【知识简介】

 

高加速寿命试验（Highly accelerated life test, HALT），是一种发现缺陷的工序，它通过设置逐级递增的加严的环境应力，来加速暴露试验样品的缺陷和薄弱点，而后对暴露的缺陷和故障从设计、工艺和用料等诸方面进行分析和改进，从而达到提升可靠性的目的，最大的特点是设置高于样品设计运行限的环境应力，从而使暴露故障的时间大大短于正常可靠性应力条件下的所需时间。

 

 

【工作原理】

 

Gregg K. Hobbs曾设计了一种金属试件，就强化应力对疲劳寿命的影响效果进行了研究，发现当应力增加1倍时，疲劳寿命降低为原来的1/1000。

 

对于有缺陷的产品，缺陷处应力集中系数高达2～3倍，疲劳寿命就相应降低了好几个数量级，这样就有缺陷元器件和无缺陷元器件在相同的强化应力作用下疲劳寿命拉大了档次，使有缺陷元器件迅速暴露同时无缺陷元件损伤甚小。

 

这一试验结果也清楚的说明了HALT试验技术的基本原理。另外，强化应力激发产品缺陷的有效性以及所激发出的缺陷与正常使用环境下导致产品失效的各类缺陷相关性也通过试验和实践得到证实。

 

【指南全文】

 

目的

 

本文档主要用于指导企业实施高加速寿命实验过程。

如果严格按照本指南实施，可以得到一个理想的高加速应力寿命实验结果，推广更多具有可靠性的产品到市场。

 

范围

 

在本文档中，成功执行和实施HALT过程的基本原理将被详细描述。

它明确了技术人员职责、工具和设备需求以及测试试验资质。

如果坚持按照本文档实施，就能够获得最基本的指南以执行和完成一个成功的HALT试验。

本指南可用于各种产品部件，包括电子产品、电子－ 机械产品或者单纯的机械产品。

 

定义

 

宽频振动：在宽频率范围内包含能量的振动(20~10,000Hz)。

纠正措施：这里是指为了消除产品缺陷而进行的设计或者过程的改变。纠正措施可以包括部件或者材料改变，也包括产品设计和生产过程的变化。

破坏极限：是指让一个或者多个产品不再拥有产品规范里规定的产品功能特性，即使应力降低，产品也不能恢复。如我们常见的硬失效。

功能测试：产品的一种测试，通过测量产品的功能性能、产品使用或者边界参数来评判产品是否实效（不能完成产品规定的功能）或者退化是否发生，这种测试也可以包括内部诊断。功能性测试贯穿于HALT试验的整个环境应力过程。

Grms：以均方根表示的振动 G，其中 G 是重力加速度。

高加速寿命试验：一种利用步进应力的过程，通过不同的加速应力发现产品的设计局限。HALT主要用于暴露产品的应力极限和确认产品的缺陷。

功能极限：是指使得产品规范中规定的一个或者多个产品功能特性实效的之前的应力。当这个应力降低的时候，产品能够回复，就如同我们常见的软失效。

功率谱密度：一种描述随机振动谱幅度和频率的测量单位，常用单位G2/Hz表示。通常也指加速谱密度（ASD）

伪随机振动：非周期振动，包含带宽内的所有频率，在相位和幅度上连续变化。

重复冲击振动：一种源于重复振动冲击激励的振动。通常是由气锤产生，反馈到振动台上。

失效分析：确认缺陷或者瑕疵真实原因的过程。全面理解如何失效和为什么失效。这个过程可能需要失效分析工具，如电子显微镜扫描等

六自由度随机振动：一种同时包含三个水平方向和三个垂直方向加速能量的振动。

步进应力：一种持续增加应力水平直到确认产品极限的过程。

热电偶：温度传感器，通常由两种不同的金属材料连接起来制成。可以通过测量热电流和产生的与温度成正比的潜在电压来测量温度。

 

人员要求

 

高加速寿命试验小组必须包括那些独立的，不与产品设计和测试有关的人员。HALT测试通常需要多个学科之间的相互合作。这些学科包含设计工程和测试工程专家技术。设计工程师将能帮助产品功能测试的开发。这包含确认增加应力从而使得发现产品实效。他们也可以在HALT测试和实效分析过程中提供帮助，如发现并修理故障缺陷。这些独立的人员并不需要跟踪整个HALT试验过程，但是一旦有需要就能发生作用。其他学科也包含可靠性工程，制造工程和运行HALT系统的职员，如果他们不是上述几个组的成员的话。每一个学科的人员在HALT结果提出的时候在各自的专家领域负责。

实效分析试验室也可能在HALT过程中用于确认实效的根本原因。

交叉功能评审会：这个评审委员会应按照规定的基础，通过会议确认HALT的测试需求、评审过去的HALT结论并且开发新的测试计划用于将来的试验。会议作出的结论应该被记录并保存。这个会议应该在产品的HLAT之前和之后进行。

HALT准备会日程：会议关键的议题包含确认HALT测试的规程、功能测试需求和产品固定到台面的方法、产品部件或者本地的热电偶探头或者加速计。

HALT总结会日程：会议主要对HALT结果进行评审，包括讨论失效和纠正措施计划。

 

试验设备要求

 

HALT试验箱要求：被用于执行HALT试验的设备必要要求能够产生温度和振动应力（在下文中确定的）。设备必须能够在同一时间同一试验箱中产生这些应力（必须是综合应力箱）。

振动：HALT试验箱的技术指标是：具有6自由度的（3水平和3垂直）的重复冲击振动和伪随机振动。带宽从10赫兹到10000赫兹。振动台空载时最小要达到35Grms。

温度：其目标是强迫产品得到快速的温度变化率。试验箱拥有足够的空气流动率来产生所期望的快速温度变化率和保持温度稳定是非常重要的。温变率最小应能达到45ºC/min。温度范围为-80ºC 到170ºC。

试验室测试设备：HALT过程中产品的响应数据应能被收集。这些数据包括温度、振动和产品功能性能。

温度数据（施加于产品上面的温度应力）的收集和存储应该能被证明是真实可信的。这些可以利用HALT系统上面的可靠的热电偶探头通道或者通过使用多通道的测试设备来获取数据。

振动应力数据（施加于产品上面的振动应力）的收集和存储应该能被证明是真实可信的。这些可以利用HALT系统上面的可靠的加速计探头通道或者使用频谱分析仪通过传感器来分析并显示数据。

加速计用于测量振动时产品的响应。这些加速计应该是小质量类型的（如4号 Grams），频率响应范围为2Hz到 10KHz，测量范围为± 500g’s。加速必须足够小，以便于安装在期望的位置，而且必须足够轻，以致于不能产品明显的影响或者改变测试样本振动动态特性。

热电偶用于测量产品的温度响应。热电偶线的使用是必须的。在HALT试验中使用的热电偶必须有足够的稳定特性在整个试验箱温度范围内（近似在-100ºC到 +200ºC）。热电偶线缆的直径不应该超过22口径。

 

测试设备安装要求

 

HALT系统，辅助测试设备的安装与使用必须满足设备制造商的指示说明一致。

确认用于HALT测试所有的测试设备均是经过校准计量和可用的。在测试报告文档中的测试设备文档内容部分应该包含设备说明、型号、序列号和校准计量情况。

 

测试样本

 

测试样本必须是用序列号或者其他标识方法能够相互区别。

确保热电偶（控制热电偶）被正确的安装在测试样本上，以便于提供参考给试验箱温度设置调整点。用于HALT系统温度控制通道的热电偶通常使用无循环反馈的温度测量。产品的热电偶安装在能够获得较为精确的样本平均温度的位置。产品的热电偶必须放置在测试单元的外表面，最好放在低热量聚集的地方。这些热电偶不应该放置在产生热量的器件附近或者产品密封部分的内部。

确保安装在振动台的测试样本使用了合适的样本夹具，从而能够使得测试样本获得最大的温度和振动应力。由于测试的目的是激励产品，加速疲劳损伤从而暴露产品缺陷。因此， 最大的应力加在产品上面是有益的。

产品尺寸和重量应当被考虑，尤其在确定某些特定的试验箱产生正确的应力。

施加在样本上面的温度变化率应能通过修改样本测试底架得到改善。比如，去掉面板或者盖子，产生一个开放的空气通道，通过样本测试底架的测试洞。

产品的响应热电偶应当被安装在能够充分评估样本在温度环境下响应的位置。建议安装位置包括产生主要热量的器件、温敏器件。设计用于响应温度变化的部件和为了获得温度稳定性，提供对时间的累积效应而进行测量的部位。

振动的目的就是要一对一的转换振动台的能量到样本上。

产品响应加速计应该被安装在能够充分评估产品对输出振动响应的位置。建议安装位置：靠近固定硬件、最大的反馈点（PCB中央）或者疑似的薄弱位置。

试验中的样本功能性测试应该应该保证足够的覆盖性以确定样本的全面性能，并且能测出实效模式的多种类型。这种测试必须包含产品的主要功能，通过对每个功能性能的反馈进行测量。功能性测量的目的是完成百分之百的测试覆盖，或者尽可能的完成试验过程中的样本测试。

 

功能性测试要求

 

产品特定应力：这些特定的应力用于产品的测试或者在每个步进应力时执行，用以增强实效激发和检测。这些应力可以为电应力循环，也可以包括线性电压极限值、线性频率极限值、直流电压极限、装车振荡器极限、输出负载和其他适用的应力。这些特定应力在整个HALT过程的每一个应力水平上的功能性测试中都应该进行。

样本的功能性测试必须进行记录。这些记录应该明确的提供测试覆盖性的数量，百分比， 也应该包括测试实施过程的详细描述。必须明确产品是如何测试和测试了什么。文档必须能够提供证据表明在HALT准备会中提出的功能性测试目标的实现情况。

在开始HALT之前，测试样本必须独立地进行一个或者多个循环的功能性测试，以保证测试安装的完整性和获取测试样本的性能基线。

在每一个应力水平，功能性测试都必须进行以评估样本的功能。文档必须详细的记录样本退化的发生和发生条件，包括样品的使用极限和破坏极限和其他重要的注释。

 

测试报告和文档

 

数据收集和存储要求

试验数据必须充分详尽的进行汇集和存储，以便于在需要的时候能够轻易的再现试验的过程和顺序。产品响应测量和HALT系统数据（包含温度数据和振动数据）应在整个测试过程中进行收集。

文档应该准确而清晰，呈现试验结果和其他与测试有关的信息。文档应该包含：

明确是由谁实施的HALT。

测试样本应该被标识，听过唯一的识别号（如序列号），同时应包括版本信息；

背离HALT程序的部分

测试日期

在测试过程中对产品夹具的描述，包括照片；

详细而精确的温度和振动数据测量（包括振动台，图表和照片）

产品本地响应传感器（热电偶和加速计）

在样本上实施的功能性测试描述；

HLAT应力作用于测试样本上的情况，详细描述样本退化和发生的条件，包括产品的功能和破坏极限以及其他重要的注解。

实效分析的信息和结果

任何纠正措施的应用情况

 

高加速寿命试验程序

 

本节主要定义了在产品上实施HALT实际过程中使用的方法和活动。

 

温度步进应力

 

温度步进应力应该开始于环境温度（20°C 到30°C）；

温度应力的步进最大为10°C。

累计时间最小为10分钟，在温度的设置点稳定之后（是否稳定由样品的热电偶响应来决定）。完整的功能性测试在累计过程或者在整个阶段进行。

温度步进应力应当持续，直到样本的性能极限被确认或者达到温箱的最大温度。

一旦功能极限被确认，温度应力每次 10℃的增加过程应该继续进行，除非已从功能极限到达破坏极限或者到达温箱的极限。无论如何，在样本没有工作之后，在每个累计阶段降低温度应力（如返回到20℃或者20℃和应用极限之间的某个温度）来确认样本是否还能工作是非常有必要的。

 

快速温变应力测试

 

最少应该进行5个温度应力循环，除非完成之前遇到破坏失效。温变率按照可达到的最大温变速率来进行。

温度循环温度范围应该与在温度步进应力中找出的温度应用极限上限值和温度性能极限的下限值的最小相差10°C。例如：如果温度性能极限下限值被确定为-50°C，温度性能极限上限值确定为100°C，那么温度变化的范围可以是-40°C 到90°C。

累计时间最小为5分钟，在温度的设置点稳定之后（是否稳定由样品的热电偶响应来决定）。累计时间可以增加，从而使得大部分器件的温度至少达到温度范围的80％。

样本的功能性测试应按照一个持续的基础进行，直到贯穿于整个暴露的转换部分，如果有可能的话，以确定是否存在热变率敏感的问题。

 

振动应力测试

 

振动步进应力开始于箱子的设置点2 到5 Grms，频率范围推荐超过2Hz 到2000Hz或者更大的带宽(推荐5 Grms)。振动应力的增量为2 到5 Grms之间(推荐5 Grms)并在完成累积阶段进行功能性测试时。

在每个应力水平驻留时间最小为10分钟。功能性测试应该在每一个10分钟的累积结束后进行。因此在每个振动应力水平的累计时间可以用在样本上完成的功能性测试循环次数来表示。要注意的是，推荐在整个阶段实施功能性测试，无论如何在10分钟的累计之后最低限度应进行测试。

振动步进应力应到持续，直到达到样本的功能极限被确认或者达到试验箱的极限。

一旦功能性极限被确认，先前定义的振动应力增加的过程应当继续进行，直到从功能性极限达到破坏极限或者达到试验箱的最大值。无论如何，如果样本不在工作了，可以降低振动应力到每个累积应力水平以便确认样本是否还能工作。可以返回到0 Grms或者0 Grms和功能性极限之间。

 

复合环境应力测试

 

至少需要5个综合环境应力循环，除非在完成5个循环之前遇到破坏性失效。

复合环境应力试验的温度剖面应在温度功能性极限之间循环。每个极限温度的最小累积时间为10分钟。

五个必需的循环的振动起始应力取决于在5个振动步进应力中的最大值的五分之一。在每个同时进行的温度循环中，振动水平还是按照相同的数量逐步增强。因此，如果样本在振动步进应力中经历了35 Grms的破坏极限，那么第一个综合应力循环推荐的振动应力水平为7 Grms。振动水平在每完成一个温度循环的同时增加7 Grms。循环1：7 Grms；循环2：14Grms ；循环3：21Grms；循环4：28Grms；循环5：35Grms。如果在振动步进应力试验的时候没有找到破坏极限，则按照达到的最大振动应力的五分之一进行。注意的是应当按照较小的开始振动应力和增幅水平。

 

高加速应力试验结束后的测试

 

在完成暴露实效模式之后，HALT程序还应当继续。下一个程序是确定为什么失效会发生和确定如何处理。这个过程包含了原因分析过程和纠正措施过程。工程师决定是否需要作出或者调整根据HALT试验结果所采取的行动。

原因分析：HALT试验不可分割的一部分，它是确定试验过程中失效原因分析确定的过程。这个过程可能需要失效分析试验室，不管是室内或者室外的。对某个具体失效的根本原由必须要深入透彻的了解。只有原因清楚的时候，相应的纠正措施才是有效。工程师来判定作出结论，评估是否应该采取纠正措施，是否所有的或者那些失效需要消除、弱化或者遗留。

原因分析过程必须被记录，包括失效模式、准确的失效原因、如果不确定，那么疑似的原因。这些也应该包括失效分析试验室的结果，如果可能的话，还包括在缺陷位置对应的破坏照片。

跟踪所有过程、记录和报告所有过程。

这个过程应该被确认，并进行所有的原因分析调查。这里面应该包含这样的程序和报告结构：即对分析的完整性和准确性进行评审和决定的权威性。

设备应该具备失效分析能力，或者可以利用一个外部的独立的设备来完成这个职能。

失效原因分析应该在HALT试验过程中就开始努力去了解失效模式，当功能性限制或者失效出现的时候。这样可以在HALT试验过程中对有限的样本完成健壮。这将有利于样本能够承受更大的应力从而发现更多潜在的失效模式。其他的一些方法也可以进行，比如说在更大的应力的时候将部件隔离进行研究。比如，取出试验箱内较弱的器件，在试验箱内连接样本以维持系统的功能。

纠正措施：通过失效分析过程完全明了失效模式之后纠正措施就应当进行。公司应当对文档，报告负责，如果需要的话，应该对在HALT中确认的所有设计和生产缺陷进行纠正。

纠正措施是和原因分析的概要和有相应的公司决策者评审的工作报告绑定在一起的， 这些包括应该包括成本评估，重新设计的理由；和评估产品设计极限的改进情况。基于对结果的评估，才能对是否完成设计更改或者遗留不做更改的结论。

工程师重新设计决定的决策过程应该被确定并且应该进行所有的纠正措施。这就应该包括对信息报告的完整性和准确性的进行评估的决策权威性和评审相关的程序和内容。

确认HALT: 当产品重新设计完成纠正措施之后，HALT过程就结束了。对产品设计和生产过程的改变适合HALT试验对产品样本所作的项目紧密联系的。HALT试验的目的就是评估纠正措施改变完成后的影响。是否提高或者消除了在以前HALT早期发现的缺陷，是否改变会带来其他的一些新的问题。

文档程序必须存在，以便建立一个标准，HALT实施的需要的确定的条件是什么。推荐确定的HALT在所有的项目上使用或者至少在重要的设计更改上使用。

HALT确认必须进行，因为其可以对所有的HALT过程的继承性十分有益。无论如何， 一个调整了HALT也是可以接受的。HALT也可以使用2倍的步进环境应力增长或者更多的需要 注意的感兴趣的应力水平。比如在早期HALT中样本失效的应力水平。

HALT测试报告记录是必须的，这能确认结果和提供类似结果的数据。这些报告应该采用相同的格式和风格，作为标准的HALT报告。

产品工程化更改：对正在生产的产品，在产品进行完成最后的HALT进行设计更改的同时需要评估产品设计退化的可能性。推荐当对产品进行更改的时候，HALT应该进行以评估更改的效果，这个更改可能导致重新设计或者卖主的变化。

文档程序（可能包括公司的产品更改命令）必须存在，以建立一个标准，确定什么样的条件下需要验证HALT。比如，在完成一个或者多个工程更改后，在完成主要子系统或者部件更改后。推荐所有的更改都应当进行验证HALT或者至少应该在重要的工程更改后应当进行。

HALT应该周期性的进行，典型的是在每隔3到9个月。这可能没有必要如果产品进行了HASS生产过程。