電子產品高加速壽命試驗的實踐及案例分析

康京山，李科，任偉光，劉垚鑫

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

高加速壽命試驗（HALT：Highly Accelerated Life Testing），在有些場合也被稱為高加速極限試驗、高加速應力試驗和可靠性增強試驗[1]，與大多數傳統的可靠性試驗方法不同，其目的不是為了評估產品或產品組成部分的可靠性指標，而是為了將產品可能存在的薄弱環節激發為可檢測的故障（或失效），從而組織分析改進，提高產品的可靠性[2]。

為了大幅度地縮短試驗時間或減少所需樣品的數量，在HALT過程中，會施加遠超出產品預期使用的環境應力即產品規范極限的應力。這種過試驗（Over-test）往往會給試驗結果帶來不確定性。有可能在很短的試驗時間內（如幾天）暴露出原本需要長期使用才會表現出來的缺陷[3]。在研發早期，采取改進措施的成本低，對研制計劃影響小。但不幸的是，也有可能出現最壞情況，即激發出正常使用不可能發生的故障模式。如果對于這樣的故障模式也采取改進措施，則會對產品造成過設計（Over-design），不僅對于可靠性的提升沒有實際意義，反過來，為了檢測、避免或補救這樣的故障模式而采取的措施可能導致軟硬件設計更復雜，反而會降低產品可靠性。另外，故障分析和處置難度大，耗時長，將導致試驗停滯，影響試驗和研制進度。

許多文獻給人的印象似乎HALT可以很簡單地得到有意義的結果，但在現實中并非那么容易[4]，甚至充滿了不確定性。為了減少這種不確定性，取得對提高產品可靠性真正有價值的試驗結果，要求試驗團隊擁有豐富的經驗和類似產品的數據作為支撐，對實施細節做出恰當的考慮。筆者分享了HALT-分析-改進（TAAF）實踐經驗，對某小型電子設備試驗情況進行了案例分析。

1 HALT實施過程

1.1 受試品的確定

試驗目標不同，對于受試品（EUT）有不同的要求?？赡艿哪繕擞袃蓚€，具體的試驗可以有不同的側重之處。

a）發現缺陷

在研發階段的早期，發現產品的外在缺陷，改進設計并予以糾正。

b）測試裕度

產品的工作裕度或破壞裕度是指產品的工作極限或破壞極限與規范規定的應力之差。通過HALT，可以測試出產品的工作極限和破壞極限，可以判斷裕度是否滿足要求；若不滿足則通過采用新設計、新工藝或新材料來拓寬裕度，也可為將來批量生產開展高加速應力篩選（HASS：Highly Accelerated Stress Screening）時合理地選取篩選參數提供依據。

外在缺陷（Extrinsic defect）也被稱為外部缺陷，是指產品在設計和生產過程中造成的缺陷或者薄弱環節，如果能經濟地消除該類型缺陷將有效地提升產品的裕度[5]。與之對應的概念是固有缺陷（Intrinsic defect），指與元器件的設計、材料、工藝和裝配或封裝相關的，將在元器件的設計規范所允許的條件范圍內引起的缺陷。

HALT重點要排除的是外在缺陷，通過改進產品的設計和工藝來提升可靠性水平。至于固有缺陷，是元器件自身的缺陷，雖然也可能會暴露出來，但只要試驗條件沒有超出其許可范圍，則應通過質量控制體系解決。

EUT的選擇包括以下3個方面。

a）形態

選擇要在產品的哪一個裝配層次如電子模塊、電路板卡、裝置或設備、分系統或系統進行試驗。在成本、周期、試驗或測試手段允許的情況下，盡可能地在較低的裝配層次進行，有以下好處[4]：1）易以采取糾正措施；2）易以施加高應力；3）易以監測缺陷；4）易以采用通用試驗技術。

b）狀態

首先，EUT應能代表產品的質量水平；其次，對于以尋找裕度為目標的試驗，宜選擇經過前期HALT將產品的外在缺陷消除之后其技術狀態相對穩定的產品作為EUT。技術狀態頻繁變化時，測定裕度的實際意義不大。

c）數量

應由擬進行的應力試驗的數量及預期故障模式的數量來決定。從進度角度考慮，出現故障后需要進行故障分析時必須停止試驗，而且并不是所有的故障都能修復，按每種試驗至少保證1件EUT并且安排2～5件EUT作為整個試驗備份來估計，推薦的總EUT數量為7～10件[6]。如不能提供，在出現故障時只能暫停試驗組織維修，試驗進度的風險增大。從試驗結果考慮，EUT數量越多，得到的故障模式將越完備，故障模式分析也將更準確，得到的裕度也越可信。

1.2 試驗應力的選取

HALT可施加的應力包括但不限于低溫、高溫、溫變、振動、電源通斷切換、電源拉偏或反向偏壓、時鐘偏移、高壓高濕和靜電放電等。施加何種應力，應結合產品的特點，按盡可能有效地激發產品敏感部位的故障模式為原則做出選擇?？刹捎谩懊舾悬c-應力分析”方法[5]，即根據產品設計和工程經驗，列出EUT的主要敏感點，分析各種應力對每個敏感點是否有激發作用，經過歸納合并，選擇具有較高激發性的應力。這些應力可單獨施加，也可組合施加。

1.3 試驗設計

HALT設計主要包括：確定試驗項目并為每個試驗項目確定相關參數。

1.3.1 確定試驗項目

根據選取的試驗應力，設計若干試驗項目。對于一般電子產品，冷、熱、溫變、振動和電源通斷具有較高的激發性，而且試驗實施較為簡單，常選為試驗應力[7]。與之相對應，HALT一般包括低溫步進、高溫步進、快速溫度變化循環、振動步進、溫度循環和振動綜合5個具體的試驗項目，同時進行電源通斷切換。

1.3.2 選取試驗參數

可以分為逐步增大應力量級的步進試驗和應力量級固定的多次循環試驗，下面分別討論其參數的選取。

a）步進試驗參數

HALT步進試驗的相關參數如圖1所示。

圖1 步進試驗的參數示意圖

1）應力初始值Sstart。例如：對于低溫和高溫步進試驗，可選擇Sstart=常溫。

2）最高應力界限Slimit。其含義是：步進試驗中應力的最高限值，達到此限值時，試驗即結束。

L試驗設施為試驗設施（包括試驗箱、試驗夾具和部署于試驗箱內的測試線纜等）的能力極限。L基本為EUT基本極限（Fundamental limit），即針對某種應力，由于產品或產品的組成部分相關技術確定的固有極限（如塑料的融化溫度、半導體的最高結溫和材料的屈服極限等）。無論對產品造成破壞與否，該極限是無法逾越的，與外在缺陷無關。

該值的估計是難點。若取值過大，不僅費時費力，而且可能會激發大量的非相關故障甚至損壞EUT；若取值過小，則又可能造成故障模式激發不全面，裕度不能得到充分的探測。

以高溫為例，可按照產品組成表和工藝文件，查閱相應的元器件手冊或規范得到各個元器件的允許最高溫度、各種工藝及材料的允許最高溫度，取這些值中的最小值，作為EUT基本極限的保守估計。元器件、工藝和材料在允許的應力范圍內是保證功能正常并且滿足規定的性能指標，超出其范圍之外的一定幅度之內可能仍能工作。但是，筆者認為，如果所取的基本極限超過這些許可范圍，在為數不多的EUT上短時間內得到的試驗結果會缺乏代表性，不具有實際意義。

3）步長Δstep。其含義是：從一個應力水平向后一個應力水平變化時應力的增量。

若Δstep取值太大，一方面，可能在一個步進中激發多個故障，造成故障之間的互相影響，給故障分析帶來困難，還會降低裕度的測量精度；若取值太小，由于每一個步進都要進行故障檢測和狀態監視，則將造成工作量增大，周期過長。因此，對于以激發潛在缺陷為目標的試驗，步進值可取稍大一些，以節省總的試驗時間；對于以確定裕度為目標的試驗，盡可能地選擇較小的步進值，以提高實測結果的精度。

4）保持時間Δt。其含義是：應力達到既定的應力量值后持續的時間。

欲將EUT中的潛在缺陷或者薄弱環節激發為可檢測的、明顯的缺陷或故障，除了應力量值足夠大之外，作用時間還必須足夠長。該參數由兩個部分組成：

t傳遞是指試驗箱中的應力作用于EUT的電子元器件等達到一種穩定狀態所需的時間，不同的結構形式和材料可能會導致該傳遞時間的差異較大。t作用是指希望應力作用于EUT的各個元器件、零部件中發揮激發作用的時間。前者取值來源于特性調查試驗，后者基于經驗進行估計。

b）溫度變化試驗參數

快速溫度變化試驗也被稱為溫度循環試驗，其試驗參數的選取需要利用低溫步進試驗、高溫步進試驗得到的工作極限值，如圖2所示。其參數主要包括以下幾個。

圖2 溫度變化試驗的參數示意圖

1）循環溫度上限和下限：利用高溫步進和低溫步進試驗測得的高低溫工作極限，留出一定的余量（如5℃或5%）后作為溫度循環的上限和下限。

2）溫度變化速率：即升溫/降溫速率，對應圖中溫度變化曲線的斜率。

3）保持時間：同前。

4）循環次數：需分析EUT的結構形式、體積大小和復雜程度等因素并加以確定。一般來說，產品越簡單，其結構形式越利于熱的傳導，需要的循環數就越少。

1.4 試驗準備

1.4.1 構建檢測和監視系統

選擇試驗期間進行功能性能檢測、狀態監測的項目或內容，明確判決準則，構建并驗證檢測和監視系統。應分析檢測和監視系統對EUT各個組成部分及可能的故障模式的覆蓋能力。

由于在步進試驗的每一個應力量值，以及在溫度變化試驗的每一次循環的高溫和低溫停留期間，都要至少進行一次測試和監視，工作量大，而且要求在“保持時間”內完成，因此，最好能夠實現檢測自動化。另外，由于HALT對EUT施加的應力比較嚴酷，連接EUT與試驗箱外部的儀器儀表等部件的線纜應進行必要的加固處理，減少由此引入的非責任故障。

1.4.2 確認試驗箱的能力和狀態

有研究表明[7-9]，傳統的環境試驗箱、振動臺或者綜合試驗箱也能進行HALT，只是與專門進行HALT的六自由度非高斯寬帶隨機振動試驗箱相比，能夠激發的故障模式數量大約損失20%。本文采用專門的HALT試驗箱進行試驗。

1.4.3 EUT預處理

為了充分地激發產品的薄弱環節，應分析EUT對于試驗應力是否存在過于敏感的部位，若存在則進行預處理，預處理方法主要包括以下幾種。

a）去除防護措施。例如：去掉減震架、過溫、過壓保護和遮蓋物，為保證空氣流通做開口處理等。

b）采取應力隔離措施。例如：某產品采用鑲嵌于前面板的液晶屏作為人機交互手段，考慮到液晶屏的低溫耐受力差，可以采用隔熱保護、暫時拆除改用其他顯示方式、通過延長線將液晶屏挪到試驗箱外等措施。

1.4.4 進行溫度特性調查試驗

a）目的

1）在試驗箱中合理地布置EUT和試驗箱導風管等，使得EUT的各個部位受到的應力都是均衡、受控的。

2）了解EUT重要部位實際承受的應力與試驗箱施加的應力之間的差值，可對修正基本極限估計提供參考，也可為故障分析提供支撐。

3）獲取應力傳遞達到穩定所需的時間，為HALT的“保持時間”參數的估計提供支撐。

b）特性調查內容

1）均衡性試驗。在產品不加電的情況下，在產品的不同部位（或內外）部署傳感器來測量溫度值。當實測值偏差超過預定的范圍時調整產品或導風管在試驗箱中的布置，直到偏差落在允許范圍內為止。

2）傳遞特性試驗。產品加電工作時，不同部位的功耗及散熱條件等存在差異。在產品的不同部位（或內外）部署傳感器來測量溫度值，觀察這些值趨于穩定所需的時間及其與施加的應力量值的差值。

1.4.5 振動試驗的夾具

結合EUT、試驗箱的特點，為振動試驗提供夾具，包括需求分析、夾具設計、仿真優化、加工制造和驗證評估等工作。

1.5 TAAF循環

HALT采用TAAF迭代循環的思想，如圖3所示。

圖3 TAAF循環在HALT中的應用

a）試驗

準備就緒后按照試驗設計對各個EUT按試驗項目順序進行試驗。

b）分析

試驗中發現需進行故障分析的故障時，采用故障樹分析（FTA）等方法進行分析，找出故障根因或來源。

c）改進

根據分析結果，改進設計或工藝提高產品裕度，或修理樣品，或報廢樣品用備件替換等措施。

以激發缺陷為目標的HALT步進試驗的TAAF循環流程圖如圖4所示。

圖4 以激發缺陷為目標的步進試驗TAAF流程

2 案例分析

2.1 EUT介紹

某數據終端具有某波段數據接收與發送處理功能，經射頻前端設備與其他遠程數據終端通信。設備由主控單元、供電單元、若干接口和信號處理單元組成。各個單元用金屬罩單獨屏蔽，單元間通過電纜組件互連，整機采用堆疊結構，底部有減震架，可固定在搭載平臺的安裝平面。共3臺設備參加了HALT，編號為1#～3#。

2.2 試驗過程及分析

2.2.1 構建監視和檢測系統

監視和檢測系統由射頻前端、遠程數據終端、頻譜儀、可變衰減器、攝像頭、直流電源和狀態監控終端等構成。

2.2.2 檢查HALT試驗箱參數及狀態

試驗箱的參數如下所示。

1）溫度范圍：-100～200℃；

2）溫度變化速率：70℃/min；

3）三軸振動頻率：5～10 000 Hz；

4）振動量級：≤100 grms。

按溫度預留5℃、振動量級預留5 grms來確定試驗設施的極限。經實測驗證，狀態良好。

2.2.3 EUT預處理

1）去掉減震架。

2）考慮到設備堆疊式結構的特點，若去除各個單元的屏蔽罩，將給EUT安裝緊固帶來不便，因此予以保留。

2.2.4 溫度均衡性調查

分析各個單元的作用、功耗和安裝位置，選取供電單元、主控單元為重點關注部位，分別在屏蔽罩內部署溫度傳感器。溫箱溫度為40℃，測試結果如下所示。

1）1#：30 min，部位間的溫差為0.9℃；

2）2#：30 min，部位間的溫差為1.1℃。

2.2.5 溫度傳遞特性調查

仍選供電單元和主控單元作為重點部位，分別采集溫度。在高溫典型值55℃、低溫典型值-25℃下，測試結果（取偏差最大者）如下所示。

1）高溫：穩定時間為20 min，溫差為3.4℃；

2）低溫：穩定時間為25 min，溫差為8.5℃。

2.2.6 振動試驗夾具

制作夾具并進行了仿真和實測，響應曲線平坦無明顯的放大，滿足要求。

EUT及其在試驗箱中的布置如圖5所示。

圖5 受試設備及其布置

2.2.7 低溫步進試驗

a）參數選取

以25℃作為起始試驗溫度。前7個步進以10℃為步進值，后續步進以5℃為步進值降溫。溫變速率為5℃/min。持續時間為EUT低溫溫度達到穩定后至少再持續10 min。持續地對EUT進行監視和測試。

b）試驗結果

1）故障

1#設備在-90℃時 “上行失鎖”，應力減弱到-55℃后故障不能消失。

經分析，發現在低溫下射頻線纜組件（屬于EUT）的接線端子與同軸線纜主體之間接觸不良。改進工藝包括增加灌膠處理并加厚防護套。對3臺設備進行了相同的處理。

2）裕度

改進后，3臺設備的低溫工作極限為-55、-55、-60℃；破壞極限＜-95℃，即達到試驗能力極限后，均未出現不可恢復故障。

2.2.8 高溫步進試驗

a）參數選取

起始溫度為25℃，第一個步進取20℃，第二個步進取10℃，然后以5℃步進地升溫，溫變速率為5℃/min。持續時間為EUT高溫溫度達到穩定后至少再持續10 min。保持對EUT進行監視和測試。

b）試驗結果

1）故障

在測試破壞極限時，3臺設備的故障現象均為“設備死機”。

觀察發現射頻線纜組件中的線纜僵硬，測試發現其電性能異常。認為目前裕度值滿足要求，而且線纜組件已無修理價值，因此停止TAAF循環，更換了線纜組件。

2）裕度

工作極限均為85℃，破壞極限依次為130、135、140℃。

2.2.9 快速溫度循環試驗

a）參數選取

在來自多件樣品的工作極限實測值中，選絕對值最小者作為工作極限，再取5℃為余量，得到高溫為80℃、低溫為-50℃。溫變速率取60℃/min，高、低溫持續時間各35 min，循環5次后對EUT進行檢測。

b）試驗結果

3臺EUT均未發現異常。

2.2.10 振動步進試驗

a）參數選取

起始量級為5 grms，步進值為5 grms，持續時間為10 min。持續地進行監視和測試。

b）試驗結果

1）故障

1#設備在95 grms振動應力下，出現“下行失鎖”現象，減弱應力直至停止振動后故障不能消失。檢查發現某接口單元射頻輸出接口的焊盤脫落，無法修復且無可用備件，1#設備退出HALT。

2#設備在80 grms振動應力下，出現“不能正常顯示圖像”的現象，應力減弱直至停止振動后故障不能消失。經檢查認為是由于EUT與監測系統之間的互連線纜松動所致，全面緊固并復驗。

2）裕度

工作極限依次為75、55、65 grms，破壞極限：1#為95 grms，2#為80 grms，3#＞95 grms（達到試驗箱能力極限時仍未出現不可恢復故障）。

2.2.11 快速溫變循環與振動步進綜合試驗

a）參數選取

根據對產品的分析，取周期數=5?？焖贉刈冄h參數不變。振動應力最大值取75 grms，起始量級取15 grms，計算得到振動應力的步進值為15 grms，以溫度循環周期作為振動步進的持續時間，循環結束后進行測試。

b）試驗結果

2#設備出現“下行失鎖”現象，不能自行恢復。經分析發現，供電單元內部的一款電源變換元器件失效且無現貨，修理周期長，2#設備退出HALT。

3#設備出現與2#相同的故障現象。經檢查發現有兩種不同的接口單元均出現了晶振模塊（同型號）從電路板中脫落。根據以往類似產品的實際使用質量信息，認為這屬于非預期故障模式，修理后進行了驗證。雖然是非預期故障，但也引起了設計人員的注意，分析發現與其他元器件相比，該晶振模塊自身的重量較大，而且管腳高，今后將在新產品設計中從選型和裝配工藝兩個方面加以注意。

2.3 討論

通過案例分析，總結了以下幾個注意事項。

a）HALT確實能夠在短時間內將產品的潛在缺陷和薄弱環節激發為可檢測的故障，能夠獲得產品對各種應力的裕度，對提高產品的可靠性有實際作用。

b）整個HALT的進度存在不可控現象，每當發生需要分析的故障時，都要做到定位準確、機理清晰、故障復現、措施有效和舉一反三，技術難度大，耗時長且不可預計。

c）溫度循環試驗對于3臺設備都沒有激發出故障，這可能意味著循環次數偏少，可以考慮適當地增大。

d）振動步進試驗中出現焊盤脫落現象，有兩種可能：1）有關結構設計或實際加工裝配等可能存在缺陷，導致問題發生，屬于產品設計或者加工質量問題，應改進產品；2）基本極限估值過高，導致應力超出允許范圍，應改進試驗。由于本案例樣本數量少，難以進一步地定位。

e）綜合試驗中出現非預期故障，分析其原因：1）振動量級的最大值取值為75 grms，對于2#和3#設備而言取值偏大，今后考慮從工作極限實測值中取最小值；2）綜合試驗中，振動步進的持續時間等于一個溫度循環周期，包括高、低溫持續時間各35 min、升降溫時間合計約5 min，總計約80 min，是常溫下振動步進試驗持續時間（10 min）的8倍，超長時間的振動對EUT的作用過于嚴酷。

針對上述問題，有以下兩種改進方法。

1）改進振動步進試驗的持續時間參數選取方法，由目前獨立估計，改為與溫度循環周期保持一致，為綜合試驗奠定基礎。

2）將綜合試驗看作在溫度循環應力下的振動步進試驗。許多產品在溫度變化時的振動響應會發生變化，應為這種綜合環境激勵確定工作和破壞極限[7]。這雖然與目前HALT標準（如文獻[5]和[10]等）的提法不一致，但值得嘗試。

f）溫度循環和綜合試驗采用的是循環結束后對EUT進行檢測，不利于判定故障的具體發生時間或應力水平，可以改為持續檢測和監視。

3 結束語

HALT屬于“過試驗”而且具有探索性，其結果具有不確定性，并非按照某種固化的、通用的規程執行即可奏效，必須針對具體產品進行分析，將在實踐中長期積累形成的面向特定行業、產品領域或具體企業的經驗和歷史數據，應用于應力選擇、試驗參數選取、試驗準備、試驗執行、故障分析和設計改進迭代循環全過程。