高加速壽命試驗

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　　高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Testing，簡稱HALT試驗）HALT一詞是Gregg K. Hobbs 於1988年提出的。是一種利用階梯應力加諸於試品，併在早期發現產品缺陷、操作設計邊際及結構強度極限的方法。試品通過HALT所暴露的缺陷，涉及線路設計、工藝、元部件和結構等方面。HALT的主要目的是在產品設計和試產階段，通過試驗，快速發現產品的潛在缺陷，並加以改進和驗證，從而增加產品的極限值，提高其堅固性及可靠性。施加於試品的應力，包括振動、高低溫、溫度迴圈、電力開關迴圈、電壓邊際及頻率邊際測試等。

　　HALT試驗是由美國軍方所延伸出的設計質量驗證與製造質量驗證的試驗方法，現已成為美國電子業界的標準產品驗證方法。它將原需花費6個月甚至1年的新產品可靠性試驗縮短至一周，且在這一周中所發現的產品問題幾乎與客戶應用後所發現的問題一致，故HALT的試驗方式已成為新產品上市前所必需通過的驗證。

　　HALT以連續的測試、失效分析、缺陷改進及驗證構成了整個程式，而且可能是個閉環迴圈過程。往往一個測試計劃，需要重覆進行幾次，除非一次性能經受加速應力試驗。其關鍵在於分析失效的根本原因。試驗的主要功能如下：

　　1．利用高環境應力將產品設計缺陷激發出來，並加以改善；

　　2. 瞭解產品的設計能力及失效模式；

　　3. 作為高應力篩選及制定品質核查規格的參考；

　　4. 快速找出產品製造過程的瑕疵；

　　5. 增加產品的可靠性，減少維修成本；

　　6. 建立產品設計能力資料庫，為研發提供依據並縮短設計製造周期。

　　高加速壽命試驗的具體測試內容包括以下幾點：

　　1. 逐步施加應力直到產品失效或出現故障；

　　2. 採取臨時措施，修正產品的失效或故障；

　　3. 繼續逐步施加應力直到產品再次失效或出現故障，並再次加以修正；

　　4. 重覆以上試驗→失效→改進的步驟；

　　5. 找出產品的基本操作界限和基本破壞界限。

　　今天，HALT的可靠性測試技術在國內外電子業界已得到廣泛關註和認識。因其具有傳統的環境試驗技術難以媲美的功效，目前被國外眾多知名企業採用。該試驗直接體現出來的重要性，有以下幾點：

　　1．快速暴露產品潛在缺陷；

　　2．通過試驗 → 改進 → 驗證這一迴圈方式，有效增加產品的極限值；

　　3．產品可靠性得到明顯提升；

　　4．大大縮短產品研發、設計、生產和上市周期；

　　5．長遠來看，降低產品成本。

　　編製和執行HALT和HASS測試文件時，常會接觸一些專業術語。下麵對一些常見的術語進行瞭解釋。

• 寬頻振動 —— 振動能量分佈在較寬的頻率範圍（如：20～10000Hz）。
• 破壞極限 —— —個或多個產品的工作狀態不再滿足技術條件要求，且應力降低後，產品也不能恢復正常工作的那個應力強度值（硬故障）。
  • 破壞極限包括：破壞極限上限值（Upper Destruct Limit, UDL）
  • 破壞極限下限值（Lower Destruct Limit, LDL）
  • 對於振動實驗只有上限。
• 功能監測 —— 監測產品工作狀態、工作性能以及工作參數等，從而判斷產品是否失效或退化。監測還可以包括內部診斷（內部結構分析）。功能監測貫穿於整個高加速壽命試驗（HALT）過程。
• 工作（操作）極限 ——一個或多個產品的工作狀態不再滿足技術條件要求，但應力降低後，產品仍能恢復正常工作的那個應力強度值（軟故障）。工作（操作）極限包括：
  • 工作（操作）極限上限值（Upper Operating Limit, UOL）
  • 工作（操作）極限下限值（Lower Operating Limit, LOL）
  • 對於振動實驗只有上限。
• 功率譜密度（Power Spectral Density, PSD）—— 在隨機振動曲線中與頻率相對應的量級參數，單位為g2/Hz. 通常情況下也可以與加速度譜密度相對應（Acceleration Spectral Density，ASD，單位為m2/s3）
• 重覆衝擊振動 —— 一種由重覆衝擊脈衝激勵所形成的振動。由氣錘衝擊振動臺面所產生的振動為典型的重覆衝擊振動。
• 故障根本原因分析（Root Cause Analysis，RAC）—— 確定產品故障或失效的原因，全面理解故障模式和故障原因。分析過程可能需要運用一些失效分析工具，例如掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡等。
• 六自由度振動（Six Degree of Freedom Vibration）—— 一種模擬三軸六個方向振動的振動方式。
• 步進應力試驗 —— 通過逐級增加試驗應力，確定產品極限的試驗過程。
• 熱電偶 —— 把兩種不同材料的金屬導線一端連接（例如：熔接）在一起，作為溫度測量點的溫度感測器。由於熱電偶隨著溫度不同產生不同的熱電流，形成電壓差，通過採集電壓值就可以得出相應的溫度值。

　　1.形成試驗團隊

　　HALT測試，須由一個團隊參與。為保證HALT順利進行，並獲取良好的試驗效果，此團隊應由不同專業的技術人員組成，即涉及到與產品研發設計、製造工藝和質控等專業技術人員。

　　設計工程師幫助開展產品功能測試，判斷由於試驗應力增加可能引發的產品突發故障。他們要在整個HALT試驗和失效分析過程（例如：修複產品缺陷）中提供技術支持。其它方面的專業人員還應當包括可靠性工程師、製造工程師以及操作HALT試驗設備的人員。 無須所有的技術人員在整個HALT測試過程都要在現場，但在需要的時候，應該能夠及時加入團隊。在HALT試驗中出現問題時，相關技術人員應能在其技術領域內發揮其作用。

　　2.失效分析平臺

　　需要搭建相應的失效分析平臺，配備適當的分析工具。當產品在HALT試驗中出現故障時，分析並確定產品出現故障的根本原因。

　　3.HALT試驗前的技術會議

　　議程討論決定進行HALT試驗的相關測試細節：

　　1)HALT試驗儀器及樣品監測儀器等相關儀器的功能和參數的要求；

　　2)產品在臺面上的安裝方式；

　　3)監測樣品狀態的熱電偶和加速度感測器在產品上的安裝位置及方式；

　　4)確定HALT測試程式和試驗嚴酷度。

　　（註：HALT試驗後，團隊應進行總結，討論分析HALT試驗中出現的故障，尋找原因，從材料、器件、工藝或線路設計等方面制定相應的產品改進方案。）

　　高加速壽命試驗（HALT）設備，必須包括滿足以下要求的溫度試驗和振動試驗兩項基本能力，並且能同時進行溫度和振動的組合試驗。

　　1.振動試驗技術參數

　　1）6自由度（三軸向六個自由度）的重覆衝擊振動功能和準隨機振動功能；

　　2）振動能量可分佈帶寬：10Hz ～ 10000Hz；

　　3）臺面的最大振動輸出量級不小於35Grms（臺面不加負載）。

　　2.溫度試驗參數

　　溫度試驗是為了對產品進行快速的溫度變化試驗，這就要求HALT試驗設備的空氣迴圈系統能產生足夠大的風速，達到產品快速溫變效果以及保持溫度穩定。設備溫度試驗參數要求如下：

　　快速溫變能力（最大溫變速率不小於45℃/min）；

　　溫度變化範圍：-80℃～+170℃。

　　3.溫度數據的採集系統

　　進行高加速壽命試驗（HALT）時，需採集並監控試驗樣品的響應數據，包括溫度信息、振動信息以及性能參數等。

　　須配備溫度採集裝置，收集並儲存溫度感測器的數據信息，以驗證試驗過程中的溫度應力是否真正施加到產品上。這可以通過HALT試驗設備系統本身的溫度採集系統進行採集，還可以利用其它的多通道溫度採集系統來實現。溫度採集裝置中的熱電偶，必須在（-100℃～＋200℃）的溫變範圍內有穩定的溫度感應特性，熱電偶的線徑（直徑）應不大於0.3274mm。

　　4.振動數據的採集系統

　　採集並存儲振動感測器數據信息，是為了驗證試驗過程中的振動應力是否真正的施加到樣品上。這可以通過HALT試驗設備系統本身的振動頻譜採集系統進行採集，也可以利用能夠採集相關數據（例如：加速度，位移）和顯示振動頻譜的振動採集系統來實現。加速度感測器應配備三軸感測器，響應頻率範圍為2Hz ～10000Hz，加速度測量範圍為-500g～+500g。感測器的尺寸應該足夠小，這樣能夠監測樣品任何位置的振動響應。同時要求感測器的質量應足夠輕，這樣他們的重量就不會明顯地影響樣品的振動響應，或改變樣品的響應特征。

　　5.其它輔助測試設備

　　主要指產品的性能監測設備，用以判斷產品是否發生故障。

　　6.液氮和壓縮空氣供應

　　進行HALT試驗，需準備足夠的液氮，保證實驗順利進行。另壓縮機產生的壓力應與試驗設備匹配，典型值為0.8MPa。壓縮空氣用於驅動HALT試驗機的氣錘，最好經過乾燥處理，避免因空氣中含有水分導致氣動系統中的金屬部件鏽蝕。壓縮空氣流量需保證，一般而言，流量達250m3/h是足夠的。

　　1.試驗樣品應該用序列號或其它標識區分。

　　2.試驗中要確認有一個熱電偶粘貼在樣品上，作為試驗中溫度校準控制的熱電偶感測器。試驗溫度校準控制系統為一個閉環的溫度感應調控系統。熱電偶感應溫度應該儘量接近試驗的平均溫度，應該粘貼在樣品的外錶面，儘量安裝在熱容量相對較低的位置。不應把熱電偶安裝在發熱部件附件或樣品的密閉空間內。

　　3.試驗中，應該儘量保證溫度應力和振動能量能最大化地傳導給安裝在試驗臺上的試驗樣品。高加速壽命試驗（HALT）的目的是以通過加速樣品疲勞的方法來發現樣品的弱點。為達到準確的試驗效果，需要確定最佳的試驗樣品應力極值。

　　4.需要考慮樣品的尺寸和重量，選擇合適的HALT試驗設備進行試驗。

　　5.可以通過修改樣品的框架來提高樣品的熱傳導速率。例如，拆除樣品的面板或外殼，在樣品的底部開孔形成空氣的流通通道等。

　　6.試驗中，要把監測樣品溫度的熱電偶粘貼在合適的位置。一般放在以下幾個位置：發熱量大的元件與部件；對溫度敏感的電子元件和部件；高熱容量的部件。把熱電偶粘貼在高熱容量部件上，可以幫助確定必要的溫度極值點的試驗停留時間，使樣品達到穩定的溫度。

　　7.儘量使臺面振動量1：1傳遞到試驗樣品上。

　　8.測量試驗樣品振動響應的加速度感測器需要安裝在合適的位置，用來評估試驗樣品的振動響應特性。建議安裝位置：靠近支架安裝器件附近；振動最強的位置，如PCB板卡的中心位置；可能對振動比較敏感、脆弱的位置。

　　高加速壽命試驗不用於確定產品的壽命。因為我們關心的是使產品儘可能提高可靠性，可靠性量值的測定並不重要。然而，對於具有耗損時間的機械產品，儘可能準確地知道其壽命是非常重要的。

　　高加速壽命試驗比起加速壽命試驗來，一個重要優勢就是在找尋影響外場使用的缺陷方面的速度較快。完成一個典型的高加速壽命試驗僅需2-4天，而且我們找尋的最終將變成外場使用問題的缺陷的成功率非常高。

　　加速壽命試驗比起高加速壽命試驗的一個優勢是，我們不需要任何環境設備。通常，台架上試驗就足夠了。並且許多情況下，在用戶的設施上就能進行該試驗。另一個好處就是試驗能同時確定產品的壽命，而這一點對高加速壽命試驗來說卻做不到。

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