应力下的敏感性，成为开展加速温度应力试验时必须面对的问题。利用独立温控方法进行可靠性设计分析，国外已经有较成熟的系统，但可查询到的信息几乎空白；国内仅在研究所和军工中有部分应用，可参考的资料也很少。本文通过理论与实际的分析研究，设计出了一种温度应力控制系统，说明了其在可靠性评估中的应用方法，以及对温度敏感类问题的验证原理。

可靠性评估；高温度应力试验；独立温控

0 引言

为了验证工业控制计算机的设计可靠性，普通的烧机老化测试由于验证时间太长，已经不能满足产品开发周期的要求，如果采用高温变率的早期缺陷筛选[1]，也只能对普通元器件的参数一致性问题进行排查，但对于潜在性设计缺陷却无法筛查验证，只能通过后期的可靠性鉴定试验[2]和客户验收试验来得到数据，改善成本高且周期长。而高加速的温度应力试验提供了一种新的手段和方法，具有快速高效的缺陷激发能力，可以实现有效发现产品设计问题的目的。

如何通过温度应力验证产品可靠性，应用独立温控技术确认器件对温度应力的敏感性及器件间的关联性，成为目前需要研究的问题。

1 温度控制技术简介

通过HALT[3]测试发现，在元器件壳温达到105℃时，CPU出现自动保护，无法开机，由于此温度保护点是由因特尔公司芯片内置的保护，通过软件设置无法关闭，当需要进一步温度应力施加时，由于机器已经无法开机，试验无法开展。

为了给高温情况下系统器件可靠性验证创造条件，必须考虑采用局部温控，达到对CPU等关键部件的局部温度控制，使其壳温低于温度保护点105℃，实现在高温情况下机器可以正常开机继续测试，从而验证桥芯片和内存颗粒等其他器件。

表1是几种温度控制技术比较：

表1 主流散热方式对比Tab.1 comparison of main cooling modes

对于目前需要通过HALT试验来进行可靠性验证的情况，试验箱内的环境温度范围可以达到-60℃～150℃，在此环境下，CPU等关键元件很容易出现过温保护，而为了验证各器件的可靠性，必须进行局部的独立温度控制，从而达到对器件温度敏感性的验证。目前国内外关于独立温控的设备主要由以下几种方式（如图1至图3所示）：

图1 水冷制冷设备Fig.1 Water cooled refrigeration equipment

图2 液氮冷却制冷设备Fig.2 liquid nitrogen cooling refrigeration equipment

水冷散热器如图1所示，主要由散热头和密封管以及散热排和散热风扇组成，散热冷头部位安装有小型水泵来增加内部水流速度，由于此种散热器对密封要求较高，密封水管要求能够耐受高低温骤变等恶劣环境。对于现有成品而言，如果需要进行独立温控应用，需要重新选择密封水管，并设计防水，存在的问题是，当环境温度升高后，散热效果会逐渐降低，对于箱体内部的高温环境下散热，效果会大打折扣，所以此种方案被否决，不适合于在HALT试验时进行温控应用。

液氮制冷如图2所示，目前德国已经有此应用，但其采用密闭系统进行降温，内部的液氮通过吸热气化和加压液化的过程进行热量传递，此种冷却方案对于温度无法调节控制，仅能起到降温的目的，不适用于具体测试过程中元器件各个限值温度点的确认和验证。

半导体制冷片如图3所示，其利用半导体两端通电后，在PN两级产生热端和冷端，从而实现将冷端的热量带到热端的目的，不过此种制冷片只是完成热量从冷端到热端的转移，如果热端的热量没有快速带走，其制冷效率会大大降低，而在HALT试验箱中，环境温度变化加大，散热效果无法得到保证，对局部的温度无法具体的控制。

通过表1对各种散热方式的分析以及目前国内外几种散热设备的比较，要实现-60℃～150℃宽温度范围的局部温度控制，只能通过化学制冷，采用干冰或者液氮作为制冷剂，但干冰制冷范围较窄，所以只能采用液氮作为制冷剂。

图3 半导体制冷片Fig.3 Semiconductor refrigeration chip

图4 冷却腔体内部剖面图Fig.4 internal profile of cooling cavity

2 液氮制冷方案

2.1 液氮冷却腔体设计

如图4所示，为液氮冷却腔体及进液管和出气管的连接示意图。液氮腔体的结构设计成周围带有真空层，其目的是为了有效隔热，隔断内腔与四周空间之间的热交换，使得液氮在内腔中气化时只从杯底吸收热量，提高了其对腔体底部被测器件的冷却能力，减少了对周围其它器件的温度干扰。液氮输入管带有真空层，也是为了隔断其与外界空间环境之间的热交换，防止液氮在输送的过程中影响周边空气温度。

进液管最好可以靠近杯子底部，这样可以保证液氮尽可能直接接触到冷却腔体底部，较少的受到杯子内部的氮气影响，提高制冷效果，排出管考虑到成本费用因素，可以不采用真空管，但其外部也需要用隔热材料包裹好，避免冷凝水形成，造成电路的短路。

2.2 安装架和导热支架设计

如图5所示，为导热支架、冷却腔体、安装架之间的连接装配图，其中导热支架是针对不同的元件需要专门定制，底面与对应元件接触，上表面与冷却腔体底部接触，要求导热性好，面光滑，四个角加固定孔与PCB锁住；导热支架上面放冷却腔体，用安装架压住锁紧，从而保证冷却腔体、导热支架和PCB上元件的热阻最小，冷却腔体外侧面用隔热材料包裹，在其外侧面靠底部预留一个小凸台，方便安装固定；杯盖采用凸台式设计，并在凸台周围附上塑胶密封圈，与杯体内腔契合，达到良好的密封效果，从而提高隔热效果，并防止氮气外泄对周围操作人员产生不良影响。

2.3 制冷系统设计

液氮制冷系统方案如图6所示，主要由真空杯、真空隔热管、排气管、杜瓦罐以及手动液氮泵等部件组成。为了保证冷却腔体能够与PCB上的CPU、桥芯片、板载式内存颗粒等元件接触良好，热阻较小，需要针对不同原件设计导热片，把冷却腔体安装上去后再装安装架固定，保证冷却腔体与PCB锁紧，使散热杯与功率原件紧密贴合[4]。

将冷却腔体上的液氮输入管接通液氮存储罐，通过手压泵将液氮泵入冷却腔体，快速进入冷却腔体的液氮在低气压环境中迅速气化成了氮气，由氮气输出管排出，同时从杯底吸收了大量的热，杯底变冷，导热架得到冷却，从而把元器件产生的热量带走，这样的过程不断循环会使主板上的单个器件持续冷却，通过增加液氮流量会使器件温度变得更低，直至低温保护点。主板不启动时测得的杯底导热架温度就是这个器件真实的低温操作温度，然后将液氮流量调节至最小，待该器件在周围环境的传导的对流热的作用下逐渐恢复（如不能够恢复工作，则此温度点为该器件的低温破坏限值温度点），再次增大流量降温，直到元件低温无法恢复工作为止，此时测得的温度点即为此元件的低温破坏点。

为了防止在大温差环境下的局部低温部分可能产生的凝露的问题，我们在冷却腔体周围及上盖，液氮输入管和氮气输出管等都包裹保温棉，加强其与环境之间的隔热作用，也可吸收电子元器件表面产生的少量水滴，防止电子元器件表面冷凝结水，导致短路。

图5 方案示意图Fig.5 Schematic diagram

图6 制冷系统连接图Fig.6 refrigeration system connection diagram

3 液氮冷却系统在工业设备中应用

本系统可应用于HALT实验，作为高温条件下各元件和模块的操作温度限值和破坏温度限值寻找和确认手段，从而建立产品的元件及模块温度限值数据库，为可靠性设计和降额提供支持[5]。另外，在方案可靠性预计阶段，通过温度限值数据库可以提供较精确的实际元件温度因子数据，摒弃了国内目前可靠性预计采用MIL-HDBK-217F、GJB299C、SR332等标准的滞后性，提高了方案阶段的元器件应力预计可靠性以及结果准确性，更好的指导工程师进行可靠性设计[6]。

本系统可以作为低温敏感元件的限值确认。如在做低温实验时，系统出现低温不开机情况，此时无法确认是由于哪些关键元件导致了主板的不开机，但通过液氮的局部冷却功能，就可以通过给局部元件降温来观察主板工作情况，同时记录对应工作状态的温度点，从而可以得到元器件的低温操作限值。

在验证客户端低温工作不良问题时，此系统也非常有用。可以在开机状态下，对局部的元件或模块进行降温，观察主板工作状态，从而确认低温状态下不开机的问题所在。如不久前有客户抱怨我们主板在北方较寒冷地区工作不稳定，温度较低时就会出现不开机的情况，通过独立温控装置对板载内存颗粒在开机状态下的局部冷却，发现，当温度低于-25℃时，内存颗粒出现工作不稳定状态，后面通过降低内存颗粒工作频率，从而达到可以保证在-25℃下可以正常开机。

另外，通过增加冷却头，可以同时控制两个温度元件或者模块，从而可以区分出元件及模块之间的温度关联性。如降温到-40℃出现主板不开机的情况，然后我们初步推断可能是由于CPU和内存颗粒低温性能不稳定造成的，此时可以升温到主板开机，然后对内存颗粒和CPU进行降温，并调节两者的温度，就可以区分出两个元件的温度敏感点。

4 结语

本文介绍了一种温度应力下评估产品可靠性设计的系统和方法，在高温度应力实验和可靠性问题验证以及可靠性参数提取方面都具有重要作用，随着进口元件、工业级和监控级元件的逐渐增加，成本问题不断凸显，如何做到可靠性经济设计以及温度敏感问题的快速验证，已经成为急切需要研究和突破的热点，此系统和方法可以为类似问题研究提供参考。

[1] 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.

[2] 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 Equipment[M]. 1999.

[3] 王雷，林诗美. HALT技术在工业系统的应用[J]. 新型工业化，2016，6（11）：86-89. WANG Lei，LIN Shi-mei. Application of HALT Technology in Industrial System [J]. The Journal of New Industrialization，2016，6（10）：86-89.

[4] 彭高亮，高贺鹏，刘文剑，等. 随钻压力测量装置电路板的抗振性研究[J]. 新型工业化，2013，3（9）：73-83. PENG Gao-liang. GAO He-peng，LIU Wen-jian，et al. Anti-vibration Performance Analysis of PCB on Logging while Drilling Device [J]. The Journal of New Industrialization，2013，3（9）：73-83.

[5] 陆廷孝，郑鹏洲，何国伟. 可靠性设计与分析[M]. 北京：国防工业出版社，1995. LU Ting-xiao，ZHENG Peng-zhou，HE Guo-wei. Reliability Design and Analysis[M].Beijing：National Defence Industry Press，1995.

[6] 蔡金燕. 电子装备系统性能可靠性分析与评估研究 [D]. 南京：南京理工大学，2010. CAI Jin-yan. Research on Analysis and Assessment of Systemic Performance Reliability for Electronic Equipment [D]. Nanjing：Nanjing University of Science & Technology，2010.

Application of Independent Temperature Stress in System Reliability Evaluation

WANG Lei1,2, CHEN Zhi-lie1,2
(1.EVOC Intelligent technology co., LTD, Shenzhen, Guangdong 518057, China; 2.National Special Computer Engineering Technology Research Center, Shenzhen, Guangdong 518057, China)

In the reliability design of the industrial system, by the temperature stress accelerating product potential defects and improving product reliability design, has become a current research hot spot. Under temperature stress, how to utilize the local temperature control to confirm system reliability limit and to distinguish the components under temperature stress sensitivity, becomes the problem that accelerated temperature stress tests must face. With independent temperature control method for reliability design and analysis, have relatively mature system abroad, but can query to the information is almost blank; Domestic applications mainly in the research institute and the military industry, and are rarely reference information. Through the analysis of theory and practical research, this paper designed a kind of temperature stress control system, and illustrated its application in the reliability evaluation method, and the principle of verifying temperature sensitive problem.

Reliability estimation; High temperature stress test; Independent temperature control

王雷，陈志列.独立温度应力施加在系统可靠性评估中的应用[J]. 新型工业化，2016，6（11）：100-104.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.11.014

: WANG Lei, CHEN Zhi-lie. Application of Independent Temperature Stress in System Reliability Evaluation[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(11) : 100-104.

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；陈志列（1963-），男，西北工业大学硕士学位，现为研祥智能股份有限公司董事长，主要研究方向为特种计算机研发设计