高加速極限試驗的原理及其工程應用

吳 煥，唐 勇，趙潤生

(中認英泰檢測技術有限公司，江蘇 蘇州 215104)

高加速極限試驗的原理及其工程應用

吳 煥，唐 勇，趙潤生

(中認英泰檢測技術有限公司，江蘇 蘇州 215104)

重點闡述了高加速極限試驗的理論模型、試驗目的、試驗主要原理以及試驗優缺點，并結合實例，介紹了高加速極限試驗的工程應用，指導實驗室開展高加速極限試驗。

高加速極限試驗；累積損傷模型；原理； 應用

0 引言

高加速極限試驗(HALT)是在規定的環境應力下，用于找出產品最有可能出現的失效模式的試驗或試驗序列。HALT作為非指標考核性的加速試驗，不能得到產品的壽命信息，但可以得到代表產品設計極限應力量值的信息，在軍工、軌道交通、汽車、家電、光伏等行業有著廣泛的應用。

1 加速試驗累積損傷模型

任何類型的加速試驗都是基于加速損傷模型理論。產品在其壽命周期內所經歷的應力可對其造成漸進的累積損傷，這種損傷有時可能造成產品外場失效。任何類型的加速試驗的方法都是通過提高試驗應力來產生與產品壽命期內預期應力產生的同樣累積損傷[1-2]。

產品破壞應力極限的確定為評估破壞應力極限與產品規范規定的應力極限之間是否有足夠的余量提供信息，因此，加速試驗方法為產品在其壽命期內不發生與具體應力類型有關的失效提供保證，其主要不是定量確定產品壽命概率分布，只是對產品強度進行必要的調整，以避免此類故障在產品使用過程中發生，這種確定產品足夠的應力余量與其壽命概率分布無關的試驗是一種定性試驗[3]。

2 高加速極限試驗的主要原理

2.1 HALT試驗目的

圖1為產品累積損傷的概率密度函數與各試驗應力水平的關系，它描述了產品規范、設計極限以及高加速極限試驗方法之間的關系。高加速極限試驗方法是通過促使產品快速失效的方式以識別并減少產品的設計薄弱環節，其目的是提升產品在外場使用過程中的健壯性。該試驗不是為了估量產品的可靠性，而是在外場應力與產品強度(如圖2所示)之間余量最小的情況下消除其失效模式來增強產品的可靠性，其僅僅識別產品潛在的失效模式以指導產品設計和改進過程。

從高加速極限試驗的經驗可知，大多數產品在其承受的應力下是非常健壯的，但其內部一些組件或設計細節比其他部分明顯薄弱，而高加速極限試驗的理念就是找出這些組件或設計細節，使其與產品其他部分同樣健壯。

圖1 累積損傷概率密度函數與各試驗應力水平的關系

圖2 外場應力和產品強度與概率分布密度函數之間的關系

2.2 產品應力—強度準則

假設不同使用條件、氣候條件的外場中的應力可用應力分布模型表示，產品的強度隨著原材料和生產過程的變化而變化，可用強度分布模型來表示。外場應力分布與產品強度分布均用正態分布來表示。如圖2所示，外場應力分布和強度分布曲線說明了經典的設計余量，即應力—強度準則，其重疊部分確定了產品失效的概率。同樣，如果大量產品的質量控制保持在一個非常窄的強度分布內，這是一種費時費成本的方式，那么這兩條分布曲線就不會重疊，這就意味著產品在外場不太可能出現某種特定失效模式的失效。

2.3 HALT試驗步進應力原理[3]

產品的生產過程，特別是受試組件初樣產品的生產過程中總是保持著嚴格的生產控制，但在后續產品的生產過程中可能就不是這樣實施的。試驗初樣產品通常在一個特定的試制生產線上并投入了最大的管理精力，一般都可以達到平均產品強度甚至更高，一旦產品批量生產，生產出的產品總是比初樣產品的強度弱。

試驗初樣產品和批量生產產品強度分布與外場應力分布的關系如圖3所示。其中，H1、H2、H3、H4為應力水平平均值。

圖3 試驗初樣產品和批量生產產品強度分布與

如圖3(a)所示，初樣產品強度分布的分散性較窄，使其遠離預期的外場應力分布，在這種生產方式下的所有產品將都能通過試驗而不會發生失效。但隨后的大規模生產階段，如圖3(b)所示，產品的強度均值會顯著降低，所以產品強度分布曲線和外場應力分布曲線的重疊就會出現，這將導致較差產品的組成單元在外場應力的作用下會發生失效。這也意味著如果針對初樣產品施加的外場應力水平較低(如平均值H1、H2應力水平)，則不能充分發現產品的潛在薄弱環節。如果試驗的應力水平提高(平均值H3應力水平以上)，且產品強度分布中包括常規生產的產品，則HALT試驗可以提供充足的余量，確保產品中的薄弱單元的潛在失效能夠被發現并減少。而在沒有充足余量的情況下，將會導致隨后生產的產品在外場發生失效。這就是步進應力和HALT試驗運用的原理，以確保有合適的超過產品壽命期內預期應力的余量。隨著高加速極限試驗的開展，首先是最薄弱的環節失效，接著是第二、第三及其他相對薄弱環節失效，直到不再發生相關的失效模式或達到了受試系統技術極限為止。產品的工作應力極限和破壞應力極限可在應力軸上繪制成分布曲線，如圖4所示，有兩種應力極限，上限和下限，即破壞極限下限LDL、工作極限下限LOL、工作極限上限UOL和破壞極限上限UDL。

高加速極限試驗所施加的應力被設計成遠遠超出產品的使用環境應力和設計規范規定的應力，該應力持續時間短，其目的是促使產品薄弱環節轉化為失效以健壯產品，盡可能地使其在技術和經濟方面都切實可行。高加速極限試驗是識別產品的失效模式而不是確定產品的時間依賴性，受試單元在試驗過程中必須監測其功能特性以便發現其是否存在功能缺失。如果無法對其進行連續監測，那么應力水平在保持恒定的時刻對產品功能進行測試。通過這種方式，HALT試驗所需的試驗樣品比傳統試驗所需試驗樣品少得多。

圖4 產品工作及破壞應力極限概率分布

3 高加速極限試驗的優缺點

高加速極限試驗在電工電子等領域的應用越來越廣泛，相比傳統的可靠性試驗，有以下優點：為了達到可靠性增長，有選擇性地增加并驗證設計余量；確定特定失效模式的樣品量少；可迅速確定特定應激源及組合應力的主要失效模式(試驗持續時間一般為3天以內)；可高效地權衡數據分析和采取的糾正措施；快速驗證糾正措施；從總體消除薄弱或有缺陷的組件[4]。同時，高加速極限試驗也有其一定的局限性，主要表現在：激發的失效模式一般不會全部在產品使用過程中觀測到；有對設計余量過度改進的潛在可能(過設計)；試驗后的可靠性未知；試驗結果的統計可信度有限(過高或過低估計設計余量)；測試結果未涉及多種失效模式的耦合效果；對于較大、較小以及具有多種脆弱性的產品不適用；應力種類(主要的溫度、振動及溫度循環)數量有限；不能評估在除HALT試驗應力類型之外的其他應力類型協同作用下的產品設計極限。

4 高加速極限試驗的工程應用

如前所述，HALT試驗主要過程為：逐步施加外部應力直至產品出現失效或者故障；采用臨時糾正措施，對出現的失效或故障進行修正；然后繼續逐步施加外部應力直至產品出現再次失效或者故障，并再次進行修正；重復以上“應力—失效—修正”的步驟，找出產品工作應力極限與破壞應力極限。一個完整的HALT測試共分為5個部分：低溫步進、高溫步進、快速溫度變化、隨機振動、溫度與振動綜合應力。下面以工程實例說明HALT試驗在軍工、醫療等領域的工程應用[5-6]。

4.1 某電源轉換器的HALT試驗(案例一)

該電源轉換器是安裝在飛機上的一個產品，其HALT試驗結果如表1所示。表1中，grms為加速度均方根，g為重力加速度，下同。

4.2 某醫療產品的HALT試驗(案例二)

該產品為醫療診斷的專用設備，其HALT試驗結果如表2所示。

將實際使用中經常發生的前10個故障與HALT試驗中發現的故障相比，可以發現除了一個故障，其他所有的故障都在HALT試驗中激發了。這個未被激發的故障是由于發生該故障的模塊沒有在HALT試驗箱中進行試驗，可見HALT試驗的故障激發效率很高。

以上兩個工程實例都遵循“應力—失效—修正”的HALT試驗步驟，通過HALT試驗，將產品內在缺陷激發為可以觀察或監測的故障模式，用以指導產品設計改進過程，增強產品的可靠性。每個案例的試驗時間基本在3天以內，這也體現出了HALT試驗較傳統可靠性試驗相比“高加速”的特點。

5 結語

HALT試驗建立在加速累積損傷模型理論之上，即提高試驗應力來產生與產品壽命期內預期應力產生的同樣累積損傷，其目的是提升產品在外場使用過程中的健壯性。HALT試驗作為一種定性加速試驗，相比傳統的可靠性試驗，有著試驗樣品數少，試驗周期短、效率高，可快速將產品缺陷激發為故障，故障糾正方便等優勢，目前在軍工、軌道交通、汽車、家電等專業領域廣泛應用。

表1 某電源轉換器HALT試驗結果

表2 某醫療產品HALT試驗結果

[1] 張鼎周.一種電子元器件高加速壽命試驗指標的探討[J].電子質量，2011(10):64-66.

[2] 樊強.高加速壽命試驗和高加速應力篩選試驗技術綜述[J].電子產品可靠性與環境試驗，2011,29(4):58-62.

[3] IEC technical committee 56. IEC62506, Methods for product accelerated testing[S].[s.l.]:IEC,2013：12-20，

56-57.

[4] 林震，張愛民，沈朝暉，等. 談談高加速壽命試驗[J]. 環境技術，2002(4):5-9.

[5] 郭秀才，馮偉泉，鄭會明，等. 衛星電子組件高加速壽命試驗技術[J]. 航天器環境工程，2011,28(5):454-458.

[6] 黃義龍，徐紅波. 高加速壽命試驗(HALT)與高加速環境應力篩選(HASS)[J]. 可靠性分析與研究，2006(1):28-30.

Principle of Highly Accelerated Limit Test and Its Engineering Application

WU Huan, TANG Yong, ZHAO Run-sheng

(CQC Intime Testing Technology Co.,Ltd., Suzhou 215104, China)

The Highly Accelerated Limit Test (HALT) is a new reliability technique, and its theoretical model, test objective, test principle, test merit and demerit are described. Combining with the living examples, the engineering application of highly accelerated limit test is introduced, providing the guidance for carrying out the highly accelerated limit test in the laboratory.

HALT; cumulative damage model; principle; application

1672- 6413(2015)06- 0120- 03

2015- 05- 11；

2015- 10- 21

吳煥(1986-)，男，江蘇蘇州人，工程師，碩士，從事環境可靠性相關技術研究、試驗驗證工作。

TH114

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