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1、T h e h i g h l ya c c e l e r a t e dl i f et e s tt e c h n i q u ea n dp r o c e s so fe l e c t r o n i cp r o d u c t s 电子产品高加速寿命试验技术与方法 P a p e r C o d e ：S - 0 2 7 张树文王剑邬宁彪 江南计算技术研究所军用印制板质量检测中心 电话：0 5 1 0 8 5 1 5 5 2 6 9 作者简介： 1 张树文，男，江南计算技术研究所高级实验师，主要从事电子产品质量与 可靠性检测工作。 2 王剑，女，江南计算技术研究所工程师，主要
2、从事电子产品质量与可靠性 检测工作。 3 邬宁彪，男，江南计算技术研究所高级工程师，主要从事印制板产品质量 与可靠性检测工作。 摘要：本文介绍了高加速寿命试验和高加速应力筛选试验的基本原理、特点、试验方法及试验步骤， 对高加速寿命试验和高加速应力筛选试验的应用和前景进行了展望。 关键字：H A L TH A S S 工作极限损坏极限应力 A b s t r a c t ：T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r i e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h et e s
3、tm e t h o da n dt e s tp r o c e s so f H i g h l yA c c e l e r a t e dL i f eT e s ta n dH i g h l yA c c e l e r a t e dS t r e s sS c r e e n I ta l s oo p e n su p o np r o s p e c t sf o rt h e a p p l i c a t i o no ft h e s et w ot e s tm e t h o d s K e yW o r d s ：H A L T H A S S O p e r
4、a t i n gl i m i t D e s t r u c tl i m i t S t r e s s 3 5 9 1 、引言 传统的环境模拟试验技术与方法长期以来已成为保障产品可靠性的主要手段，这类试验的特点 是模拟产品使用的实际环境和条件，加上设计余量，以确保可靠性验收与鉴定试验的通过。因此， 环境模拟的真实程度和设计余量的大小便成为两个关键的因素。要提高产品的可靠性就必须对环境 进行精确的模拟和加大设计的余量，但这样一来其试验难度增大，不仅试验周期长、效率低，而且 成本也大幅度增加。 现代电子产品的复杂程度越来越高，发展速度极快，随之而来的可靠性问题也就越来越尖锐， 要发现产品的
5、潜在缺陷并非易事，特别是那些潜在很深的故障或间歇性故障，传统的环境模拟试验 已难以满足这种要求，已远远赶不上现代电子产品发展的步伐。激发试验就是在克服这种传统的环 境模拟试验周期长、效率低、耗费大等缺点的基础上发展起来的一种全新的可靠性试验技术。与环 境模拟试验的思路相反，激发试验不是模拟真实环境，而是对试件施加比产品实际使用条件残酷的 多的环境应力和工作应力，快速激发并清除产品的缺陷，达到提高产品可靠性和缩短产品研制周期 的目的。这种新的可靠性试验技术是由美国H o b b s 工程公司的G 、K 、H o b b s 、K 、A 、G r a r 和L 、W 、 C o n d r a 等
6、人研究并在1 9 8 8 年讲授“筛选技术”课程时提出的，即如何采用强化应力激发缺陷的方 法，快速有效地暴露设计上的薄弱环节、剔除制造工艺缺陷的试验技术。并把这种新的试验技术称 为高加速寿命试验( H i g h l yA c c e l e r a t e dL i f eT e s t 简称姒L T ) 和高加速应力筛选( H i g h l y A c c e l e r a t e dS t r e s sS c r e e n 简称H A S S ) ，前者是针对设计的，后者是针对生产过程的。其试验方法 的核心是对产品施加超过设计规范的极限应力，一步一步地加，一次一次地排除缺陷，故又
7、叫步进 应力试验方法。 从上个世纪9 0 年代开始，这项新的试验技术与方法相继在美国各个工业部门推广应用，并取得 了较好的社会效益和经济效益，被公认为是强化产品可靠性的有效工具，所获得的可靠性水平是传 统试验的数百倍，而试验费用却是传统试验的l 5 1 1 0 。只是由于商业竞争和军工保密的原因， 至今许多重大成果仍未解密发表。 2 、H A L T H A S S 的基本原理与特点 H A L T 是在产品设计阶段实施的试验，是产品研制的一种工具。而H A S S 是在生产阶段进行的试 验，是一种筛选工具，是以确认在H A L T 试验中所做的所有可靠性改进是否得到了保持，也是步进应 力试验
8、的一种强化形式。与传统的可靠性试验不同，H A L T H A S S 试验的目的是激发产品在设计阶段 的薄弱环节，增加设计强度的富余量和生产过程中工艺上存在的问题，把产品潜在的缺陷激发成可 观察的故障，它们经常互相结合使用。因此，它不是采用一般模拟实际使用环境进行的试验，也不 是用来进行产品寿命或可靠性的定量预计，而是人为施加步进应力，在远大于技术条件规定的极限 下进行快速试验，以找出产品的工作极限和损坏极限，然后根据H A L T 确定的工作极限制定H A S S 方 案，再剔除生产过程中的缺陷，使产品快速达到高可靠性。 2 1H A L T H A S S 试验技术的基本原理 H A L
9、 T H A s s 作为一种激发试验技术与方法，其基本理论依据是故障物理学。它把故障或失效作 为研究的主要对象，通过激发、研究故障和根治缺陷，达到提高产品可靠性和缩短产品研制周期的 目的。 2 1 1 疲劳损伤与机械应力之间的关系 众所周知，提高应力就可加速产品的失效，疲劳损伤与机械应力之间具有如下的关系： D = 聆仃 ( 1 ) 式中：D 为累积疲劳损伤；n 为应力循环次数；o 为机械应力；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作用所引起的) ；B 为疲劳试验确定的材料常数，其变化范 围一般为8 1 2 ； 一般来说，有缺陷的部件( 器件) 之所以容易失效是
10、由于有缺陷部件( 器件) 的应力比无缺陷的要 高的多，筛选目的就是要剔除这些有缺陷的部件( 器件) 。H o b b s 先生就强化应力的效果问题设计了 一种金属件，就强化应力对疲劳寿命的影响效果进行了长时间的研究与试验，通过大量试验证明了 公式( 1 ) 的存在，并发现当应力强度增加l 倍时，则疲劳寿命降低为1 1 0 0 0 。这种由机械应力引起 的疲劳损伤是累积的，不可逆的，通常是不能消除的( 在实际应用时振动所引起的失效就属于这一 类) 。对于有缺陷的产品，缺陷处引起的应力集中系数高达2 3 倍，从而使疲劳寿命相应降低好几 个数量级。这样就使有缺陷的部件( 器件) 与无缺陷的部件( 器
11、件) 在相同的强化应力作用下疲劳寿命 3 6 0 拉大了档次，使有缺陷的部件( 器件) 在迅速暴露的同时无缺陷的部件( 器件) 损伤甚小，这一理想效 应正是我们所需要的，也清楚地表明了H A L T H A s s 试验技术的基本原理。 此外，强化应力激发产品缺陷的有效性和激发出的缺陷与正常使用环境下导致产品失效的各类 缺陷的相关性也通过试验和实践得到了证实。下图是经过试验得出的筛选强度与振动应力量级的关 系图： 筛选强度与振动应力量级关系图 从图中可以看出，在振动应力量级较低时，筛选强度很小而且随着时间的推移增加的非常缓慢， 而当振动应力量级较高时，在相同的时间内筛选强度有很大的增加，在很短
12、的时间内达到1 ( 发现了 产品的所有缺陷) ，甚至 1 ( 即不相关故障开始出现) 。 2 1 2 温变速率与激发缺陷所需的温度循环次数之间的关系 温度循环属于热疲劳性质。S 、A 、S m i t h s o n 在效率与经济性一文中给出了对这一关系的试 验结果，即在不同温变速率下的筛选效果，见下表： 温变速率。C m i n 5i 01 52 02 53 04 0 循环次数 4 0 05 51 7742 21 M i n 次循环 6 63 32 21 8 31 6 51 3 28 筛选时间 4 4 03 063 01 90 90 1 从表中可以看出，若以两个不同的温变速率为例，即一个是5
13、 。C m i n 情况下进行4 0 0 个6 6 m i n 次的温度循环与4 0 m i n 情况下进行一个8 m i n 次的温度循环，其效果是一样的，而两者所花的时 间比达到4 4 0 0 ：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 要比低应力部位要快得多，这样，就使得有缺陷的元器件与无缺陷的元器件在相同应力下拉开了疲 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。 下图描述了在温变率一定的情况下筛选强度随时间变化的关系。在相同的循环周期下高温变率 比低温变率的筛选强度要高的多，这样就可以通过较少的循环周期获得较好的筛选效果。 H A L T
14、 H A S S 就是利用了这种高机械应力和高温变率来实现高加速的。这种高加速应力的综合效 果是：大幅度提高产品的可靠性、高度压缩试验时间、降低试验成本，达到快速、经济、高效的目 的。正是基于这种机理，在试验中对被试件施加远大于正常使用条件的环境应力，快速激发出产品 缺陷，从而提高试验效率。 2 2H A L T H A S S 试验技术的特点 就某一产品而言，H A L T 试验技术对产品各种应力极限的描述如下图所示： 应力 一一损坏极限上限 I 一 工作极限上限 l 一 设计极限上限 一一 技术规范极限上限 一一 技术规范极限下限 一一 设计极限下限 一一 工作极限下限 一 损坏极限下限
15、工作极限：是指在定量确定有关应力对可靠性影响的加速试验过程中，施加于产品的工作应力 极限。当环境应力超过该极限值时，产品失效，不能正常工作。当环境应力恢复正常值时，产品又 能恢复正常工作。 损坏极限：是指产品能在其范围内工作而不出现不可逆失效的应力极限。当应力超过该极限时， 产品破坏，即使恢复到正常条件，产品也不能正常工作。 根据这两个“极限”的定义，在H A L T 与H A S S 试验中又分为以下几个具体定义： 工作温度下限L O L ：( L o w e rO p e r a t i n gL i m i t ) 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
16、的那个温度值。 损坏温度下限L D L ：( L o w e rD e s t r u c tL i m i t ) 产品停止工作或不再满足技术条件要求，而 且温度下降后，产品已不能恢复正常工作的那个温度值。 工作温度上限U O L ：( U p p e rO p e r a t i n gL i m i t ) 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U D L ：( U p p e rD e s t r u c tL i m i t ) 产品停止工作或不再满足技术条件要求，而 且温度下降后，产品已不能恢复正常工作的那个温度值。 3 6 2 工作振动极限V O L ：( V i b r a t i o nO p e r a t i n gL i m i t ) 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V D
