高加速寿命试验

高加速寿命试验概述

　　高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Testing，简称HALT试验）HALT一词是Gregg K. Hobbs 于1988年提出的。是一种利用阶梯应力加诸于试品，并在早期发现产品缺陷、操作设计边际及结构强度极限的方法。试品通过HALT所暴露的缺陷，涉及线路设计、工艺、元部件和结构等方面。HALT的主要目的是在产品设计和试产阶段，通过试验，快速发现产品的潜在缺陷，并加以改进和验证，从而增加产品的极限值，提高其坚固性及可靠性。施加于试品的应力，包括振动、高低温、温度循环、电力开关循环、电压边际及频率边际测试等。

　　HALT试验是由美国军方所延伸出的设计质量验证与制造质量验证的试验方法，现已成为美国电子业界的标准产品验证方法。它将原需花费6个月甚至1年的新产品可靠性试验缩短至一周，且在这一周中所发现的产品问题几乎与客户应用后所发现的问题一致，故HALT的试验方式已成为新产品上市前所必需通过的验证。

高加速寿命试验的功能

　　HALT以连续的测试、失效分析、缺陷改进及验证构成了整个程序，而且可能是个闭环循环过程。往往一个测试计划，需要重复进行几次，除非一次性能经受加速应力试验。其关键在于分析失效的根本原因。试验的主要功能如下：

　　1．利用高环境应力将产品设计缺陷激发出来，并加以改善；

　　2. 了解产品的设计能力及失效模式；

　　3. 作为高应力筛选及制定品质核查规格的参考；

　　4. 快速找出产品制造过程的瑕疵；

　　5. 增加产品的可靠性，减少维修成本；

　　6. 建立产品设计能力数据库，为研发提供依据并缩短设计制造周期。

高加速寿命试验的内容

　　高加速寿命试验的具体测试内容包括以下几点：

　　1. 逐步施加应力直到产品失效或出现故障；

　　2. 采取临时措施，修正产品的失效或故障；

　　3. 继续逐步施加应力直到产品再次失效或出现故障，并再次加以修正；

　　4. 重复以上试验→失效→改进的步骤；

　　5. 找出产品的基本操作界限和基本破坏界限。

高加速寿命试验的意义

　　今天，HALT的可靠性测试技术在国内外电子业界已得到广泛关注和认识。因其具有传统的环境试验技术难以媲美的功效，目前被国外众多知名企业采用。该试验直接体现出来的重要性，有以下几点：

　　1．快速暴露产品潜在缺陷；

　　2．通过试验 → 改进 → 验证这一循环方式，有效增加产品的极限值；

　　3．产品可靠性得到明显提升；

　　4．大大缩短产品研发、设计、生产和上市周期；

　　5．长远来看，降低产品成本。

高加速寿命试验的相关术语

　　编制和执行HALT和HASS测试文件时，常会接触一些专业术语。下面对一些常见的术语进行了解释。

• 宽带振动 —— 振动能量分布在较宽的频率范围（如：20～10000Hz）。
• 破坏极限 —— —个或多个产品的工作状态不再满足技术条件要求，且应力降低后，产品也不能恢复正常工作的那个应力强度值（硬故障）。
  • 破坏极限包括：破坏极限上限值（Upper Destruct Limit, UDL）
  • 破坏极限下限值（Lower Destruct Limit, LDL）
  • 对于振动实验只有上限。
• 功能监测 —— 监测产品工作状态、工作性能以及工作参数等，从而判断产品是否失效或退化。监测还可以包括内部诊断（内部结构分析）。功能监测贯穿于整个高加速寿命试验（HALT）过程。
• 工作（操作）极限 ——一个或多个产品的工作状态不再满足技术条件要求，但应力降低后，产品仍能恢复正常工作的那个应力强度值（软故障）。工作（操作）极限包括：
  • 工作（操作）极限上限值（Upper Operating Limit, UOL）
  • 工作（操作）极限下限值（Lower Operating Limit, LOL）
  • 对于振动实验只有上限。
• 功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）—— 在随机振动曲线中与频率相对应的量级参数，单位为g2/Hz. 通常情况下也可以与加速度谱密度相对应（Acceleration Spectral Density，ASD，单位为m2/s3）
• 重复冲击振动 —— 一种由重复冲击脉冲激励所形成的振动。由气锤冲击振动台面所产生的振动为典型的重复冲击振动。
• 故障根本原因分析（Root Cause Analysis，RAC）—— 确定产品故障或失效的原因，全面理解故障模式和故障原因。分析过程可能需要运用一些失效分析工具，例如扫描电子显微镜、光学显微镜等。
• 六自由度振动（Six Degree of Freedom Vibration）—— 一种模拟三轴六个方向振动的振动方式。
• 步进应力试验 —— 通过逐级增加试验应力，确定产品极限的试验过程。
• 热电偶 —— 把两种不同材料的金属导线一端连接（例如：熔接）在一起，作为温度测量点的温度传感器。由于热电偶随着温度不同产生不同的热电流，形成电压差，通过采集电压值就可以得出相应的温度值。

HALT试验前的准备工作

　　1.形成试验团队

　　HALT测试，须由一个团队参与。为保证HALT顺利进行，并获取良好的试验效果，此团队应由不同专业的技术人员组成，即涉及到与产品研发设计、制造工艺和质控等专业技术人员。

　　设计工程师帮助开展产品功能测试，判断由于试验应力增加可能引发的产品突发故障。他们要在整个HALT试验和失效分析过程（例如：修复产品缺陷）中提供技术支持。其它方面的专业人员还应当包括可靠性工程师、制造工程师以及操作HALT试验设备的人员。无须所有的技术人员在整个HALT测试过程都要在现场，但在需要的时候，应该能够及时加入团队。在HALT试验中出现问题时，相关技术人员应能在其技术领域内发挥其作用。

　　2.失效分析平台

　　需要搭建相应的失效分析平台，配备适当的分析工具。当产品在HALT试验中出现故障时，分析并确定产品出现故障的根本原因。

　　3.HALT试验前的技术会议

　　议程讨论决定进行HALT试验的相关测试细节：

　　1)HALT试验仪器及样品监测仪器等相关仪器的功能和参数的要求；

　　2)产品在台面上的安装方式；

　　3)监测样品状态的热电偶和加速度传感器在产品上的安装位置及方式；

　　4)确定HALT测试程式和试验严酷度。

　　（注：HALT试验后，团队应进行总结，讨论分析HALT试验中出现的故障，寻找原因，从材料、器件、工艺或线路设计等方面制定相应的产品改进方案。）

HALT试验的设备要求

　　高加速寿命试验（HALT）设备，必须包括满足以下要求的温度试验和振动试验两项基本能力，并且能同时进行温度和振动的组合试验。

　　1.振动试验技术参数

　　1）6自由度（三轴向六个自由度）的重复冲击振动功能和准随机振动功能；

　　2）振动能量可分布带宽：10Hz ～ 10000Hz；

　　3）台面的最大振动输出量级不小于35Grms（台面不加负载）。

　　2.温度试验参数

　　温度试验是为了对产品进行快速的温度变化试验，这就要求HALT试验设备的空气循环系统能产生足够大的风速，达到产品快速温变效果以及保持温度稳定。设备温度试验参数要求如下：

　　快速温变能力（最大温变速率不小于45℃/min）；

　　温度变化范围：-80℃～+170℃。

　　3.温度数据的采集系统

　　进行高加速寿命试验（HALT）时，需采集并监控试验样品的响应数据，包括温度信息、振动信息以及性能参数等。

　　须配备温度采集装置，收集并储存温度传感器的数据信息，以验证试验过程中的温度应力是否真正施加到产品上。这可以通过HALT试验设备系统本身的温度采集系统进行采集，还可以利用其它的多通道温度采集系统来实现。温度采集装置中的热电偶，必须在（-100℃～＋200℃）的温变范围内有稳定的温度感应特性，热电偶的线径（直径）应不大于0.3274mm。

　　4.振动数据的采集系统

　　采集并存储振动传感器数据信息，是为了验证试验过程中的振动应力是否真正的施加到样品上。这可以通过HALT试验设备系统本身的振动频谱采集系统进行采集，也可以利用能够采集相关数据（例如：加速度，位移）和显示振动频谱的振动采集系统来实现。加速度传感器应配备三轴传感器，响应频率范围为2Hz ～10000Hz，加速度测量范围为-500g～+500g。传感器的尺寸应该足够小，这样能够监测样品任何位置的振动响应。同时要求传感器的质量应足够轻，这样他们的重量就不会明显地影响样品的振动响应，或改变样品的响应特征。

　　5.其它辅助测试设备

　　主要指产品的性能监测设备，用以判断产品是否发生故障。

　　6.液氮和压缩空气供应

　　进行HALT试验，需准备足够的液氮，保证实验顺利进行。另压缩机产生的压力应与试验设备匹配，典型值为0.8MPa。压缩空气用于驱动HALT试验机的气锤，最好经过干燥处理，避免因空气中含有水分导致气动系统中的金属部件锈蚀。压缩空气流量需保证，一般而言，流量达250m3/h是足够的。

对试验样品的要求

　　1.试验样品应该用序列号或其它标识区分。

　　2.试验中要确认有一个热电偶粘贴在样品上，作为试验中温度校准控制的热电偶传感器。试验温度校准控制系统为一个闭环的温度感应调控系统。热电偶感应温度应该尽量接近试验的平均温度，应该粘贴在样品的外表面，尽量安装在热容量相对较低的位置。不应把热电偶安装在发热部件附件或样品的密闭空间内。

　　3.试验中，应该尽量保证温度应力和振动能量能最大化地传导给安装在试验台上的试验样品。高加速寿命试验（HALT）的目的是以通过加速样品疲劳的方法来发现样品的弱点。为达到准确的试验效果，需要确定最佳的试验样品应力极值。

　　4.需要考虑样品的尺寸和重量，选择合适的HALT试验设备进行试验。

　　5.可以通过修改样品的框架来提高样品的热传导速率。例如，拆除样品的面板或外壳，在样品的底部开孔形成空气的流通通道等。

　　6.试验中，要把监测样品温度的热电偶粘贴在合适的位置。一般放在以下几个位置：发热量大的元件与部件；对温度敏感的电子元件和部件；高热容量的部件。把热电偶粘贴在高热容量部件上，可以帮助确定必要的温度极值点的试验停留时间，使样品达到稳定的温度。

　　7.尽量使台面振动量1：1传递到试验样品上。

　　8.测量试验样品振动响应的加速度传感器需要安装在合适的位置，用来评估试验样品的振动响应特性。建议安装位置：靠近支架安装器件附近；振动最强的位置，如PCB板卡的中心位置；可能对振动比较敏感、脆弱的位置。

高加速寿命试验和加速寿命试验的比较

　　高加速寿命试验不用于确定产品的寿命。因为我们关心的是使产品尽可能提高可靠性，可靠性量值的测定并不重要。然而，对于具有耗损时间的机械产品，尽可能准确地知道其寿命是非常重要的。

　　高加速寿命试验比起加速寿命试验来，一个重要优势就是在找寻影响外场使用的缺陷方面的速度较快。完成一个典型的高加速寿命试验仅需2-4天，而且我们找寻的最终将变成外场使用问题的缺陷的成功率非常高。

　　加速寿命试验比起高加速寿命试验的一个优势是，我们不需要任何环境设备。通常，台架上试验就足够了。并且许多情况下，在用户的设施上就能进行该试验。另一个好处就是试验能同时确定产品的寿命，而这一点对高加速寿命试验来说却做不到。

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