關于HALT和HASS試驗及其試驗設備溫度控制的探討

羅鵬程

（重慶四達試驗設備有限公司，重慶 404100）

1 高加速環境試驗的需求

當今市場經濟的競爭越來越激烈，企業作為產品的制造者，總是想以最快的速度向市場提供性能完善、使用方便、可靠性高、使用壽命長的產品，為達到這些目標，除了產品設計時要充分考慮市場對產品的需求外，還要通過試驗來了解產品的可靠性和對產品預期壽命進行評估。

采用什么試驗方法對產品可靠性和預期壽命進行評估，越來越受到企業的關注。通常情況下，主要考慮評估產品的運輸儲存和使用環境條件對產品的影響。進行這類評估一般采用GB/T 2423 和GJB 150 規定的環境試驗方法，這些也是常規的環境試驗方法，應用非常普遍。

隨著上述常規環境試驗在產品質量控制中的開展，產品的性能和可靠性獲得了很大的提高。但是，隨著產品開發周期越來越短，這種傳統的試驗方法已經很難滿足對產品的可靠性和壽命進行快速評估的要求了，于是人們開發出了高加速環境試驗方法。所謂高加速環境試驗是指對產品施加比傳統環境試驗更加嚴酷的試驗條件，以在一定的試驗時間內獲取更多的產品相關信息。這種試驗施加的應力可以是溫度、振動、壓力和濕度及其它應力，應力的組合也是應力施加的重要方式，高溫變率的溫度循環和寬帶隨機振動是公認最有效的激發應力形式。

2 兩種高加速環境試驗

目前,在電子行業有兩種高加速環境試驗獲得了廣泛應用,即高加速壽命試驗和高加速應力篩選試驗,英文縮寫分別為“HALT”和“HASS”。

HALT試驗是一種新型環境試驗，它通過設置逐級遞增的加嚴環境應力，來加速暴露試驗樣品的缺陷和薄弱點，然后針對暴露的缺陷和故障從設計、工藝和材料等方面進行分析和改進，從而達到提升可靠性的目的，其最大特點是設置高于樣品設計的工作限值的環境應力，從而使暴露故障的時間大大短于正常可靠性應力條件下所需的時間。

HASS試驗應用于生產周期內，是一種高效的篩選工藝過程，它使用較高的組合應力，通常為溫度和振動，施加在批量制造的產品上進行篩選，從而快速剔除制造過程中引入缺陷的產品。HASS試驗的應力值的選取需要根據HALT試驗得到的特征數據確定，通過HALT試驗得出產品的工作和破壞極限值后，HASS試驗的應力值一般選取在上述兩個極限值之間。

可見HALT試驗和HASS試驗這兩者既有聯系又有區別。兩種試驗在方法上相似，試驗時的環境條件比產品正常使用的環境條件嚴酷得多，也就是說試驗時施加更大的環境應力，這一點是相同的；而HALT試驗可以說是HASS試驗的基礎，如上所述，HASS試驗的應力值需要根據HALT試驗得到的特征數據來確定。但兩種試驗的目的不同，高加速壽命試驗是通過試驗獲取產品的大量信息，通過對這些信息的統計分析，估計出產品的預期壽命，同時尋找產品失效的原因并改進設計。因此主要適用于產品的設計階段，通過試驗改進設計提高產品的可靠性和使用壽命，這一試驗方法越來越受到可靠性研究和試驗人員的廣泛關注。高加速應力篩選試驗則主要是通過對產品施加更大的應力以盡快暴露出產品的缺陷，篩選出不合格的產品，它實際是一種工藝方法，從本質上講它并不能提高產品的可靠性。

3 HALT和HASS試驗設備溫度控制的設計考慮

從產品失效的統計數據發現，對產品施加溫度應力比對產品施加機械應力暴露出的缺陷和失效更多，這并不意味施加機械應力不重要，可能是產品對施加溫度應力較為敏感所致，所以，要對產品可靠性和壽命進行客觀的評估，應該對產品施加綜合的應力才比較穩妥。然而，由于獲得溫度應力的試驗設備較為便利，試驗相對容易，試驗人員易操作，因此較多的公司首選快速溫度變化試驗進行單應力（溫度）的HALL或HASS試驗。

開展HALT試驗或HASS試驗離不開滿足要求的試驗設備。目前，國內環境試驗設備制造廠商大多能制造滿足應力篩選ESS試驗要求的試驗設備，但尚未有公開報道國內廠家能生產滿足HALT 試驗或HASS 試驗要求的試驗設備。原因是HALT 試驗或HASS 試驗對設備能力要求很高，單就溫度應力試驗而言，要求有非常大的溫度變化速率，一般要求溫度變化速率應大于40℃/min，同時溫度變化的范圍在不對試驗樣品造成損害的情況下越寬越好。

筆者所在公司曾經生產了一批溫度范圍在零度以上的滿足HALT 和HASS 試驗的試驗箱，其溫度變化速率能超過60℃/min，但是由于沒有零度以下的溫度段，溫度變化的范圍還不夠寬，不能滿足多數試驗需求。目前公司在著手開展溫度變化范圍延伸至-100℃以下的設備研制工作。結合當今的技術狀況和我們的研制經驗，我們認為，HALT和HASS試驗設備的設計需要考慮以下幾方面：

1)獲得零下100℃的溫度通常使用的方法有壓縮機三極復疊制冷，壓縮空氣通過膨脹制冷及液氮（LN2）制冷，其中，壓縮機復疊制冷由于降溫速率滿足不了HALT 和HASS 試驗要求，一般不宜采用。

2)壓縮空氣膨脹制冷可獲得很低的溫度，在空氣分離系統中通過空氣的液化分離出各種不同的氣體時就可獲得極低的溫度。但系統要求建立空壓站，要有空氣凈化，空氣干燥等裝置，投資較大，對設備管理要求較高，制冷效率不高是其缺點。有空壓站的用戶采用此法是一種可選的方案。筆者曾用該法在一個專用設備中獲得過70℃/min的降溫速率。

3)目前滿足HALT試驗 和HASS 試驗要求的國外品牌試驗箱普遍采用液氮降溫。液氮制冷可獲得-190℃左右的低溫，而且制冷系統的構成較為簡單，液氮也容易獲得，它是空氣制氮過程中的附產物，費用主要體現在包裝和運輸費，當大量使用時價格約2～3 元/升。另外使用液氮還有一個好處，在快速升降溫過程中試驗箱內部氣壓會發生變化，當采用壓縮機降溫時，隨著溫度的降低，箱內氣壓下降，這時試驗箱進排氣自動平衡結打開，外部空氣進入箱內，而外部空氣中含有水分，當快速升溫時試驗樣品升溫總是滯后于箱內空氣變化，試驗樣品溫度常常會低于箱內空氣的露點溫度，這時試驗樣品的表面會出現凝露和結霜，有可能造成試驗樣品失效，為防止這一現象出現，通常的方法是在升溫過程中，向箱內充入干燥的氮氣來降低空氣的露點，防止試驗樣品表面凝露結霜。而采用液氮降溫的試驗設備，由于箱內充入的液氮氣化后就是干燥氮氣，通過自動壓力平衡口排出箱外，因此沒有壓縮機制冷時箱內出現對空氣的呼吸效應引入濕空氣的情況，不會出現產品表面凝露和結霜。另外，采用液氮制冷可獲得很大的降溫速率，我們曾用液氮制冷的方法在對材料深冷處理的箱內實現了60℃/min 的降溫速率。

4)目前，在設計HALT 和HASS 試驗箱時，一般采用電加熱升溫，液氮降溫的方式，在設計細節上還應有如下考慮：首先是如何防止升降溫過程中溫度的超調，特別是升溫時過度的超調可能會造成試驗樣品損壞，除了在控制軟件上下功夫外，還應在硬件上考慮必要的保護措施防止過度超調帶來的危害。另外在制冷過程中要使液氮充分氣化以防止液態氮滴到試驗樣品表面形成局部應力集中，通常采取適當選取噴入的液氮壓力、采用合適的噴嘴結構和設計合理的進入箱體的管路等方法進行解決。同時還要考慮液氮輸入量的調節，通常的方法是采用液氮泵，電磁閥和氣動比例閥，在選擇控制元件時要注意極低溫度下可能出現運動部件冷焊，造成控制失靈的問題。管道輸送過程中不可避免與環境中空氣進行熱交換，使管中部分液氮氣化，從而影響液氮的正常調節，因此管道一般要采用必要的保溫措施或使用真空絕緣管，同時應在系統中安裝安全閥防止液氮氣化造成壓力升高。從環保和使用安全的角度考慮，由液氮氣化制冷后氮氣排空可能造成使用環境中氮氣和氧氣比例失調，造成氧氣分量減少，形成對使用人員的傷害，所以，除了設計必要的排放管路外，還應在設備上安裝氧氣濃度測量和報警裝置。

4 建議

為推廣HALT和HASS試驗在國內的應用,需要產品制造企業、實驗室、設備制造商多方共同努力，鑒于我國HATL和HASS試驗處于剛起步階段，試驗標準多是借鑒國外標準，試驗設備也需進口，價格昂貴，從使用成本考慮，建議一些國際化程度不高的企業先開展單一溫度加速應力篩選試驗及相關設備的研制，待技術成熟后，再開展多應力綜合試驗設備的開發。

[1] 陳國幫，黃永華，包銳合著.低溫流體熱物理性質[M].北京：國防工業出版社，2006.

[2] 朱建華，鐘浩.如何確定高加速壽命試驗的應力極限[J].環境技術2012(1)：5-9.