基于HALT 和HASS 试验的可靠性技术发展概述

2022-03-09张玲罗雨薇邱忠文

电子产品可靠性与环境试验 2022年1期

张玲，罗雨薇，邱忠文

（1.中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060；2.中电科技集团重庆声光电有限公司，重庆 400060）

0 引言

当今社会，电子行业的竞争环境越来越激烈，为了最大限度地满足用户的需求，必须在最短的时间内开发和生产出高可靠性的产品，而传统的可靠性试验是“通过型测试”，其设计裕度并不高，已远落后于社会技术发展[1]。如何找出产品在设计和生产过程中的缺陷，并最大限度地提高产品的可靠性，已成为可靠性试验技术领域的一个重要研究内容。近年来，国内外机构不断地开展和发展加速寿命试验、环境应力试验、高加速寿命试验（HALT： Highly Accelerated Life Test）和高加速应力筛选（HASS： Highly Accelerated Stress Screen）试验等环境试验和加速环境试验技术，为评估产品的设计和制造质量、揭示产品存在的问题、提高产品的可靠性提供了有力的工具。

1 高加速试验技术概述

传统的环境试验是在正常应力水平下进行测试，这种试验方法花费时间长、成本高、效率低且缺陷筛选不够彻底。为了克服传统环境试验的缺陷， HALT 和HASS 作为一种新的可靠性试验技术应运而生。在规定的时间内，高加速试验采用比产品正常使用条件下所经受的更为严酷的试验环境，获得比在正常条件下更多的产品信息，从而有效地评估产品的寿命[2-3]。

20 世纪90 年代以来，随着海、陆、空和电子等领域精密机电产品的使用越来越广泛[4]，作为产品可靠性试验的重要组成部分， HALT 和HASS正在逐渐地被国内外的制造行业接受和认可。目前，国内外的研究机构在该领域取得了一定的成果，内容涉及试验原理、方案设计与方法、试验仿真与分析及在不同领域的工程应用等[5]。

1.1 高加速寿命试验概述

1988 年，霍布斯G.K.首次提出了基于故障物理学的HALT， HALT 研究的主要对象是产品在研发过程中出现的故障或失效现象，对工艺和材料中暴露的缺陷进行分析和改进，通过步进递增的方式来施加模拟环境应力，达到加速暴露试样缺陷和薄弱部位的目的，从而提高产品可靠性的目的[6]。HALT 最大的特点是，在实施过程中，产品所承受的环境应力远高于产品设计的正常环境条件，这不仅能够获得产品的工作极限和破坏极限，有效地缩短故障暴露的时间，也为HASS 试验选择应力的类型和强度提供了依据。

通过HALT 的产品的可靠性得到极大的提高，在经历鉴定试验时，产品故障率大幅度地降低，使鉴定试验成为一种形式。此外， HALT 技术还极大地降低了产品寿命周期费用，缩短了产品研发、设计、生产和上市周期。

1.2 高加速应力筛选概述

传统的环境应力筛选（ESS： Environmental Stress Screening）因试验时间长、占用试验设备多、费用高等缺点成为制约大批量快速生产和降低生产成本的关键[3]。传统ESS 的应力水平尚不够高，不足以激发深层次的缺陷，而产品投入生产后还会由于生产过程中使用的材料、元器件、工艺和制造过程的偏离等引入制造缺陷，这些缺陷中有些明显的缺陷可以使用常规的检验手段来加以排除，但一些潜在的缺陷则必须通过施加一定的应力加以激发，变成明显的缺陷后才可能检查出来。因此必须进行高强度的ESS，特别是HASS。

2 实施HALT 和HASS 的主要过程

2.1 HALT 实施过程

2.1.1 HALT 试验的基本流程

HALT 方案的试验流程如图1 所示。首先，要确定进行HALT 的产品，设计合适的试验夹具，依次步进地施加应力；然后，通过测试相应的参数，发现产品潜在的缺陷，进行改进，不断重复该过程，直到应力施加到工作极限或破坏极限才停止试验。

图1 HALT 试验流程图

2.1.2 HALT 应力剖面设计

HALT 常用的应力种类有：温度（高温、低温、快速温度变化）、振动和电应力（拉偏和通、断电）等。 HALT 用于某一产品的最大应力量值，不能事先确定，要在施加步进应力过程中逐渐地确定，其基本原则是：激发出的缺陷在设计、工艺和材料上已无法进行改正，即已达到“技术基本极限” 时的应力；步进应力试验进行到计划和/或时间（速度）资源不允许继续时的应力或设备最大能力；人为设置的某一高应力做为极限，虽然没有达到“技术基本极限”，通过加大HALT 应力，可以提高发现故障模式的复盖率以减少样本，从而减少费用。从对受试产品施加的应力来看， HALT 试验包含温度步进应力试验、快速温变试验、振动试验和综合应力试验。 HALT 试验应力剖面的制定及参数的确定应基于产品工作极限和破坏极限值[7]，而工作极限和破坏极限必须由试验摸底得出。摸底试验应采用步进的方式逐步地增大，应力类型应是器件的各种敏感应力及应力组合。若综合应力摸底试验实施难度太大，可将应力组合作适当的简化。

例如：进行机械摸底试验时（如图2 所示），试验从起始量级G0开始，以恒定步长逐步地提高，当量级步进至g2且此时样品失效，则降低量级使样品恢复正常，记录恢复时的量级为g1；降低步长，将量级继续步进增加至g3，使样品失效，再次降低量级至g1，若样品恢复正常，则g1为样品工作极限GH；继续进行步进和恢复，直至量级步进至gn，且发生不可逆失效时停止，则gn为样品的破坏极限Gb[8]。

图2 摸底机械试验剖面

在进行摸底试验时，当应力增大到一定程度后，应适当地减小步进值，采取保守的施加方式探索其极限值，由于产品存在个体差异，故各个极限值应选择试验得出数据的最小值；若应力施加至设备能力极限仍然没有获得试验产品的极限时，则应选择设备极限值作为产品极限。 HALT 的效果不仅取决于所选应力的类型、大小、持续时间和敏感度，还取决于检测出被测产品故障的能力和及时性，功能监测和性能测量的完整性和准确性。在实施HALT 过程中，对产品测试时，需要对其功能和性能进行检查、测量和记录，其主要解决方法是对产品进行实时在线监测。

2.2 确定HASS 方案的基本过程

2.2.1 HASS 方案的确定过程

HASS 方案的确定过程如图3 所示，具体的步骤如下所述。

图3 HASS 方案的确定过程

a）根据HASS 工作应力极限（OL）和破坏应力极限（DL），选择理想剖面或常用剖面、确定温度极限（如常用剖面， 80%～85%OL）、确定振动极限（如常用剖面， 50%DL），根据产品规范确定其他应力极限。

b）设计HASS 初步方案： 1）选用合适的HASS 箱； 2）设计夹具，所设计的夹具应具有刚性好、重量轻和热惯性低等优点，需考虑产品边界条件； 3）进行验证筛选（POS），首先，需验证HASS 方案的有效性，具体方法为植入缺陷，进行HASS 暴露出所有的植入缺陷，若不能实现，则评估植入装置，重复该过程；其次，验证安全性。

c）寿命权衡，结合夹具特性进行，每个安装位置均用新产品运行HASS 方案，至少运行10 次；若产品在POS 验证中遭到破坏，则适当地降低应力使产品不被破坏。

d）将上述得到的HASS 方案用于生产运行一段时间，进行调整筛选最优化，收集数据，确认故障发生在第几个综合应力循环，考虑确保用一个循环就能激发所有故障需增加的应力，同时考虑现场和内场的故障情况，重复步骤c）。

e）确定最终HASS 方案。

2.2.2 HASS 应力剖面设计

将产品在生产制造过程中引入的潜在缺陷激发成明显缺陷并进行检测的过程被称为HASS。通常来说， HASS 选择易激发并且能够快速地激发产品潜在缺陷的应力[9-10]，而随机振动和快速温度变化作为最能激发产品潜在制造缺陷的应力，常用来作为HASS 试验的应力。在施加这两种类型的应力时，其强度一般要求远远地大于产品在实际储存、转移和使用过程中可能遇到的任何最大应力强度。HASS 的首要设计原则是通过提高应力，以极大地压缩HASS 时间。通常来说温度循环：高、低温值一般取上下工作应力的80%～85%，温变率大于30 ℃/min，进行2～3 个循环；高、低温台阶上的停留时间只需能完成产品的功能、性能检测或达到温度稳定即可（长者为准），一般规定为10 min；振动应力：取振动破坏极限的50%。根据产品的特点和其他情况，对已确定的这些环境参数进行适当的调整。对于强度退化导致的耗损故障，可以通过提高应力在短时间内快速地暴露耗损故障，是HASS 试验时间压缩的基本原理。 HASS 的应力范围如图4 所示。

图4 HASS 应力范围

3 HALT 和HASS 试验的应用

HALT 主要用于电子产品、机电产品、光电产品和机械产品，从较低层次的组装等级产品逐级地应用，更便于监视和寻找故障，以及后期设计改进，若低层次产品在进行过HALT 后功能和性能均正常，便可使用由其组成的更高层次的产品HALT，以节省费用；原则上， HALT 用的产品越多，发现的缺陷越全面，得到的应力极限越正确，可以通过提高应力量值的方式来减少样本数量。乔建军[11]等人对一种飞机刹车控制装置进行了研究，估算了HALT 应力对其的作用时间，并和第一个周转期中的使用应力的作用时间做了对比分析，实现了利用HALT 得到的数据对产品进行寿命和可靠性评估的目的；王强[12]等人将HALT 应用于某发动机控制器（ECU），经过两轮次试验，对HALT 的实际效果进行了评估，提高了ECU 的温度和振动极限，且温度循环和复合应力在规定的周期数内均未出现失效，证实HALT 能够在降低时间成本和使用样本数的前提下，极大地提高产品裕度。

产品在批量制造过程中，如果没有进行生产过程控制和记录统计，且未达到稳定状态，则涉及该批次的所有产品均需进行HASS 试验。在HASS 试验过程中，将使用比产品正常使用经受到的或远高于产品设计规范中规定的应力进行筛选，剔除早期缺陷。但是， HASS 试验并不适用于所有的产品，一方面，需要花费大量的人力、物力才能实现和完成；另一方面，产品如果在经过设计阶段、制造阶段和HALT 以后，已经达到了可靠性要求，就无需再进行HASS 试验[13]。由于不同产品的性能不同，其工作极限和失效极限也不同，因此HALT 和HASS 试验的应力强度和类型没有统一的标准，应根据产品各自的特点，选择合适的产品应力类型和应力值。王艳玲[14]等人，开展了以航天地面电源为研究对象的HALT 的应用研究，通过对传统的可靠性试验和HALT 结果的分析比较，证明了高加速试验的绝对优势；基于双余度永磁同步发电机可靠性高、寿命长的特点，张永胜[15]等人，开展了对电机的加速寿命试验研究，并建立双余度永磁同步发电机的多应力加速寿命分布模型；实践证明，在周期短、样本数少的情况下， HALT 能够提升样品的工作极限裕度和破坏极限界限，达到提高产品现场可靠性的目的。