HALT-and-HASS.doc

高加速寿命试验（HALT）与高加速应力筛选（HASS）

一、研究开发HALT和HASS的背景情况
以往，环境试验被作为一种产品预期要经受外场实际环境的模拟试验。研制产品时通常把技术条件规定的应力极限值作为鉴定或考核产品的条件。但是，即使已顺利通过了设计阶段的鉴定试验和生产阶段的验收试验，残留的潜在缺陷仍然很多，大量产品使用时可靠性差，平均故障间隔时间（MTBF）短，外场返修频繁，导致担保费用、维修费用居高不下，用户或客户不满意，严重影响研制部门和制造厂商的信誉。
传统的可靠性试验（包括环境应力筛选（ESS）、可靠性增长试验和可靠性鉴定试验等）大多也是在模拟环境下进行的试验，以ESS为例，最早电子产品的ESS是根据美国海军1979年NAVMAT-P9492《生产筛选试验大纲》确定的。温度范围一般采用技术条件规定的上下限，温度循环次数由产品的复杂程度决定，如表1所示。随机振动采用梯型谱，20～80Hz为+3db/OCT，80～350Hz, 为功率谱密度0.02～0.04g2/Hz的平直谱,350～2000Hz为3db/OCT，振动时间为单向10min，三向时每向5min。90年制定的国军标GJB1032《电子产品环境应力筛选方法》参照《MIL-STD-2164-85》，强调无故障检验要求，规定环境应力筛选应包含两部分试验。第一部分为缺陷剔除试验（尽可能激发故障、并修复），要求完成40h温度循环和5min随机振动。第二部分为无故障检验试验，以验证筛选的有效性，其应力量级与第一部分试验相同，要求完成80h温度循环中连续40h循环无故障和15min中连续5min无故障振动试验。每一次循环时间约4h，变温率为5℃/min，振动要求与早期标准相一致。可靠性增长试验则选用模拟现场实际的综合环境条件进行。GJB1407-92《可靠性增长试验》规定可靠性增长的总试验时间一般为（5～25）MTBF。这些试验费用昂贵，试验时间长，而价格和研制周期已成为当今市场激烈竞争的焦点。因此研究开发一种快速、经济、有效的新的可靠性试验方法已势在必行。
表1  根据元器件数量规定的温度循环次数
产品元器件数量
<100
100～500
500～1000
1000～2000
2000～4000
循环次数
2
4
6
8
12
高效价廉的新试验设备的推出和确认使可靠性试验新方法的使用和推广成为可能。新试验设备是由用液氮制冷的高变温率温箱和气动式三轴六自由度（6DOF）振动台组成的。目前OVS2.5HP HALT/HASS试验系统的主要性能参数已达到：随机振动的频率带宽从2Hz～10KHz；温度范围从-100℃～+200℃；变温率≥60℃/min。
这种新的可靠性试验方法就是高加速寿命试验（HALT）和高加速应力筛选（HASS），它们都是由美国Hobbs工程公司的Gregg K Hobbs博士研究并于1988年在讲授“筛选技术”课程时提出来的，从九十年代开始HALT和HASS获得推广应用。与传统的可靠性试验不同，HALT试验的目的是激发故障，即把产品潜在的缺陷激发成可观察的故障。因此，它不是采用一般模拟实际使用环境进行的试验，而是人为施加步进应力，在远大于技术条件规定的极限应力下快速进行试验，找出产品的工作极限甚至最终达到的损坏极限（工作极限和损坏极限的几个具体定义见附录A）。然后，根据HALT确定的极限来制订HASS方案，通过HASS剔除生产制造缺陷，使产品快速达到高可靠性。
附录B给出的是美国Tandem计算机公司在一种容错计算机的CPU上进行的HALT和HASS研究，从中可以看出产品正常工作环境极限，HALT极限和给出的HASS极限之间的大致数值关系，无可置疑地说明了经过HALT和HASS后，在正常使用条件下产品所具有的高可靠性。
HALT的主要优点归纳如下：
a．消除设计缺陷，大大提高设计可靠性，确保能获得早期高可靠性，使设备具有高的外场可靠性；
b．大大减少鉴定试验时的故障，经过HALT的产品，鉴定试验已不重要，仅是一种形式而已；
c．降低寿命周期费用；
d．能确切了解工作极限和损坏极限，为制定HASS方案，确定应力量级提供依据。
HASS的主要优点归纳如下：
a．能用最低费用和最短时间激发出产品的潜在缺陷；
b．能用最低费用和最短时间检测出尽可能多的缺陷；
c．提高产品外场可靠性；
d．降低产品生产、筛选、维修和担保总费用。
二、高加速的基本原理
1、疲劳损伤与机械应力之间的关系
众所周知提高应力能加速产品失效，疲劳损伤与机械应力具有如下关系：
D≈nσβ                     （1）
式中：D是累积的疲劳损伤；
n是应力循环次数；
σ是机械应力，即单位面积的作用力（由热膨胀，静载荷，振动或任何其它导致机械应力的作用所引起）；
β是疲劳试验确定的材料常数，其变化范围为8-12。
一般来说，有缺陷部件和元器件（如焊点有气泡，元器件引线有划痕等）之所以容易失效是由于有缺陷部件的应力比无缺陷的要高，筛选的目的就是要剔除有缺陷的部件或元器件。
Gregg K. Hobbs根据1973年Steinberg“电子设备振动分析”一文从试片拉伸疲劳试验给出的应力与失效循环次数关系图（见图1）证明了公式（1）的存在，并证明失效循环次数与应力呈指数函数关系，应力相差一倍，失效循环次数相差1000倍，（相当于寿命相差1000倍）。这种由机械应力引起的疲劳损伤是累积的，不可逆的，通常不能消除。一般情况下有缺陷部件引起的应力集中系数可达到2或3，其应力是无缺陷部件的2或3倍，因而可使疲劳寿命相应降低好几个数量级。
2、温度变化率与激发缺陷所需温度循环次数之间的关系
温度循环属热疲劳性质，S.A. Smithson在1990年环境科学学会年会发表的论文中给出了如表2所示的不同变温率下的筛选效果，图2和图3给出了相应关系的曲线图。  

表2  筛选效果相同条件下不同变温率与循环次数的关系
变温率（℃/min）
5
10
15
18
20
25
30
40
循环次数
400
55
17
10
7
4
2.2
1
min/次
66
33
22
22
18.3
16.5
13.2
8
筛选时间（h）
440
30
6
3.0
3.0
1.9
0.9
0.1
表2和图2、3说明变温率5℃/min下进行400个66min/次的温度循环与变温率40℃/min进行1个8min/次循环的效果是一样的，而两者所化的时间比达到4400:1。筛选应力越高，产品的疲劳和破坏越快，但有缺陷的高应力部位累积疲劳损伤比低应力部位要快得多，这样，就有可能使产品内有缺陷元器件与无缺陷元器件在相同应力下拉开疲劳寿命的档次，使缺陷迅速暴露的同时，无缺陷部位损伤很小。HALT和HASS就是利用高机械应力和高变温率来实现高加速的。

        图2  变温率与激出缺陷所需温度循环次数的关系   
HALT用于产品设计阶段，HASS用于生产制造阶段。为了尽可能缩短筛选时间，HASS采用尽可能高的应力，从而使试验费用尽可能降低，达到快速、经济、高效的目的。  

    图3  变温率与激出缺陷所需温度循环次数的关系
三、HALT/HASS试验过程及方法
对研制的产品来说，HALT/HASS是一个整体（美国Tandem计算机公司把HALT和HASS统称为加速应力试验AST）。HALT采用步进应力的方法进行试验，故HALT又称步进应力试验（美国波音公司把HALT和步进应力试验称为可靠性强化试验RET）。HALT试验过程就是以步进方式对产品施加一系列单应力（如多轴随机振动，温度循环，电应力等）和组合应力，并逐步增加强度直至产品失效的过程（HALT试验实例见附录C）。在HALT过程中对发生的每一个失效都进行根本原因分析（Root Cause Analysis），不断进行试验、分析、验证和改进。HALT是进行HASS的前提，只有完成了适当的HALT，而且所发现的问题均已得到解决，才允许进行HASS。Gregg K. Hobbs认为不管采用什么筛选方法，筛选过程总要消耗产品一部分疲劳寿命，如果使用应力和损坏应力之间的余量很小，就根本不能运用任何应力筛选方法进行筛选。因此必须根据HALT得到的工作极限和损坏极限，摸清产品的设计余量，以此来制订HASS方案，确定HASS的量级，以保证筛选所消耗的疲劳寿命的量是可以接受的。
产品从HALT到生产制造中的HASS，要完成HASS研究。“HASS研究”的目的是提供最快捷最有效的筛选。筛选的有效性是以充分激发产品缺陷又不过量消耗产品使用寿命（即不损坏好的硬件）的能力来度量的。HASS研究过程通常包括HASS夹具的设计、制造和鉴定，剖面研究和最后的筛选验证（Proof-of-Screen）。HASS夹具应能提供合适的振动传输率、热均匀性和均衡的温度变化率，以使每个试验部位应力量级的变化最小，振动能量从振动台面到被测单元的传递最大为最佳。剖面研究是要确定应力筛选的试验剖面，包括筛选选用的应力类型，应力量级，施加应力的顺序、保持时间等。筛选验证首先是要确定通过筛选检测制造缺陷的有效程度，其次是要证明产品经过筛选后不会过量消耗其使用寿命。剖面设计是一个反复实验的过程。图4、图5给出了QualMark公司对所委托的不间断电源（UPS）最初设计的HASS剖面和最终确定的HASS剖面。最初设计的最高剖面温度为83℃，最低剖面温度为-53℃，平均变温率为45℃/min，剖面的振动从5Grms到30Grms，剖面持续的时间为60min。最终确定的HASS剖面为最高剖面温度为83℃，最低剖面温度为-30℃，平均变温率为45℃/min，剖面的振动从5Grms到20Grms，剖面持续的时间仍为60min。
筛选验证完成后，产品就作好了进行生产制造筛选的准备。对每个产品在生产制造筛选过程中应连续监测。根据制造数据和现场数据，允许改变试验剖面，但每次变动前都必须仔细考虑和分析。如果筛选遗留了缺陷或突然出现高的失效率，都必须分析了解原因，根据需要可以修正剖面应力，但任何应力的变动都要求重新进行筛选验证，如果设计有较大变更，应重新做HALT。

图4  最初的HASS剖面  
QualMark公司可靠性加速试验中心Mike Silverman在2000年R&M年会上介绍HASS研究的四种方法归纳于表3。
四、开展HALT和HASS的几点看法
a．不同产品有不同的工作极限和损坏极限，因此，对所有产品不存在统一的进行HALT和HASS的应力。不同产品筛选的应力类型是不一样的，应根据产品各自的特点，选择产品最敏感的应力进行筛选。
b．故障根本原因分析（RCA）和改进措施是HALT和HASS的核心。因此，在HALT和HASS过程中不能放过任何一个被激发出的故障，是设计问题就要改进设计，是工艺问题就要改进工艺。只有采用有效的纠正措施，才能加速设计和工艺的成熟，才能充分发挥HALT和HASS的长处。
c．HALT和HASS需要大量资源设备和专职人员。因此，一个产品的HALT和HASS计划必须由管理部门、开发部门和生产部门共同支持。设计开发工程部、生产制造部和质量可靠性部有关人员都应关心HALT和HASS工作，提供时间、经费和受试产品等资源并迅速支持失效分析工作，试验时受试产品的设计师应做到随叫随到。  

图5  最终的HASS剖面
    d．应在研制部门大力推广开展HALT和HASS，设法使产品的HALT和HASS成为研制部门领导自觉的需求，可首选在新研制的关键产品上进行试点，摸索和积累经验，然后全面推广。
附录A
工作极限（Operating Limit）和损坏极限（Destruct Limit）的几个具体定义：
工作温度下限——产品停止工作或不再满足技术条件要求，但温度上升后，产品仍能恢复正常工作的那个温度值。
损坏温度下限——产品停止工作或不再满足技术条件要求，且温度上升后，产品已不能恢复正常工作的那个温度值。
表3  HASS研究的四种方法
方法序号
应力确定过程
HASS研究所需样本量(套)
HASS研究所需时间(天)
适用性
方法1
选一个低于HALT工作极限应力作为初始剖面，运行10次不失效、若有失效，则降低应力再试验，直到运行10次不失效为止，然后将故意引入工艺缺陷的“种子样本”（例如冷焊接和有划痕的引线等）进行试验，以确保产品具有足够强的极限。
1

4

适用于能产生“种子
样本”的产品
方法2
同方法1运行10次，若失效则降低应力再试验，否则提高应力重新试验，直至失效，以保证应力足够强。
1
4
适用于产品昂贵，可靠性十分关键的产品
方法3
选一个比损坏极限稍低一点的应力，运行10次，因接近破坏应力，失效可能性极大，失效后降低应力，重复试验，直至运行10次不失效，此法与方法2相比，应力量级更高。
3～4
5
适用于可靠性很关键，但不太贵的产品
方法4
同方法1，若失效，则降低应力再试验
1
2
适用于只对统计样本做筛选（不要求做100%HASS），只要求发现大致工艺问题的产品
工作温度上限——产品停止工作或不再满足技术条件要求，但温度下降后，产品仍能恢复正常工作的那个温度值。
损坏温度上限——产品停止工作或不再满足技术条件要求，且温度下降后，产品已不能恢复正常工作的那个温度值。  
工作振动极限——产品停止工作或不再满足技术条件要求，但振动强度下降后，产品仍能恢复正常工作的那个振动强度值。
损坏振动极限——产品停止工作或不再满足技术条件要求，且振动强度下降后，产品已不能恢复正常工作的那个振动强度值。
附录B
Tandem计算机公司引入一种称为HIMALAYA的新型最佳典型容错计算机的生产线，由于CPU是最关键也是最费钱的分系统，因此作为HALT和HASS最早研究的对象，研究结果示于图B

                           图B
根据图示，内框是指一般的产品要求（GPR），即产品在正常环境下的工作极限，外框为HALT极限，它是根据三块样板获得的结果，中间框为确定的ESS（即HASS）极限：振动取HALT极限值的50%，温度在HALT极限值内下调10℃、变温率为30℃/min。
1996年Tandem计算机公司在环境科学学会（IES）年会上以“通过ESS使新计算机可靠性提高”为题发表论文，介绍该公司进行三年HALT和HASS研究的成果。
附录C
HALT试验实例
（1）波音777飞机电子设备进行的试验，试验都在外场可更换单元(LRU)上进行。
施加温度循环、随机振动和两者的组合应力。温度循环分四档进行，即-15℃～+70℃，-30℃～+85℃，-40℃～+100℃和-55～+115℃。保温时间为1～20min，变温率为20℃/min（要求最低变温率为15℃/min）。每档进行11个周期，每个周期施加表C1中所示电应力。
表C1
周期号
1
2
3
4
5
6
7
电源电平
正常值
最大值+10%
最大值+10%
最小值-10%
最小值-10%
最小值
最大值
信号电平
正常值
最小值
最大值
最小值
最大值
最大值+10%
最大值+10%
周期号
8
9
10
11
电源电平
最大值
最小值
最大值+10%
最小值-10%
信号电平
最小值-10%
最小值-10%
最小值-10%
最大值+10%

在每个极端温度上保温10min。
振动从2Grms，10min开始，按2Grms步长施加。每步均观察产品有无损坏直至28Grms。
试验设备性能：变温率为30℃/min，温度范围-60℃～+150℃，采用三轴六自由度激振台，振动量级可控制在2～30Grms之内。
波音777未做可靠性强化试验(RET)的LRU的更换率为35%，而经RET的LRU的更换率只有4%。
波音公司要求所有新研制的设备和在服役中可靠性低或需大修和重新鉴定的现有设备都必须做RET。
（2）美QualMark公司可靠性加速试验中心在1998年R&M年会上“HALT和HASS效果总结”一文中，对所完成的19个不同行业33个公司47种产品的数据进行分析和总结，被试产品大多是电子、电气产品，其中有些产品含有机械部件。
进行的HALT过程包括温度循环、快速温度变化、全向（6自由度）随机振动，以及组合环境，根据需要还施加产品规定的其它应力，如电应力（通断）电压拉偏、频率拉偏等。施加的各种应力如下：
温度步进应力从20℃开始，以10℃为步长下降（或升温）直至工作下限（上限）和损坏下限（上限），每步保温时间为10min。
快速温度变化，采用温箱的最高和产品允许的变温率。随机振动从3-5Grms，10min开始，以3-5Grms为步长增加直至工作极限和损坏极限。
组合环境采用单应力下确定的温度工作极限为温度剖面的上下限。对大多数产品而言，取决于最大变温率和功能测试时间，每个温度循环所需时间约30min，在每个极限温度上保温时间约10min。在温度剖面中施加随机振动，从3-5Grms开始，按5-10Grms步长增加。尽可能确定组合环境下的工作极限和损坏极限。一个完整的HALT平均时间为4天。
经统计不同应力下失效所占的百分比示于表C2。
表C2
应力类型
低温步进应力
高温步进
应力
快速温度变化
振动步进
应力
振动和快速温变
的组合应力
百分比%
14
17
4
45
20
受试产品按军用，民用和外场使用分组得出的HALT极限值列于表C3
表C3  不同使用场合的产品HALT极限值
产品应用
类别
温度℃
振动Grms
LOL
LDL
UOL
UDL
VOL
VDL
军用
-69
-78
116
123
121
124
外场使用
-57
-74
94
115
64
66
民用
-48
-73
90
95
32
39
表中LOL  工作温度下限
    LDL  损坏温度下限
    UOL  工作温度上限
    UDL  损坏温度上限
    VOL  工作振动极限
    VDL  损坏振动极限
所有试验都是在Qualmark  OVS 2.5HP组合试验系统上完成的。