道路車輛 電工電子設備高加速壽命試驗

程 度，陸 斌，許 毅，謝罕杰，黃燕秋，盧兆明,

（1．蘇州廣博力學環境實驗室有限公司，蘇州 215129； 2．上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200233）

概述

用環境應力下的成熟度對產品的適用性和耐用程度進行評價[1]，已經從理論探索趨向實際應用。成熟的汽車企業已經將高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Testing, HALT）及高加速應力篩選和稽核（Highly Accelerated Stress Screening and Auditing, HASS/HASA）引入裝車電工電子設備的研發、試產和批量供貨-采購的管理中[2]，其需求已進入國內檢測市場。

HALT/HASS/HASA構成的是一整套產品評價和質量控制系統。HALT適用于采用了新工藝技術/設計的產品，還能用于評價產品的改善。HASS/HASA適用于發現產品存在的意外的和隨機出現的質量問題。其中HALT通過規范的基礎試驗方法注重物理試驗，原因分析和矯正措施；進行健壯發展和維持。HASS/HASA則注重于長期有效的品質的保證措施，將另文詳述。

1 試驗設備

HALT/HASS/HASA試驗使用的設備是相同的。應能滿足HALT所需溫度和振動應力，試驗箱必須在同一箱體內提供溫度和振動環境。

1.1 振動

HALT試驗箱具有6自由度（3平軸和3轉軸）振動技術。采用能量在本質上維持正高斯長尾能量分布的準隨機振動。寬帶隨機的頻率范圍2Hz -10000 Hz；振動臺空載輸出大于35g rms。

1.2 溫度

在受樣試品上施加快速溫度變化應力。試驗箱具有足夠大的氣流速率用以在受試樣品上產生所要求的快速熱量變化率，并維持熱穩定，這也很重要。高速變化率（最小溫變率應達到45℃/min）；溫度范圍從-80℃至+170℃。

1.3 數據的采集和保存

HALT過程中的響應數據包括溫度、振動和產品功能性的表現。溫度數據的收集和保存要用到試驗系統的熱電偶監測信道或多信道的數據采集設備；振動數據的收集和保存則要用到試驗系統的加速度監測信道或帶測量傳感器（加度計）的頻譜分析儀和監控器。

1.4 布置在受試樣品上的傳感器

對受試樣品振動響應測量的加速度計應有小的質量（比如4g），響應頻率2Hz至10kHz，±500*Gn的測量范圍(Gn=9.80665 m/s2); 對受試樣品溫度響應測量的熱電偶。需要采用熱電偶絲。用于HALT試驗箱的熱電偶，在試驗箱溫度范圍內（近似-100℃至+200℃）應具有足夠的穩定性。熱電偶絲應該用22#規格，或更小。

2 HALT試驗

2.1 溫度步進應力試驗（見圖1）

2.1.1 溫度步進應力試驗，由環境溫度開始（定為+20℃至+30℃）。最大的高溫基于材料金相變化的極限相關，應在試驗前被標明。塑料外殼應被移除容許電子類產品達到更高溫度。試驗不應使材料金相發生變化。正確的溫度試驗基于沒有故意造成的傷害。步長通常為10℃，適當時可以增加到20℃步長。

2.1.2 溫度駐留時間必須足夠長到完全穩定，并使設備和受試樣品達到完全熱飽和。駐留時間通常在樣品熱電偶反饋確定樣品溫度穩定在設定點之后5min至15min之間。對熱容量的工程判斷直接影響用最小或最大溫度駐留時間。在駐留時間后完成全部功能測試，也可以在整個步長上進行。

2.1.3 溫度步長試驗中的應力是連續的，直到受試樣品確定的工作極限或達到試驗箱的最大值。

2.1.4 一旦工作極限確定，步進式的溫度應力程序以10℃為增量，可能會連續進行超過工作極限而達到損壞限值或達到試驗箱的最大值。然而，由于受試樣品未能被充分運行，將勢必要減少熱應力（例如，返回+20℃，或在+20℃與工作極限間的某個溫度）在每個駐留到穩定期間，確認受試樣品仍保持功能運行。所有事件中重要的是工作極限的確定。然而，對于稀有和昂貴的原型樣品并不建議進行損壞極限溫度的認定。可在較晚些時候，當產品試樣更易獲得時，再進行損壞極限溫度的認定，這樣就降低了樣品的開銷。

2.2 快速溫度轉換應力試驗（見圖2）

2.2.1 除非遇到破壞性失效，至少應進行3個溫度循環。溫度轉換試驗以可以達到的最大的變化速率進行。考慮到試驗時間的可用性及某一樣品的物理特性，快速溫度轉換將發生在HALT程序中溫度-振動混合作用的部分，跳過這一步是合理的。然而，快速溫度轉換循環仍被推薦進行，在任何可能時間，盡管在試驗序列的溫度-振動混合部分期間這些溫度循環識別其斜坡率的靈敏度可能會受到振動的掩蓋。

圖1 溫度應力步進-溫度曲線

圖2 快速溫度轉換試驗-溫度曲線

2.2.2 除特殊環境應用外，溫度循環范圍應是溫度步進應力期間發現的下限溫度工作限值合上限溫度工作限值的5℃的范圍內。例如，如果下限溫度工作限值確定為-50℃；上限溫度工作限值確定為+100℃，倘若不存在特殊情況，可容許的最小溫度轉變范圍應該為-45℃至+95℃。有一種特殊情況是當材料的金相變化的溫度接近工作溫度極限。當有塑料元件必須留在受試樣品中經歷試驗，就出現這種例外。溫度上限應降低以確保箱內溫度的超出不會造成塑料元件融化或卷曲而導致受試樣品出現故障。例如，如果電子器件的塑料殼體被保留，溫度范圍可降至-45℃至+90℃。

2.2.3 在樣品上的響應熱電偶測得溫度在設定點穩定后，溫度駐留時間至少5min。對較大質量部件，溫度駐留時間至少應增加到使其至少達到溫度上限的80%。

2.2.4 在樣品暴露于溫度轉換（斜坡）步段的期間，若有可能，連續實施 功能測試，判斷是否存在熱敏感率問題。

2.3 振動步進應力試驗

2.3.1 振動步進應力試驗起始于1g r ms 至 10g rms箱內設置點，以2Hz至2000Hz測量，或較大帶寬（推薦5Grms）且以1g rms 步增至 10g rms（推薦5g rms步長）為步長增量進行，一段駐留時間后完成并在隨后進行功能測試。詳見圖3。

2.3.2 振動每個量級的駐留 時間至少10min。功能檢測在10min駐留之后進行。因而每個振動量級上駐留的總時間則由樣品的功能測試運行周期的時長決定。注，功能測試應在步長期間進行；然而也必須能在最短時間即10min的停頓時間結束時完成。

2.3.3 每個振動步階結束后推薦返回到“騷癢振動量級”(5±3)Grms，以檢出在高一級振動 量級中被極端應力隱藏的潛在失效。以此方法可明顯地提高焊料接點斷裂的檢出。

2.3.4 振動步進應力試驗連續進行，直到受試樣品的工作極限，或達到試驗箱的最大值。

2.3.5 一旦工作極限確定，步進式的振動應力程序按前面規定的增量超過工作極限而達到損壞限值或達到試驗箱的最大值。然而，由于受試樣品未充分運行，在每個停頓期間返回到“騷癢量值振動”就尤為重要，確認受試樣品仍保持功能運行。

2.4 綜合環境應力試驗（見圖4和圖5）

2.4.1 除非遇到受試樣品破壞性的失效，至少應完成所有5個綜合環境循環。

2.4.2 綜合環境試驗的溫度曲線在溫度工作極限范圍內循環進行（或修正的工作極限，當如塑料軟化等特殊情況存在時）。修正的工作極限縮小了溫度范圍，從而確保箱內溫度不至導致受試樣品破壞性的失效。在每個溫度極限值上的停留時間至少為10min。

2.4.3 要求的5個循環的起始振動量級按振動步進應力試驗中最大量級1/5確定。振動量值以相同量值隨之后的每個溫度循環增加（例如，受試樣品在振動步進應力試驗中于35g rms發生破壞性的失效，則起始的振動量級可為7g rms。在每個完成的溫度循環之后振動量級將以7g rms為增量遞增，即，第1循環為7g rms；第2循環為14g rms；第3循環為21g rms；第4循環為28g rms；第5循環為35g rms）。如果在振動步進應力試驗中未出現破壞極限，則將最大振動量值分成5份。注：可以使用更小的起始量值和增量步階。

圖3 振動應力試驗推薦曲線

圖4 綜合環境應力試驗曲線-溫度℃（紅）和振動g rms（藍）

2.4.4 每個振動步階結束后推薦返回到“騷癢振動量級”(5±3)Grms，以檢出在高一振動量級中被極端力隱藏的潛在失效。

2.4.5 要求在試驗循環的所有駐留段對受試樣品進行功能測試。駐留段是可相應延長的，延長到功能測試的時長。功能測試應在步長期間進行；然而也必須能在最短時間即10min的駐留段結束時完成。

3 試驗管理活動

HALT在產品從研發到實用過程中，是驗證、評估，改進的依據；在量產和持續供貨階段，HASS/HASA采用的試驗方法。因此，HALT是實驗室手段，是整個產品適用性管理的一個環節。HALT的試驗要素和嚴酷度等級以及判定規則是由一個相對固定的團隊來設計完成的。

1）失效分析，分析確定失效的原因和決定終止實驗。

2）定期機制（如每個月），定義HALT測試要求、評價過去HALT結果，并修訂后續的試驗計劃。會議記錄應保留會議中所有決議。這些會議應在產品HALT試前或試后召開。

3）HALT前議程，討論包括定義HALT試驗作業指導書，對受試產品的功能要求，受試產品的安裝方法，帶有熱電偶和加速度計的監視器在產品元件和/或位置設置。

4）HALT后會議，回顧HALT試驗結果的評價，包括失效情況和糾正措施計劃的討論。

5）試驗現場，應有一位技術管理人員，對HALT試驗區域的技術操作全面負責。

4 試驗細節綜述

4.1 確保熱電偶（產品熱電偶）正確地布置在受試樣品上，為試驗箱溫度設定點的調整提供參照。該熱電偶被用于HALT控制系統，系統采用閉環反饋溫度測量以達到箱體溫度控制。產品熱電偶應精確地安置于接近樣品平均溫度的位置。產品熱電偶的位置應在受試樣品的暴露表面，更適合在相對較低熱重的區域。該熱電偶應避免放置在發熱元件上或靠近發熱元件，也不應放在產品完全封閉的部分內部。典型的位置可以是在大的不發熱片狀物的頂部。熱電偶線應用帶有硅膠粘合劑的聚酰亞胺薄膜條貼在線路板上，并將熱電偶用膠水粘貼到片狀物上，使用熱傳導線鎖定貼牢。熱電偶與產品電路用聚酰亞胺帶進行絕緣。在熱電偶的頂部應覆蓋帶黏性的覆蓋材料，確保測量的是板的溫度而非熱電偶上穿過空氣的溫度。記錄熱電偶布置情況，用于進行后續試驗時最小化差異。推薦用照相記錄。

4.2 使用適當測試夾具將受試樣品在振動臺上固定好，使熱量和振動能量最大化轉移到受試樣品。目的是激發受試樣品加速疲勞損壞和揭示產品的弱點。因此，將最大應力對于產品最優化施加是最為有利的。

4.3 對產品的尺寸和質量應進行估計，可以精確地用試驗箱適當地對受試樣品施加應力。

圖5 綜合環境應力試驗曲線設定的截屏示例(本試驗方案與圖4 不對應)

4.4 受試樣品的溫度轉換速率可通過減少受試樣品的覆蓋物得以提高。可以移除窗格玻璃／蓋子或在遮蔽物上開孔。

4.5 受試樣品上的響應熱電偶用于充分地評估樣品對所處的溫度環境的響應。實例包括熱傳導敏感部件、設計用于對溫度有良好反應的部件，以及在樣品大質量部件上提供其達到溫度穩定所需的駐留時間的測量。

4.6 在受試樣品上至少固定1個響應加速度計。加速度計用腈基丙烯酸酯粘合劑（強力膠）或熱熔膠粘接。這個要求須在進行HALT振動步進應力之前完成。記錄加速度計的布置情況，用于進行后續試驗時最小化差異。推薦用照相記錄。

4.7 功能測試要求

受試樣品的功能測試應應能充分暴露樣品性能和發現多種失效模式。測試必須運用產品的主要功能，使用反饋法測試這些功能的表現。功能測試的目標是達到受試樣品的100%試驗覆蓋，或盡可能完整的試驗覆蓋。

4.8 產品特性應力

這些應力對于受試產品是特定的，并在每個步進應力期間施加，用以提高額外失效突發性和檢出。這些應力應包括循環加載；也可能包括故意變換線電壓、線頻；直流（DC）供電電壓；板上振蕩器頻率；輸出負載；以及所有其它可能的情況。這些產品特性應力組合在一起加載到功能測試中，并在貫穿HALT過程中的每一個應力階段執行。

4.9 應記錄受試樣品在試驗的功能測試信息

記錄應提供測試覆蓋范圍數量的設定，用百分比表示，也包括試驗進行的詳細描述，以指明產品試驗了什么又是怎樣進行的。記錄還應提供HALT試前會議中所定義的功能測試目標是如何被實現的證明。

4.10 HALT前作業程序

如適用，受試樣品應經過一個或多個功能測試循環，以證實試驗裝設的完整性，并獲得受試樣品的性能基線信息。

4.11 在施加每個量級的應力時，在受試樣品上都要進行功能測試以評判樣品的運轉情況。詳細記錄樣品發生退化的情況和發生的條件，包括樣品的運行和樣品損壞的限度，以及所有重要的注解。

5 結論

高加速壽命試驗（HALT）是通過設定的試驗嚴酷等級，用規定的試驗方法，檢出產品對環境的忍受程度。也就是明確產品的使用極限，以及暴露可能出現的缺陷。其理念與可靠性試驗的理念并不相同。通過HALT試驗，跟進高加速應力篩選（HASS）和稽核（HASA）可以幫助企業設計、生產出可預期壽命的“成熟”產品。

[1]王德言,環境技術與可靠性技術的發展動向[J].環境技術,2013(S2): 01-06.

[2]GMW 8287, Highly Accelerated Life Testing (HALT) Highly Accelerated Stress Screening and Auditing[S].

[3]盧兆明,道路車輛 電氣及電子裝備的環境試驗和要求[M].中國標準出版社, 2011.

[4]Gregg K. Hobbs. Accelerated Reliability Engineering[M].John Wiley & Sons, 2000.

[5]Jack A. Collins,John Wiley. Failure Of Materials In Mechanical Design[M]. Wiley-Interscience, 1993.