張鑫,韓建立,趙建印,王瑤,關(guān)鐵男
(1.海軍航空大學(xué) 岸防兵學(xué)院,山東 煙臺 264001;2.91614 部隊,遼寧 大連 116044)
高加速壽命試驗(Highly Accelerated Life Testing, HALT)是由美國科學(xué)家G.K.Hobbs 博士于1988 年首次提出,主要適用于產(chǎn)品研制階段。作為制造工業(yè)中改進設(shè)計、優(yōu)化性能、加快研制速度、提高產(chǎn)品競爭力的有效手段,目前國外已將HALT技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子信息、機械制造、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天和交通能源等領(lǐng)域,在軍事上也有應(yīng)用的先例。比如美國著名軍機制造商波音公司就在20 世紀90 年代研發(fā)新一代戰(zhàn)機的過程中,針對軍機更新?lián)Q代周期加快的現(xiàn)實背景,為保持美國的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢在軍機研制過程中應(yīng)用了高加速壽命試驗技術(shù)[1]。文中主要從HALT 的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、基本原理和方法以及高加速壽命試驗與加速壽命試驗的區(qū)別等三個方面進行綜述分析,為我國HALT 技術(shù)的研究,提供整體發(fā)展思路與建議。
目前,美國在高加速壽命試驗的技術(shù)原理、試驗方法和實際應(yīng)用等方面走在了世界的前列,關(guān)于HALT 的一些基本概念和標準基本上都由美國科學(xué)家提出和制定,并且得到了國際上的普遍認可,其中美國科學(xué)家G.K.Hobbs、K.A.Gray 和 L.W.Condra等人最早開始從事研究如何利用強化應(yīng)力激發(fā)缺陷的方法快速有效地暴露設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)和剔除制造工藝缺陷的試驗技術(shù),并將他們所研究的試驗方法稱為高加速壽命試驗(HALT, Highly Accelerated Life Test)和高加速應(yīng)力篩選(HASS, Highly Accelerated Stress Screen),給出了被學(xué)術(shù)界普遍接受的定義,HASS 主要應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段[2]。
在HALT 技術(shù)的實際應(yīng)用方面,HALT 作為一項重要的服務(wù)內(nèi)容存在于國外設(shè)計試驗公司中。比如美國Garwood Labratories 公司,它主要面向的企業(yè)有國防合約商Raytheon 公司、飛機制造商Boeing 公司,也為Northrop Grumman 公司、Meggitt Safety Systems公司等其他軍工企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)提供HALT 服務(wù),其他客戶還有 TRW、GMATV、Breed 等交通公司和SONY、Tecstar、TEAC、AAIe 等一般民用產(chǎn)品制造公司。再如美國的MCMS 公司專門為復(fù)雜印制電路板系統(tǒng)提供質(zhì)量保證和驗證試驗等工作,HALT、HASS 都是試驗工程中重要的試驗內(nèi)容。除了美國之外,歐洲的一些公司比如德國的TUV Provide Service公司也把HALT 作為一種重要的服務(wù)提供給客戶,用以提高產(chǎn)品可靠性。更重要的是,國外對HALT 應(yīng)用高度商業(yè)化,特別是對于電子產(chǎn)品的制造商們來說,HALT 在提高產(chǎn)品可靠性、保障產(chǎn)品質(zhì)量上具有很高的經(jīng)濟價值這一觀念已經(jīng)深入人心,紛紛把HALT 作為改進和優(yōu)化產(chǎn)品以提高產(chǎn)品競爭力的重要技術(shù)手段。比如美國AMPRO 公司和DATEL 電子制造公司以及人們熟知的福特公司、惠普公司,它們現(xiàn)在所開發(fā)和生產(chǎn)的新產(chǎn)品都要反復(fù)采用HALT 技術(shù),查找產(chǎn)品的潛在缺陷來使產(chǎn)品在盡可能短的時間內(nèi)具有較高的可靠性,并加快產(chǎn)品更新?lián)Q代研制步伐。
在學(xué)術(shù)研究方面,國外關(guān)于高加速壽命試驗的學(xué)術(shù)活動也非常活躍,而且并不局限于科研單位,很多商家也積極主辦HALT 學(xué)術(shù)會議。國外大部分工學(xué)院把HALT 試驗作為可靠性試驗教學(xué)中一項重要內(nèi)容,另有相當數(shù)量參與研究高加速試驗技術(shù)的公司或?qū)嶒炇遥鼛啄暌廊怀晒S碩,比如QualMark 公司對高加速壽命試驗的測試目的進行了研究[3],Mike Silverman 建立了HASS 試驗剖面圖常用的4 種方法,分別是采用預(yù)先植入缺陷的樣本、小的樣本數(shù)、大的樣本數(shù)和只對產(chǎn)品有限樣本進行篩選的HASS 篩選方案的制定和優(yōu)化[4]。Anderson J.A.和Polkinghcome M.N.對高加速壽命試驗在現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用作了具體闡述[5]。Alexander J.Porter 研究了如何將HALT 應(yīng)用到電子產(chǎn)品的設(shè)計,并提高電子產(chǎn)品的可靠性[6]。美國Entela 公司開發(fā)的專利技術(shù)——失效模式驗證試驗(FMVT,F(xiàn)ailure Mode Verification Testing),作為一種新的可靠性強化技術(shù)在一定程度上還有優(yōu)于HALT 的地方。
從國內(nèi)研究來看,目前國內(nèi)對HALT 研究還主要局限于理論與技術(shù)的跟蹤研究,由于試驗技術(shù)和設(shè)備等因素的限制,還沒有在產(chǎn)品研發(fā)改進中形成成熟的商業(yè)化應(yīng)用模式,工程價值有待進一步挖掘。國外對我國相關(guān)設(shè)備引進采取的限制措施,阻礙了HALT 技術(shù)在我國的研究與應(yīng)用。目前,國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)和北京航空航天大學(xué)的可靠性實驗室在HALT研究和應(yīng)用方面取得了一定成果,國內(nèi)其他單位尚未見到在HALT 領(lǐng)域的突破性研究報道[7-8]。
經(jīng)過二十多年的跟蹤研究,國內(nèi)對HALT 的研究仍取得了不少成果,主要集中在試驗理論的發(fā)展和試驗方案的設(shè)計。比如,祝耀昌[9]、褚衛(wèi)華[10]、史曉雯[11]等對HALT 技術(shù)原理和試驗流程作了詳細的概述,研究內(nèi)容包括HALT 的試驗?zāi)康摹⒃囼烅樞颉⒃囼炘O(shè)備的選擇和試驗剖面設(shè)計等,為HALT 的工程應(yīng)用做出了理論指導(dǎo)。在HALT 的實際應(yīng)用方面,國內(nèi)的一些制造公司和科研機構(gòu)為提高產(chǎn)品的可靠度也進行了大量的運用。晉李華、劉中華[12]以微波組件產(chǎn)品為例,通過抽樣選取樣本設(shè)計對產(chǎn)品進行低溫步進應(yīng)力、高溫步進應(yīng)力、快速溫變循環(huán)、溫度步進應(yīng)力和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗,但沒有得到試驗結(jié)果。鮑近、周超等[13]設(shè)計了以提高智能電表可靠性為目的的HALT 方案,并且選取Typhoon4.0 設(shè)備測試試驗產(chǎn)品的數(shù)據(jù),記錄了試驗參數(shù),并且對各種應(yīng)力引起的產(chǎn)品失效進行了統(tǒng)計分析。瓦鑫、潘榮榮、吳佳燕等[14]介紹了HALT 試驗在燈具上的應(yīng)用和燈具在HALT 試驗下的失效形式,并且根據(jù)燈具工作環(huán)境,設(shè)定了應(yīng)力參數(shù)范圍。閆玉潔、王曉紅等[15]將HALT 理論應(yīng)用于特定型號車身控制器,給出了產(chǎn)品的參考HASS 剖面,并且根據(jù)受試產(chǎn)品實際情況,進行了試驗方案優(yōu)化。在對試驗結(jié)果詳細分析的基礎(chǔ)上,針對受試產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)給出了合理化改進方案。HALT 在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的同時,對軍用裝備開展高加速壽命試驗也取得了一定的進展。劉加凱、齊杏林等[16]提出了利用 HALT 中的有效信息來改進引信壽命評估的方法,拓展了HALT 的應(yīng)用。韓少華、張延風(fēng)等[17]結(jié)合某導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制工作引入了HALT。翁雷、劉慶民等[18]以軍用電子產(chǎn)品為研究對象,分析了傳統(tǒng)可靠性環(huán)境模擬試驗的弊端,通過實際的 HALT 試驗,闡述了試驗剖面設(shè)計及被試驗產(chǎn)品工作極限的確定方法,并采用美國環(huán)測公司EV70-LN2-X 溫度/振動試驗箱進行了實際試驗驗證了某批次軍用電子產(chǎn)品的性能。郭秀才、馮偉泉等[19]根據(jù)航天產(chǎn)品的特點,給出了HALT 中應(yīng)力極限確定步驟和溫度控制方法,并通過對組件在溫度高加速環(huán)境中的失效分析,給出試驗終止的依據(jù),將該方法在衛(wèi)星典型電子組件上進行了應(yīng)用研究。李賢靈、李高生等[20]基于環(huán)境應(yīng)力和失效的統(tǒng)計分布關(guān)系,結(jié)合某航空機載電子設(shè)備的特點,設(shè)計了針對性的HALT 方案,并通過試驗發(fā)現(xiàn)多個設(shè)計缺陷,進行整改后,提高了該航空機載電子設(shè)備的可靠性。在實際工程應(yīng)用方面,僅有幾家大公司開始關(guān)注高加速壽命試驗技術(shù),并在其產(chǎn)品設(shè)計過程中得以運用。如華為公司在國防科技大學(xué)可靠性實驗室對其電子產(chǎn)品進行了此項試驗。總體來看,國內(nèi)產(chǎn)品進行HALT 的商業(yè)化模式依然落后,經(jīng)濟價值有待開發(fā),并且試驗過程中方法各異,缺乏統(tǒng)一的標準。
2.1.1 進行HALT 的主要依據(jù)
在高加速壽命試驗(HALT)的試驗依據(jù)和原理的研究中,國外有專家認為HALT 的主要對象是產(chǎn)品的故障或失效,通過快速激發(fā)故障達到失效來獲取產(chǎn)品工作極限和破壞極限,這種依靠激發(fā)、分析和改進產(chǎn)品潛在缺陷提高試驗對象可靠性的主要依據(jù)是故障物理學(xué)。國外有試驗對金屬制品進行了測試,測試的目的是驗證強化應(yīng)力對疲勞壽命的影響效果,結(jié)果表明,試驗應(yīng)力強度每增加1 倍,疲勞壽命相應(yīng)降低原來的99.99%。假如產(chǎn)品存在缺陷,缺陷處應(yīng)力集中系數(shù)相比無缺陷處高約3 倍,疲勞壽命比無缺陷的產(chǎn)品低了好幾個數(shù)量級,這樣就使在相同的強化應(yīng)力條件下存在缺陷的試驗件和無缺陷試驗件疲勞壽命有了很大區(qū)分度,有利于快速暴露試驗件缺陷并且使無缺陷試驗件免受損傷[21]。以上試驗結(jié)果清楚說明了HALT 試驗技術(shù)的基本原理,不僅驗證了強化應(yīng)力激發(fā)產(chǎn)品缺陷的有效性,也證明了強化應(yīng)力與正常環(huán)境下導(dǎo)致產(chǎn)品失效的各類缺陷存在相關(guān)性。
HALT 通過試驗快速激發(fā)潛在設(shè)計缺陷,經(jīng)過改進提高產(chǎn)品可靠性,也可以通過試驗確定產(chǎn)品工作極限和破壞極限,進而為其他可靠性試驗提供依據(jù),這可以認為是HALT 的主要目的。進行HALT 有幾個優(yōu)點:一是HALT 可以縮短產(chǎn)品的研制周期,降低后續(xù)維修費用;二是HALT 可以快速發(fā)現(xiàn)潛在故障模式,并且快速確定工作極限和破壞極限,為確定應(yīng)力量級、制定高加速應(yīng)力篩選方案提供依據(jù)等[22]。
2.1.2 HALT 的應(yīng)力極限
HALT 的一個重要目的是確定試驗樣品在各種應(yīng)力下的極限。通過進行HALT 的設(shè)備,如高加速溫濕度老化箱、冷熱沖擊試驗箱、鹽霧試驗箱、高低溫濕熱交變試驗箱、溫度沖擊試驗機、振動試驗臺、恒溫恒濕試驗箱、快速溫度變化試驗箱等一系列試驗設(shè)備,進行步進應(yīng)力試驗,分別確定試驗樣品的相關(guān)應(yīng)力極限。工程運用中比較有價值的極限值主要是試驗件的工作極限和破壞極限。
以電子產(chǎn)品的HALT 中主要涉及的溫度和振動應(yīng)力為例,在HALT 過程中按一定的方式施加步進應(yīng)力,隨著步進應(yīng)力的逐漸增強,在步進應(yīng)力穩(wěn)定階段測試試驗件的工作性能,發(fā)現(xiàn)試驗樣品的性能不再滿足技術(shù)規(guī)格的要求時,降低試驗應(yīng)力強度,若試驗件仍能恢復(fù)正常性能,此時得到的試驗應(yīng)力強度值稱為工作極限。被測對象的工作極限包括:工作極限上限(對于溫度應(yīng)力,即為高溫工作極限)和工作極限下限(對于溫度應(yīng)力,即為低溫工作極限)。需要注意的是,振動步進應(yīng)力試驗中工作極限只取上限值[23]。
破壞極限的獲取方式與工作極限類似,一般而言,破壞極限的強度通常大于工作極限。因此在進行HALT 過程中,獲得工作極限后,繼續(xù)增加步進應(yīng)力,直至試驗件的性能指標不再滿足技術(shù)規(guī)格的要求,并產(chǎn)生不可逆的性能喪失,則認為此時所承受的試驗應(yīng)力強度值為所得的破壞極限。破壞極限包括破壞極限上限(對于溫度應(yīng)力,即為高溫破壞極限)和破壞極限下限(對于溫度應(yīng)力,即為低溫破壞極限)。同樣對于振動步進應(yīng)力試驗而言,破壞極限只有上限值。HALT 的應(yīng)力極限范圍如圖1 所示。

圖1 HALT 應(yīng)力極限范圍Fig.1 Stress limit range of HALT
2.2.1 HALT 的基本流程
目前國內(nèi)對高加速壽命試驗的應(yīng)用,主要集中在電子和機電產(chǎn)品方面[24],基本的流程如圖2 所示。

圖2 HALT 基本試驗流程Fig.2 Flow chart of basic test of HALT
2.2.2 HALT 的剖面設(shè)計
綜合國內(nèi)外HALT 的研究現(xiàn)狀,HALT 的基本試驗過程一般可分為溫度步進應(yīng)力試驗(分為高溫和低溫)、快速溫度變化試驗、振動步進應(yīng)力試驗和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗[25]。在實施HALT 的過程中,為保證試驗結(jié)果可信,應(yīng)該避免試驗件過早失效,因此應(yīng)力施加順序應(yīng)遵循先進行破壞性小的應(yīng)力試驗,再進行破壞性大的應(yīng)力試驗的原則。以電子類產(chǎn)品為例,按照高加速壽命試驗中常用溫度應(yīng)力、溫度變化率、振動應(yīng)力和綜合環(huán)境應(yīng)力進行排序,設(shè)計HALT 試驗剖面為按照任務(wù)需要依次進行低溫步進應(yīng)力試驗、高溫步進應(yīng)力試驗、快速溫變試驗、振動應(yīng)力試驗和綜合環(huán)境試驗[26]。
在進行HALT 過程中,常采用步進應(yīng)力的方法,逐漸地增加應(yīng)力值。通過試驗過程中測試試驗件的性能變化,尋找到產(chǎn)品的工作極限和破壞極限,而試驗過程中步進應(yīng)力步長、步階等參數(shù)的確定主要根據(jù)美國科學(xué)家Gregg K.Hobbs 給出的建議值[27]。常見應(yīng)力的建議步長見表1。

表1 HALT 常見應(yīng)力建議步長Tab.1 Suggested step sizes of common stresses in HALT
加速壽命試驗(ALT,Accelerated Life Test)的定義最早由美國ROHM 航展中心于1967 年提出,并于20 世紀70 年代引入我國。加速壽命試驗是在不改變試驗件失效機理的前提下,通過加大試驗應(yīng)力獲取加速環(huán)境下的失效數(shù)據(jù),并在假設(shè)檢驗和數(shù)理統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,基于物理失效規(guī)律,利用相關(guān)的統(tǒng)計模型,確定正常應(yīng)力水平與加速應(yīng)力之間的關(guān)系,進而求得產(chǎn)品在額定應(yīng)力水平下的壽命特征的可靠性試驗方法[28]。
加速壽命試驗采用加速應(yīng)力來進行產(chǎn)品的壽命試驗,從而縮短了試驗時間,提高了試驗效率,降低了試驗成本。按照應(yīng)力的施加方式不同,可分為恒定應(yīng)力試驗、步進應(yīng)力試驗和序進應(yīng)力試驗[29-31]。與高加速壽命試驗相比,加速壽命試驗?zāi)苡糜诖_定產(chǎn)品的壽命,適用于描述由使用造成的失效,通常用來檢驗產(chǎn)品在正常使用周期和應(yīng)力剖面內(nèi)產(chǎn)生的失效情況,常用的模型包括阿倫尼斯(Arrhenius)模型、艾林(Erying)模型、逆冪律模型等[32]。加速壽命試驗和高加速壽命試驗的共同條件是樣品失效機理不能改變,因此在確定最高應(yīng)力水平時,要保證不能改變失效機理,但加速壽命試驗應(yīng)力的選擇通常都是在技術(shù)規(guī)定的范圍之內(nèi),試驗的周期相對較長,一般要幾周到幾個月。對于加速壽命試驗和高加速壽命試驗這兩個專業(yè)術(shù)語很多人容易混淆,它們都屬于可靠性試驗范疇,但是二者是完全不同的兩種概念,它們之間的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 高加速試驗與加速壽命試驗的聯(lián)系Fig.3 Relationship between HALT and ALT
值得注意的是,高加速壽命試驗雖然帶“壽命”二字,但并不用于直接確定產(chǎn)品的壽命,不能直接用于可靠性評估[33]。高加速壽命試驗最典型的應(yīng)用是在產(chǎn)品設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)精準設(shè)計缺陷和確定各種應(yīng)力條件下的工作極限,提高產(chǎn)品可靠性。HALT 試驗周期短,通常一次試驗僅需3 天左右,而且試驗效率高。綜上所述,筆者認為加速壽命試驗和高加速壽命試驗的主要區(qū)別有以下幾點:
1)試驗原理不同。加速壽命試驗基于物理失效規(guī)律,根據(jù)試驗對象不同有不同的統(tǒng)計模型,數(shù)據(jù)分析方法相對成熟,而高加速壽命試驗主要依據(jù)故障物理學(xué),追求產(chǎn)品的快速失效。
2)試驗條件不同。與加速壽命試驗相比,高加速壽命試驗的試驗條件更加嚴酷,施加的應(yīng)力強度更大,并且不完全模擬產(chǎn)品的實際使用環(huán)境。
3)應(yīng)用目的不同。加速壽命試驗注重的是產(chǎn)品失效結(jié)果,通過保證失效結(jié)果信息統(tǒng)計準確,可以評估產(chǎn)品可靠性,實現(xiàn)壽命預(yù)測;而高加速壽命試驗注重失效的過程,通過使產(chǎn)品快速失效,高效率確定極限值及發(fā)現(xiàn)潛在故障模式和薄弱環(huán)節(jié),不能直接用于壽命預(yù)測。
隨著電子和材料技術(shù)的發(fā)展,電子產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性水平越來越高,大部分復(fù)雜電子設(shè)備的MTBF高達2000~5000 h,最高可達到50 000 h。相比之下,電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期卻越來越短,傳統(tǒng)的加速壽命試驗限于對產(chǎn)品工作極限和破壞極限并不完全掌握,在試驗應(yīng)力選擇中過于保守,無法滿足縮短試驗時間的要求。因此試驗周期和試驗效率已不能完全滿足工程需要,而高加速壽命試驗注重在短時間內(nèi)以最高的效率暴露產(chǎn)品的潛在故障缺陷,快速得到產(chǎn)品工作極限和壽命極限,節(jié)省試驗時間、降低試驗費用,因此受到了很大的關(guān)注,未來的應(yīng)用前景會越來越廣闊。
限于目前國內(nèi)的試驗條件和研究水平,對HALT的研究還存在一定的局限性,筆者認為主要有以下幾點:
1)國內(nèi)對HALT 的研究層次與國外類似,主要集中在部件級和整機級,而在新品元器件上的應(yīng)用還比較少。
2)常規(guī)的HALT 屬于破壞性試驗,產(chǎn)品經(jīng)過HALT 不能再作他用,因此對于加速試驗的樣品量小的產(chǎn)品研究不足,導(dǎo)致小樣本條件下的高加速試驗技術(shù)落后。
3)對于HALT 試驗方案設(shè)計,國內(nèi)普遍以追蹤研究為主,對于各種應(yīng)力的施加方式,大多參考了國外專家的建議。比如步進應(yīng)力中步長、步階的參數(shù),溫度變化試驗中的溫度循環(huán)次數(shù),但由于步進應(yīng)力試驗的特點,不同的應(yīng)力施加方式可能會導(dǎo)致試驗件不同的性能退化方式。對不同的器件來說,要得到最可信的數(shù)據(jù),同種類型應(yīng)力的最佳施加方式也可能不同,僅僅憑借經(jīng)驗和建議無法確定HALT 中應(yīng)力施加方式的最佳方案。
4)主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品,非電子產(chǎn)品的試驗方法無章可循,大多照搬電子產(chǎn)品的試驗方法,缺乏相應(yīng)的標準,也制約了對產(chǎn)品進行HALT 觀念的深入和HALT 應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。
以上基于HALT 的特點和目前的研究現(xiàn)狀的思考,也給未來HALT 的研究發(fā)展帶來了幾點啟示,筆者推斷未來對HALT 的研究,可以在以下幾個方面有所發(fā)展:
1)發(fā)展面向元器件的高加速壽命試驗技術(shù)。通過解決整機試驗過程中各類元器件的競爭性失效問題,基于對試驗件的失效模式與失效機理分析,可以形成針對元器件的高加速壽命試驗方案。
2)拓展高加速壽命試驗的應(yīng)用范圍和途徑。HALT 不能直接用于壽命預(yù)測,但經(jīng)過對HALT 試驗方案的分析,筆者認為試驗件在進行HALT 過程中也存在著一個性能退化或者失效的過程,因此可以將試驗件在HALT 中未發(fā)生失效破壞前的過程視為一個高應(yīng)力水平下的步進應(yīng)力試驗,可以考慮提取HALT中的數(shù)據(jù)信息用于指導(dǎo)加速壽命試驗的開展,繼而開展壽命預(yù)測。
3)建立標準的 HALT 技術(shù)體系。通過對不同HALT 方案中時間、效率的綜合評估確定技術(shù)參數(shù),建立相關(guān)的試驗標準,指導(dǎo)不同類型產(chǎn)品的HALT開展,在我國HALT 技術(shù)商業(yè)化運用滯后的情況下,可以考慮先行運用于軍事工業(yè)領(lǐng)域,提高武器裝備可靠性。
高加速壽命試驗(HALT)在很多領(lǐng)域越來越受到重視,在分析HALT 關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的比較,可以看出我國在HALT 技術(shù)研究領(lǐng)域與國外相比還有不小的差距。根據(jù)我國HALT 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和短板形成了幾點啟示,為未來HALT的研究提供了新思路。