【知識簡介】

 

高加速壽命試驗（Highly accelerated life test, HALT），是一種發現缺陷的工序，它通過設置逐級遞增的加嚴的環境應力，來加速暴露試驗樣品的缺陷和薄弱點，而后對暴露的缺陷和故障從設計、工藝和用料等諸方面進行分析和改進，從而達到提升可靠性的目的，最大的特點是設置高于樣品設計運行限的環境應力，從而使暴露故障的時間大大短于正常可靠性應力條件下的所需時間。

 

 

【工作原理】

 

Gregg K. Hobbs曾設計了一種金屬試件，就強化應力對疲勞壽命的影響效果進行了研究，發現當應力增加1倍時，疲勞壽命降低為原來的1/1000。

 

對于有缺陷的產品，缺陷處應力集中系數高達2～3倍，疲勞壽命就相應降低了好幾個數量級，這樣就有缺陷元器件和無缺陷元器件在相同的強化應力作用下疲勞壽命拉大了檔次，使有缺陷元器件迅速暴露同時無缺陷元件損傷甚小。

 

這一試驗結果也清楚的說明了HALT試驗技術的基本原理。另外，強化應力激發產品缺陷的有效性以及所激發出的缺陷與正常使用環境下導致產品失效的各類缺陷相關性也通過試驗和實踐得到證實。

 

【指南全文】

 

目的

 

本文檔主要用于指導企業實施高加速壽命實驗過程。

如果嚴格按照本指南實施，可以得到一個理想的高加速應力壽命實驗結果，推廣更多具有可靠性的產品到市場。

 

范圍

 

在本文檔中，成功執行和實施HALT過程的基本原理將被詳細描述。

它明確了技術人員職責、工具和設備需求以及測試試驗資質。

如果堅持按照本文檔實施，就能夠獲得最基本的指南以執行和完成一個成功的HALT試驗。

本指南可用于各種產品部件，包括電子產品、電子－ 機械產品或者單純的機械產品。

 

定義

 

寬頻振動：在寬頻率范圍內包含能量的振動(20~10,000Hz)。

糾正措施：這里是指為了消除產品缺陷而進行的設計或者過程的改變。糾正措施可以包括部件或者材料改變，也包括產品設計和生產過程的變化。

破壞極限：是指讓一個或者多個產品不再擁有產品規范里規定的產品功能特性，即使應力降低，產品也不能恢復。如我們常見的硬失效。

功能測試：產品的一種測試，通過測量產品的功能性能、產品使用或者邊界參數來評判產品是否實效（不能完成產品規定的功能）或者退化是否發生，這種測試也可以包括內部診斷。功能性測試貫穿于HALT試驗的整個環境應力過程。

Grms：以均方根表示的振動 G，其中 G 是重力加速度。

高加速壽命試驗：一種利用步進應力的過程，通過不同的加速應力發現產品的設計局限。HALT主要用于暴露產品的應力極限和確認產品的缺陷。

功能極限：是指使得產品規范中規定的一個或者多個產品功能特性實效的之前的應力。當這個應力降低的時候，產品能夠回復，就如同我們常見的軟失效。

功率譜密度：一種描述隨機振動譜幅度和頻率的測量單位，常用單位G2/Hz表示。通常也指加速譜密度（ASD）

偽隨機振動：非周期振動，包含帶寬內的所有頻率，在相位和幅度上連續變化。

重復沖擊振動：一種源于重復振動沖擊激勵的振動。通常是由氣錘產生，反饋到振動臺上。

失效分析：確認缺陷或者瑕疵真實原因的過程。全面理解如何失效和為什么失效。這個過程可能需要失效分析工具，如電子顯微鏡掃描等

六自由度隨機振動：一種同時包含三個水平方向和三個垂直方向加速能量的振動。

步進應力：一種持續增加應力水平直到確認產品極限的過程。

熱電偶：溫度傳感器，通常由兩種不同的金屬材料連接起來制成。可以通過測量熱電流和產生的與溫度成正比的潛在電壓來測量溫度。

 

人員要求

 

高加速壽命試驗小組必須包括那些獨立的，不與產品設計和測試有關的人員。HALT測試通常需要多個學科之間的相互合作。這些學科包含設計工程和測試工程專家技術。設計工程師將能幫助產品功能測試的開發。這包含確認增加應力從而使得發現產品實效。他們也可以在HALT測試和實效分析過程中提供幫助，如發現并修理故障缺陷。這些獨立的人員并不需要跟蹤整個HALT試驗過程，但是一旦有需要就能發生作用。其他學科也包含可靠性工程，制造工程和運行HALT系統的職員，如果他們不是上述幾個組的成員的話。每一個學科的人員在HALT結果提出的時候在各自的專家領域負責。

實效分析試驗室也可能在HALT過程中用于確認實效的根本原因。

交叉功能評審會：這個評審委員會應按照規定的基礎，通過會議確認HALT的測試需求、評審過去的HALT結論并且開發新的測試計劃用于將來的試驗。會議作出的結論應該被記錄并保存。這個會議應該在產品的HLAT之前和之后進行。

HALT準備會日程：會議關鍵的議題包含確認HALT測試的規程、功能測試需求和產品固定到臺面的方法、產品部件或者本地的熱電偶探頭或者加速計。

HALT總結會日程：會議主要對HALT結果進行評審，包括討論失效和糾正措施計劃。

 

試驗設備要求

 

HALT試驗箱要求：被用于執行HALT試驗的設備必要要求能夠產生溫度和振動應力（在下文中確定的）。設備必須能夠在同一時間同一試驗箱中產生這些應力（必須是綜合應力箱）。

振動：HALT試驗箱的技術指標是：具有6自由度的（3水平和3垂直）的重復沖擊振動和偽隨機振動。帶寬從10赫茲到10000赫茲。振動臺空載時最小要達到35Grms。

溫度：其目標是強迫產品得到快速的溫度變化率。試驗箱擁有足夠的空氣流動率來產生所期望的快速溫度變化率和保持溫度穩定是非常重要的。溫變率最小應能達到45ºC/min。溫度范圍為-80ºC 到170ºC。

試驗室測試設備：HALT過程中產品的響應數據應能被收集。這些數據包括溫度、振動和產品功能性能。

溫度數據（施加于產品上面的溫度應力）的收集和存儲應該能被證明是真實可信的。這些可以利用HALT系統上面的可靠的熱電偶探頭通道或者通過使用多通道的測試設備來獲取數據。

振動應力數據（施加于產品上面的振動應力）的收集和存儲應該能被證明是真實可信的。這些可以利用HALT系統上面的可靠的加速計探頭通道或者使用頻譜分析儀通過傳感器來分析并顯示數據。

加速計用于測量振動時產品的響應。這些加速計應該是小質量類型的（如4號 Grams），頻率響應范圍為2Hz到 10KHz，測量范圍為± 500g’s。加速必須足夠小，以便于安裝在期望的位置，而且必須足夠輕，以致于不能產品明顯的影響或者改變測試樣本振動動態特性。

熱電偶用于測量產品的溫度響應。熱電偶線的使用是必須的。在HALT試驗中使用的熱電偶必須有足夠的穩定特性在整個試驗箱溫度范圍內（近似在-100ºC到 +200ºC）。熱電偶線纜的直徑不應該超過22口徑。

 

測試設備安裝要求

 

HALT系統，輔助測試設備的安裝與使用必須滿足設備制造商的指示說明一致。

確認用于HALT測試所有的測試設備均是經過校準計量和可用的。在測試報告文檔中的測試設備文檔內容部分應該包含設備說明、型號、序列號和校準計量情況。

 

測試樣本

 

測試樣本必須是用序列號或者其他標識方法能夠相互區別。

確保熱電偶（控制熱電偶）被正確的安裝在測試樣本上，以便于提供參考給試驗箱溫度設置調整點。用于HALT系統溫度控制通道的熱電偶通常使用無循環反饋的溫度測量。產品的熱電偶安裝在能夠獲得較為精確的樣本平均溫度的位置。產品的熱電偶必須放置在測試單元的外表面，最好放在低熱量聚集的地方。這些熱電偶不應該放置在產生熱量的器件附近或者產品密封部分的內部。

確保安裝在振動臺的測試樣本使用了合適的樣本夾具，從而能夠使得測試樣本獲得最大的溫度和振動應力。由于測試的目的是激勵產品，加速疲勞損傷從而暴露產品缺陷。因此， 最大的應力加在產品上面是有益的。

產品尺寸和重量應當被考慮，尤其在確定某些特定的試驗箱產生正確的應力。

施加在樣本上面的溫度變化率應能通過修改樣本測試底架得到改善。比如，去掉面板或者蓋子，產生一個開放的空氣通道，通過樣本測試底架的測試洞。

產品的響應熱電偶應當被安裝在能夠充分評估樣本在溫度環境下響應的位置。建議安裝位置包括產生主要熱量的器件、溫敏器件。設計用于響應溫度變化的部件和為了獲得溫度穩定性，提供對時間的累積效應而進行測量的部位。

振動的目的就是要一對一的轉換振動臺的能量到樣本上。

產品響應加速計應該被安裝在能夠充分評估產品對輸出振動響應的位置。建議安裝位置：靠近固定硬件、最大的反饋點（PCB中央）或者疑似的薄弱位置。

試驗中的樣本功能性測試應該應該保證足夠的覆蓋性以確定樣本的全面性能，并且能測出實效模式的多種類型。這種測試必須包含產品的主要功能，通過對每個功能性能的反饋進行測量。功能性測量的目的是完成百分之百的測試覆蓋，或者盡可能的完成試驗過程中的樣本測試。

 

功能性測試要求

 

產品特定應力：這些特定的應力用于產品的測試或者在每個步進應力時執行，用以增強實效激發和檢測。這些應力可以為電應力循環，也可以包括線性電壓極限值、線性頻率極限值、直流電壓極限、裝車振蕩器極限、輸出負載和其他適用的應力。這些特定應力在整個HALT過程的每一個應力水平上的功能性測試中都應該進行。

樣本的功能性測試必須進行記錄。這些記錄應該明確的提供測試覆蓋性的數量，百分比， 也應該包括測試實施過程的詳細描述。必須明確產品是如何測試和測試了什么。文檔必須能夠提供證據表明在HALT準備會中提出的功能性測試目標的實現情況。

在開始HALT之前，測試樣本必須獨立地進行一個或者多個循環的功能性測試，以保證測試安裝的完整性和獲取測試樣本的性能基線。

在每一個應力水平，功能性測試都必須進行以評估樣本的功能。文檔必須詳細的記錄樣本退化的發生和發生條件，包括樣品的使用極限和破壞極限和其他重要的注釋。

 

測試報告和文檔

 

數據收集和存儲要求

試驗數據必須充分詳盡的進行匯集和存儲，以便于在需要的時候能夠輕易的再現試驗的過程和順序。產品響應測量和HALT系統數據（包含溫度數據和振動數據）應在整個測試過程中進行收集。

文檔應該準確而清晰，呈現試驗結果和其他與測試有關的信息。文檔應該包含：

明確是由誰實施的HALT。

測試樣本應該被標識，聽過唯一的識別號（如序列號），同時應包括版本信息；

背離HALT程序的部分

測試日期

在測試過程中對產品夾具的描述，包括照片；

詳細而精確的溫度和振動數據測量（包括振動臺，圖表和照片）

產品本地響應傳感器（熱電偶和加速計）

在樣本上實施的功能性測試描述；

HLAT應力作用于測試樣本上的情況，詳細描述樣本退化和發生的條件，包括產品的功能和破壞極限以及其他重要的注解。

實效分析的信息和結果

任何糾正措施的應用情況

 

高加速壽命試驗程序

 

本節主要定義了在產品上實施HALT實際過程中使用的方法和活動。

 

溫度步進應力

 

溫度步進應力應該開始于環境溫度（20°C 到30°C）；

溫度應力的步進最大為10°C。

累計時間最小為10分鐘，在溫度的設置點穩定之后（是否穩定由樣品的熱電偶響應來決定）。完整的功能性測試在累計過程或者在整個階段進行。

溫度步進應力應當持續，直到樣本的性能極限被確認或者達到溫箱的最大溫度。

一旦功能極限被確認，溫度應力每次 10℃的增加過程應該繼續進行，除非已從功能極限到達破壞極限或者到達溫箱的極限。無論如何，在樣本沒有工作之后，在每個累計階段降低溫度應力（如返回到20℃或者20℃和應用極限之間的某個溫度）來確認樣本是否還能工作是非常有必要的。

 

快速溫變應力測試

 

最少應該進行5個溫度應力循環，除非完成之前遇到破壞失效。溫變率按照可達到的最大溫變速率來進行。

溫度循環溫度范圍應該與在溫度步進應力中找出的溫度應用極限上限值和溫度性能極限的下限值的最小相差10°C。例如：如果溫度性能極限下限值被確定為-50°C，溫度性能極限上限值確定為100°C，那么溫度變化的范圍可以是-40°C 到90°C。

累計時間最小為5分鐘，在溫度的設置點穩定之后（是否穩定由樣品的熱電偶響應來決定）。累計時間可以增加，從而使得大部分器件的溫度至少達到溫度范圍的80％。

樣本的功能性測試應按照一個持續的基礎進行，直到貫穿于整個暴露的轉換部分，如果有可能的話，以確定是否存在熱變率敏感的問題。

 

振動應力測試

 

振動步進應力開始于箱子的設置點2 到5 Grms，頻率范圍推薦超過2Hz 到2000Hz或者更大的帶寬(推薦5 Grms)。振動應力的增量為2 到5 Grms之間(推薦5 Grms)并在完成累積階段進行功能性測試時。

在每個應力水平駐留時間最小為10分鐘。功能性測試應該在每一個10分鐘的累積結束后進行。因此在每個振動應力水平的累計時間可以用在樣本上完成的功能性測試循環次數來表示。要注意的是，推薦在整個階段實施功能性測試，無論如何在10分鐘的累計之后最低限度應進行測試。

振動步進應力應到持續，直到達到樣本的功能極限被確認或者達到試驗箱的極限。

一旦功能性極限被確認，先前定義的振動應力增加的過程應當繼續進行，直到從功能性極限達到破壞極限或者達到試驗箱的最大值。無論如何，如果樣本不在工作了，可以降低振動應力到每個累積應力水平以便確認樣本是否還能工作。可以返回到0 Grms或者0 Grms和功能性極限之間。

 

復合環境應力測試

 

至少需要5個綜合環境應力循環，除非在完成5個循環之前遇到破壞性失效。

復合環境應力試驗的溫度剖面應在溫度功能性極限之間循環。每個極限溫度的最小累積時間為10分鐘。

五個必需的循環的振動起始應力取決于在5個振動步進應力中的最大值的五分之一。在每個同時進行的溫度循環中，振動水平還是按照相同的數量逐步增強。因此，如果樣本在振動步進應力中經歷了35 Grms的破壞極限，那么第一個綜合應力循環推薦的振動應力水平為7 Grms。振動水平在每完成一個溫度循環的同時增加7 Grms。循環1：7 Grms；循環2：14Grms ；循環3：21Grms；循環4：28Grms；循環5：35Grms。如果在振動步進應力試驗的時候沒有找到破壞極限，則按照達到的最大振動應力的五分之一進行。注意的是應當按照較小的開始振動應力和增幅水平。

 

高加速應力試驗結束后的測試

 

在完成暴露實效模式之后，HALT程序還應當繼續。下一個程序是確定為什么失效會發生和確定如何處理。這個過程包含了原因分析過程和糾正措施過程。工程師決定是否需要作出或者調整根據HALT試驗結果所采取的行動。

原因分析：HALT試驗不可分割的一部分，它是確定試驗過程中失效原因分析確定的過程。這個過程可能需要失效分析試驗室，不管是室內或者室外的。對某個具體失效的根本原由必須要深入透徹的了解。只有原因清楚的時候，相應的糾正措施才是有效。工程師來判定作出結論，評估是否應該采取糾正措施，是否所有的或者那些失效需要消除、弱化或者遺留。

原因分析過程必須被記錄，包括失效模式、準確的失效原因、如果不確定，那么疑似的原因。這些也應該包括失效分析試驗室的結果，如果可能的話，還包括在缺陷位置對應的破壞照片。

跟蹤所有過程、記錄和報告所有過程。

這個過程應該被確認，并進行所有的原因分析調查。這里面應該包含這樣的程序和報告結構：即對分析的完整性和準確性進行評審和決定的權威性。

設備應該具備失效分析能力，或者可以利用一個外部的獨立的設備來完成這個職能。

失效原因分析應該在HALT試驗過程中就開始努力去了解失效模式，當功能性限制或者失效出現的時候。這樣可以在HALT試驗過程中對有限的樣本完成健壯。這將有利于樣本能夠承受更大的應力從而發現更多潛在的失效模式。其他的一些方法也可以進行，比如說在更大的應力的時候將部件隔離進行研究。比如，取出試驗箱內較弱的器件，在試驗箱內連接樣本以維持系統的功能。

糾正措施：通過失效分析過程完全明了失效模式之后糾正措施就應當進行。公司應當對文檔，報告負責，如果需要的話，應該對在HALT中確認的所有設計和生產缺陷進行糾正。

糾正措施是和原因分析的概要和有相應的公司決策者評審的工作報告綁定在一起的， 這些包括應該包括成本評估，重新設計的理由；和評估產品設計極限的改進情況。基于對結果的評估，才能對是否完成設計更改或者遺留不做更改的結論。

工程師重新設計決定的決策過程應該被確定并且應該進行所有的糾正措施。這就應該包括對信息報告的完整性和準確性的進行評估的決策權威性和評審相關的程序和內容。

確認HALT: 當產品重新設計完成糾正措施之后，HALT過程就結束了。對產品設計和生產過程的改變適合HALT試驗對產品樣本所作的項目緊密聯系的。HALT試驗的目的就是評估糾正措施改變完成后的影響。是否提高或者消除了在以前HALT早期發現的缺陷，是否改變會帶來其他的一些新的問題。

文檔程序必須存在，以便建立一個標準，HALT實施的需要的確定的條件是什么。推薦確定的HALT在所有的項目上使用或者至少在重要的設計更改上使用。

HALT確認必須進行，因為其可以對所有的HALT過程的繼承性十分有益。無論如何， 一個調整了HALT也是可以接受的。HALT也可以使用2倍的步進環境應力增長或者更多的需要 注意的感興趣的應力水平。比如在早期HALT中樣本失效的應力水平。

HALT測試報告記錄是必須的，這能確認結果和提供類似結果的數據。這些報告應該采用相同的格式和風格，作為標準的HALT報告。

產品工程化更改：對正在生產的產品，在產品進行完成最后的HALT進行設計更改的同時需要評估產品設計退化的可能性。推薦當對產品進行更改的時候，HALT應該進行以評估更改的效果，這個更改可能導致重新設計或者賣主的變化。

文檔程序（可能包括公司的產品更改命令）必須存在，以建立一個標準，確定什么樣的條件下需要驗證HALT。比如，在完成一個或者多個工程更改后，在完成主要子系統或者部件更改后。推薦所有的更改都應當進行驗證HALT或者至少應該在重要的工程更改后應當進行。

HALT應該周期性的進行，典型的是在每隔3到9個月。這可能沒有必要如果產品進行了HASS生產過程。