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HALT试验——让研发工程师头疼的可靠性试验

2018-11-14 21:04:43·  来源:嘉峪检测网  
 
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什么是HALT试验?HALT(Highly Accelerated Life Test)的全称是高加速寿命试验,是一种试验方法(思想),采用的环境应力比加速试验更加严酷。主要应用于产品开
什么是HALT试验?
HALT(Highly Accelerated Life Test)的全称是高加速寿命试验,是一种试验方法(思想),采用的环境应力比加速试验更加严酷。主要应用于产品开发阶段,它能以较短的时间促使产品的设计和工艺缺陷暴露出来,从而为我们做设计改进,提升产品可靠性提供依据。
HALT试验其实是硬件工程比较恐惧的试验:因为往往实验过程中,会出现不少问题。会有一种深陷泥潭不能自拔的感觉。
1、由于HALT试验是产品开发阶段,产品相对稳定度还不够的时间段,出问题的概率还是比较高的。
2、而且是不按照器件规格进行的试验,如果不出问题,则会一直做到试验设备的极限。直到找到产品的薄弱点,并且分析出原因,给出整改意见。直到达到现有设计的极限。
3、问题往往难复现,根因难于挖掘。
高加速寿命试验(HALT)是由美国Hobbs工程公司总裁GreggKHobbs博士首先提出来的。从90年代开始,HALT获得推广应用。HALT的最大特点是时间上的压缩,即在短短的几天内模拟一个产品的整个寿命期间可能遇到的情况。
但其实HALT试验能暴露出产品的短板,开发阶段发现和解决硬件问题的成本代价,要比发货后发现问题再去解决,成本代价要小很多。
此时设计师头疼去发现和解决问题,是为了未来产品上市的良好质量保证,需要严谨态度去面对问题,感谢问题。不能捂问题。
与传统的可靠性试验相比,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测的故障。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 ,找出产品的各种工作极限与破坏极限。目前,虽然还没有相关的试验标准 ,但国外在航空、汽车及电子等高科技产业都广泛开展了 HALT 项目 ,已有相当成效。
HALT具有如下优点 :
1、利用高环境应力 ,提早使产品设计缺 陷激发出来 ,从而消除设计缺陷 ,大大提高设 计可靠性 ,确保产品能获得早期高可靠性 ,使 产品具有高的外场可靠性 ;改善后可延长产 品早夭期(浴盆曲线后段延伸 ) ; 
2、产品的设计周期大大减少 ;
3、生产费用大大降低 ;
4、维修费用大大降低 ,因为交付的产品 具有更高的可靠性 ;
5、了解产品的设计能力及失效模式 ;
6、HALT能找出产品的工作极限和破坏 极限 ,为制定 HASS(高加速应力筛选) 方案 , 确定 HASS 的应力量级提供依据 ;
7、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。
今天的产品更耐用 ,为了更好的提高产品竞争力,所以有必要开展HALT 去改进产品的可靠性。 HALT利用高环境应力 ,提早使产品设计和工艺缺陷激发来 ,从而消除设计和工艺缺陷 , 加速产品设计的成熟 ,大大提高产品可靠性。 在加速把产品潜在的故障以失效形式暴露出来 ,随机振动比温度循环更有效 ,综合试验比单个试验更有效。
试验条件的要求
做HALT试验的设备必须能够提供振动应力和热应力,并满足下列指标:
振动应力:必须能够提供6个自由度的随机振动;振动能量带宽为2Hz~10000Hz;振台在无负载情况下至少能产生65Grms的振动输出。
(注:g值是一个重力加速度值,就是1G=9.8m/s2, 而Grms是个积累的物理量,类似于能量一样,在一定的频率范围内对PSD积分( PSD:功率谱密度 (power spectral density)、近似的算法就是求面积,在将面积开方就是你所需要的了),然后将积分的结果开方,也叫加速度总均方根值。)
热应力:目标是为产品创造快速温度变化的环境,要求至少45℃/min的温变率;温度许可范围至少为-90℃~+170℃。
 
试验中的试验项目分类
HALT试验中的试验项目分为以下各类,试验中按下面的顺序进行试验:
(1)试验前常温工作测试;
(2)步进低温工作试验;
(3)低温启动试验;
(4)步进高温工作试验;
(5)高低温循环试验;
(6)步进随机振动试验;
(7)高低温循环与步进随机振动结合的综合试验;
(8)低温与随机振动结合的综合试验(选做);
(9)高温与随机振动结合的综合试验(选做);
HALT试验的实际试验过程
1、搭建试验环境
试验人员首先按上述试验基本要求准备好试验设备、测试设备、试验样品等资源,然后开始搭建试验环境:
(1)把试验样品有针对性地置于试验箱内,如果是振动试验,必须用夹具固定样品;
(2)把电源线、信号线及监视用电缆、光纤等引线通过试验箱出线口引出,与外面电源、监视设备等正确相连;
(3)对试验样品按规律编号,以便于试验过程的记录;
(4)样品上电,研发、测试人员负责按测试用例对样品组网、配置业务并配置仪表,使样品工作正常。
(5)样品掉电,给样品的温度、振动关键检测点粘贴必要的热电偶和振动加速计(注意,由于加速计在高温时容易损坏,在有高温的振动试验中,不要使用加速计)。
2、试验前常温工作测试
试验前的常温工作测试,即在搭建试验环境完成后,对样品持续进行一段时间的测试。有两个目的:一是,确认试样在正常工作条件下是符合规格要求;二是,测量常温工作条件下试样关键部位的温升。
3、步进低温工作试验
从样品低温规格限开始,步进降温,步进步长一般为10℃,接近极限时步长取5 ℃;如果已有其它样品做过本试验项目,并确定失效温度点距离规格限较远,为缩短试验时间,步长可以为20℃。
每个温度台阶的停留时间应足够长,使得产品的每个器件的温度稳定下来,通常是产品温度达到温度设定点后5~15分钟。
每个温度台阶必须进行完整的功能测试。
试验中满足以下任意一个条件,本项目即可停止:一是,低温达到或超过了零下90℃,或试验样品在某个温度点附近一致失效;二是,达到了试验箱的极限;三是,达到了样品材料所能承受应力的物理极限。
如果产品发生了失效,温度回升至上一个温度台阶,判断失效为运行限还是破坏限。
如果试验满足终止条件后试样依然没有失效,则把当时最低的温度试验条件定为试样的运行限;如果找到了某个样品运行限或操作限,但还不满足试验结束条件,则更换样品,继续试验。
4、低温启动试验
低温启动试验一般和步进低温工作试验结合在一起做。
低温启动从-20℃开始,如果启动成功,则以10℃为步长降温,接近极限时步长为5℃;如果启动不成功,以10℃为步长升温,接近样品低温规格时,步长为5℃。
样品断电,试验箱保持某一低温,监视样品内部温度,直至温度平衡,再停留10分钟,保证芯片内部被冷透。
样品上电,配置业务,并监视样品性能,根据性能指标判断是否启动成功。
5、步进高温工作试验
从样品高温规格限开始,步进升温,步进步长一般为10℃,接近极限时步长取5 ℃;如果已有同种产品的其它样品做过本试验项目,并确定失效温度点距离规格限较远,为缩短试验时间,步长可以为20℃。
每个温度台阶的停留时间应足够长,使得产品的每个器件的温度稳定下来,通常是产品温度达到温度设定点后10~15分钟。
每个温度台阶必须进行完整的功能测试。
试验中满足以下任意一个条件,本项目即可停止:一是,温度达到或超过了高温150℃,或试验样品在某个温度点附近一致失效;二是,达到了试验箱的极限;三是,达到了样品材料所能承受应力的物理极限,比如塑料熔化。
如果产品发生了失效,温度下降至上一个温度台阶,判断失效为运行限还是破坏限。
如果试验满足终止条件后试样依然没有失效,则把当时最高的温度试验条件定为试样的运行限;如果找到了某个样品的运行限或操作限,但还没有达到试验结束条件,则更换样品,继续试验。
如果电路有一些已知的热的敏感点,在升温中采用必要方法屏蔽掉这些部位,比如局部制冷或加强散热,以发现样品其它部分的缺陷。
6、高低温循环试验(选做)
一般进行5个循环,最少要进行3个温度循环,除非产品发生破坏性失效;温度变化速率取试验箱的最大温变能力,如果在温度变化时试样失效,则降低温度变化率。
温度循环的温度极点取【低温操作限+5℃,高温操作限-5℃】。
在两个温度极点至少等产品到达温度设定点后再停留5分钟,如果产品体积很大或热容量很大,比如体积超过0.05立方米,应适当延长停留时间。
尽可能在温度变化时完成完整的功能测试。
如果试验时间紧急,可以不做此项测试,因为后面的温度循环与振动的综合试验中包含了此种应力。但推荐尽可能做此项测试。
7、步进随机振动试验
首先了解产品对振动的大致响应,然后用合适的夹具把样品固定在振台上,在样品合适部位安装加速度计。选择加速计安装部位的原则为:
(1)用有限数量(6通道)的加速计,监视样品尽可能全面的振动情况。
(2)步进起始振动为1~10Grms,推荐5Grms;
(3)步进步长为1~10Grms,推荐5Grms;
(4)每个振动台阶停留5分钟,并完成完整的功能测试;
(5)在振动强度超过20Grms时,每个振动台阶完毕,把振动值调至5±3Grms,并做功能测试,有利于故障的暴露;
(6)试验中满足以下任意一个条件,本项目即可停止:一是,振动达到或超过了50G,或试验样品在某个振动点附近一致失效;二是,达到了试验箱的极限;三是,达到了样品材料所能承受应力的物理极限,比如表贴器件管脚断裂。
如果产品发生故障,将振动强度降回上一个台阶,判断该失效为运行限还是破坏限。
如果试验满足终止条件后试样依然没有失效,则把当时最低的试验条件定为试样的振动运行限;如果找到了某个样品的运行限或操作限,但还没有达到试验结束条件,则更换样品,继续试验。
8、高低温循环与步进随机振动结合的综合试验
振动极限值取步进振动试验中的操作限。
(1)高、低温极限值与纯粹的高低温循环试验相同;
(2)共计5个循环;
(3)第一个循环的振动设定值为振动极限值的五分之一,步长同样为振动极限值的五分之一;
(4)推荐每个振动台阶完毕,把振动值调至5±3Grms,并做功能测试,有利于故障的暴露;
(5)在每个温度停留点进行完整的功能测试,可能的话全程监视产品性能。
ͼ1
ͼ1 温度循环+振动的综合环境应力剖面
9、低温与随机振动结合的综合试验(选做)
如果在温度循环与随机振动的综合试验中试样在温度循环的低温段出现软故障,则可以开展本试验项目,用于试验问题的定位。试验分为两类:
(1)步进振动的低温试验
温度取低温操作限或略高5℃,进行步进随机振动试验,试验步骤与“步进随机振动试验”相同。振动极限值取试样的振动运行限或略低5G。
(2)步进低温的振动试验
振动取振动操作限或略低5G,进行步进低温试验,试验步骤与“步进低温工作试验”相同。温度极限值取试样的温度运行限或略低5℃。
10、高温与随机振动结合的综合试验(选做)
如果在温度循环与随机振动的综合试验中试样在温度循环的高温段出现软故障,则可以开展本试验项目,用于试验问题的定位。试验分为两类:
(1)步进振动的高温试验
温度取高温操作限或略低5℃,进行步进随机振动试验,试验步骤与“步进随机振动试验”相同。振动极限值取试样的振动运行限或略低5G。
(2)步进高温的振动试验
振动取振动操作限或略低5G,进行步进高温试验,试验步骤与“步进高温工作试验”相同。温度极限值取试样的温度运行限或略低5℃。