电子产品可靠性试验

电子产品可靠性测试实验
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1,用HASS试验
HASS试验是利用高机械应力与高变温率来实现高加速的，该试验要求产品具有高于正常使用环境下的足够的强度余量，试验中采用高于正常水平的温度、振动、电压和其他应力，激发缺陷快速暴露，以便使筛选过程更加经济有效。

采用HASS试验不仅可以确定在加大环境应力情况下产品的能力，还可以分析研究产品的失效机理，通过其设计和过程更改提高产品耐破坏能力，以确保较大的设计和过程余量，从而确保产品的质量和可靠性。

（1）疲劳损伤与机械应力的关系如下：
D≈nσβ
式中D——Miner准则的疲劳损伤积累；
n——应力循环次数；
σ——机械应力，即单位面积的作用力；
β——疲劳试验确定的材料常数，其变化范围为8~12。

上述机械应力可能由热膨胀、静载荷、振动、潮湿或其他导致机械应力的作用所引起。

通过增大应力可使振动筛选加速，有效激发缺陷和故障。

如将振动量值提高两倍，假定β=10,则疲劳损伤累积速率可能增加到1000多倍，这就是筛选时间也缩短了近1000倍，提高了筛选效率。

这就验证了通过利用较高的应力量值可极大压缩试验时间，从而导致试验费用的节约。

（2）实验数据
温度变化率与温度循环次数关系。

温度循环属热疲劳性质，Smithson S A先生在1990年环境科学学会年会发表的论文中给出了如表所列的不同温度率下的筛选效果。

试验中总共使用了400000个样本，每组用100000个样本以5℃/min~25℃/min的温度范围和四种不同的温度率进行热筛选，持续试验直到认为全部薄弱环节（接近10%）均已出现故障。

上面表格说明温变率为5℃/min下进行400个66min/次的温度循环与温变率为40℃/min下进行1个8min/次循环的效果是一样的，而两者所花时间比则达到4400:1。

筛选应力越高，产品的疲劳和破坏越快，有缺陷的高应力部位累计疲劳损伤比低应力部位要快得多，这样就有可能使产品内有缺陷元器件与无缺陷元器件在相同应力下拉开疲劳寿命的档次，使缺陷迅速暴露的同时，无缺陷部位的损伤也很小。

HASS技术是一种高效筛选工艺过程，它使用较高的温度和振动等组合应力，施加在批量制造的产品上，快速高效的剔除产品在制造过程中引入的缺陷，确保了HALT试验后产品延续的高质量和高可靠性。

为了进行高效筛选必须采用高于正常水平的应力值，要对HASS 试验中应力值进行适当选取，就要对HALT试验后结果进行分析，合理的设置应力值保证高应力筛选顺利进行。

由于大型产品或设备本身就是由众多的模块、部件、单元组成，因此HASS一般只适用
于模块、部件、单元以及功能单一的小型产品。

器故障模式繁多，且模式分布复杂，也不易于进行试验分析，因此对于大型设备，一般要求各承包商进行HASS。

使用HASS剖面对产品进行筛选，得到了很好地效果，能够筛选出产品的各种不良缺陷且不会对产品造成伤害。

（此图为从参考书中摘下来的图片）此剖面是在进行HALL试验后，得到了高温工作界限温度为X℃，低温为Y℃。

破坏极限振动量级为Zg。

那么在进行HASS试验时，其高温限定为80% X℃，低温限定为80% Y℃，振动量级为50% Zg，而具体的循环次数则依靠产品本身的设计特点来确定。

(3) HASS试验总结
HASS是一种剔除产品早期缺陷的方法，每种产品都有一种适合自己的试验方案。

在HASS 过程中有各种环境因素引起的失效比例由于低温应力和高温应力总在快速温度变换应力前施加，大多数与温度有关的缺陷已在温度步进应力阶段暴露出来，在进行快速温度变化之前这些缺陷已采取措施进行了纠正，所以快速温度变化应力下失效所占的百分比很小。

因此在进行剖面设计时应对各种应力进行分析研究，对那些易引起产品失效的应力需要特别重视。

图各因素所占比例
HASS实验对试件夹具的要求很高，夹具的设计、制造、安装的合理与否直接关系到试验的效果。

不合理的夹具设计、制造及安装不但在开环环境下不能达到预期的震动效果，即使勉强达到了要求的控制谱，也必将加重振动系统的负荷，尤其在振动台的动态响应范围较小时，矛盾会更加突出。

2,加速寿命试验
ALT的内涵是在失效机理不变的基础上，通过寻找产品寿命与应力之间的加速模型，利用高水平下的寿命特征去外推或估计正常应力水平下的寿命特征的试验技术和方法，它属于验证试验。

采用ALT，须在试验中观测到故障产生。

加速寿命试验要求使用一种模型，这种模型与在高应力条件下测量的可靠性（或寿命）有关，且高应力条件比正常工作时预期的条件更严格。

图各种加速试验和产品设计与生产周期的关系
*已知某型号电子产品的寿命服从指数分配，从一批产品中随机抽取10只进行无替换的定数截尾寿命试验，试验到有5只产品失效时为止，得到的失效时间为：t1=50h,t2=75h,t3=125h,t4=250h,t5=300h,求平均寿命与失效率。

当t=40h时的可靠度R（40）和可靠度为85%的可靠寿命t(0.85)的点估计值。

总试验时间为
T=50+70+125+300+（10-5）300=2300（h）
①平均寿命ϴ的点估计值为：
ϴ=T/r=2300/3=460(h)
②失效率λ的点估计值为：
λ=（r-1）/T=0.001739=1.739×10-3/h
③在40h的可靠度R（40）的点估计值为:
R（40）=e-(t/ϴ)=e-(40/460)=0.917
④可靠度为85%的可靠寿命t(0.85)的点估计值为：
t（0.85）= ϴln(1/R)=460(-ln0.85)=74.76
如果在试验过程中，将失效的样品及时地用好样品替换上去继续进行试验，那么整个试验过程中样品数n不变，其总试验时间T用公示T=nt r即可，其可估计量的公式是相同的。

同理，采用不同的试验方式，要正确地使用计算总试验时间T的公示。

在定时结尾试验中，当结尾时间t足够大时，IEC标准同意推荐用λ*=1/3T公式计算其失效效率。

通过上述内容可以了解点估计是给出单个估计点，并以此来描述可靠性特征的未知参数真值，通常把点估计值作为一个观测值。

由GB5080.4标准提供的指数分布的区间估计则是根据实验数据求得可靠性特征量的一个置信区间，这个区间已定的概率（即置信水平）包括可靠性特征量未知参数的真值。

*已知某电子产品的寿命服从威布尔分布，现有一批产品中随机抽取12个样品，在一定应力下进行寿命试验，到有8个样品失效时试验停止，每个失效产品的失效时间列于表第二列。

根据此求出8个失效时间，用BLUE求m和ɳ的估计值。

为了计算极值分布中参数μ=lnɳ和σ=1/m的BLUE估计值μ和σ，作表：
样品数量n=12结尾数r=8
(1)从最好线性无偏估计系数表中,在n=12，r=8的各行中，对j=1,2,3···,8查出C（12,8，
j）及D（12,8，j）填入表的第4列和第6列中，并将第3列分别乘以第4列和第6列，将结果分别填入第5列和第7列。

(2)先计算极值分布的参数σ和μ的估计值。

σ=2.3026∑C（12,8，j）lgt j=2.3026M1
由上表得到M1=1.1974，故
σ=2.3026×1.1974=2.7513
μ=2.3026∑D(12,8,j)lgt j=2.3026M2
由上表得M2=3.0570，故
μ=2.3026×3.0570=7.0390
由公式得威布尔分布参数的估计值：
m=g r,n/σ=0.8851/2.7513=0.3210
ɳ=eμ=e7.039=1141.39
（3）将分布参数估计值m与ɳ分别带入t R=ɳ(-2.3026lgR)1/m和R(t)=e-(t/ɳ)m即可得到特征值。

3,用HALT试验
进行HALT试验就是为了解决以往传统的可靠性试验中的周期费用比问题。

其根本目的就是在保证试验激发效率的前提下，尽量减少试验时间、节约试验费用。

（1）
找出产品的工作和破坏极限，确定产品的工作和破坏裕度。

如果浴度不是很高，就意味着产品的耐环境能力很差，很容易在试验中遭到破坏或很容易产生外场失效。

例如，如果破坏极限非常进于或者等于工作极限，那么产品很有可能过早地失效，产品必须重新设计，以使浴度包含一个足够的安全因子。

（2）
在设计阶段，以最少的时间发现并改进设计和工艺薄弱环节，并且纠正薄弱环节的起因。

通过不不断地激发出故障、消除故障、改进设计及改进工艺，扩大产品的工
作浴度和破坏裕度。

浴度越大，产品的耐环境能力就越强，可靠性和强度就越高。

（3）进行HALT试验的意义
①利用高环境应力，提早使产品设计缺陷激发出来，从而消除设计缺陷，大大提
高了设计可靠性，确保产品能获得早期高可靠性，是产品进行具有高的外场可
靠性；改善后可延长产品早夭期（浴盆曲线后端延伸）。

②产品的设计周期大大减少。

③生产费用大大降低
④维修费用大大降低，因为交付的产品具有更高的可靠性。

⑤了解产品的设计能力及失效模式。

⑥HALT能找出产品的工作极限及破坏极限，未指定HASS方案，确定HASS的应力
量提供依据。

⑦大大减少鉴定实验时的故障，经过HALT的产品，鉴定试验已不重要，仅是一种
形式而已。

（4）试验实施
加速寿命ALT试验认为受试品在短时间内、施加高应力时表现出的特性与产品在长时间、低压力作用下表现出来的特性是一致的。

HALT应用于产品的研发阶段，其所是假的应力远远高于产品在正常运输、储藏、使用时的应力，以逐步发现产品设计上的薄弱环节，通过纠正措施排除故障。

这是一个反复过程，即是一个试验-分析-改进-试验的循环过程。

按照对受试品施加的应力，HALT试验可分为四个主要部分，即温度步进应力、快速温度变化、随机振动、温度与振动综合应力。

在HALT试验中将可找到产品在温度及振动应力下的工作界限与破坏界限。

其中工作界限就是当实验过程中发生的功能故障在环境应力消除后即自动回复的应力临界点，而破坏界限则是功能故障在环境应力消除后依然存在的应力临界点。

目前进行HALT试验所采取的方法有恒定应力、步进应力及序进应力三种方法，而步进应力是目前HALT试验中最广泛采用的试验方法。

一个典型HALT试验中最广泛采用的试验方法。

过程如下：
① 高低温极限实验，用于确定产品工作极限和破坏极限，激发产品潜在缺陷。

② 大温变率温循试验，用于激发产品潜在缺陷。

③ 全轴随机振动试验，用于确定产品耐震极限，激发产品潜在缺陷。

④ 全轴随机振动大温变率综合应力试验，用于激发产品潜在缺陷。

建立典型的HALT试验剖面，首先要确定受试关键材料的最高和最低温度（不允许有发生相变的温度）；制订最简单的连续监测方法；在温度台阶上的保持时间应该足够长，是关键元器件达到设定点的温度；寻找温度和振动的工作极限；提高工作极限。

*温度步进应力试验
温度步进应力试验应该从常温开始，规定为20~30℃。

试验前应根据所用材料的相变极限确定最高温度，对于电子器件，为了达到最高的温度应将塑料壳体拿开进行测试。

试验中绝对不允许材料发生相变，步进增量通常用10℃，但如果合适，也可以增加到20℃。

1温度—时间图
温度保持时间必须足够长，比确保温度完全稳定，并且设备及其器件被浸透。

通常是根据样品热电偶响应确定样品在设定温度点达到稳定后，保持5min~15min。

元器件的热容量可用来指导最短或最长温度保持时间的工程判断。

功能测试应在保持之后立即进行，也可以在整个温度台阶上都进行。

连续施加温度步进应力，直至确定样品的工作极限，或者达到了试验箱的最大能力。

一旦确定了工作极限，就从工作极限以外以10℃为台阶继续进行温度应力的步进过程，直至破坏极限，或者试验箱的最大能力。

如果样品不能正常工作，可在每个温度保持之间降低温度应力，即返回20℃，或者20℃与工作极限之间的某个温度值，以确定样品功能是否正常。

在所有情况下，工作极限的确定是非常重要的，但建议不要用少量且昂贵的样机来确定破坏极限。

*快速温度变化应力试验
快速温度变化应力试验目的是为了在没有任何外部诱发的振动条件下，在极端高温和低温下，发现产品潜在故障，其极端温度值是由温度步进应力试验确定的工作极限温度决定，等于或稍高（低）于工作极限温度。

除非特殊情况，温度循环的范围一般在温度步进应力过程中确定的下温度工作极限和上温度极限的5℃以内。

例如：确定的下工作极限是-50℃，上工作极限是100℃，如果没有特殊情况存在，那么最小允许的温度变化范围应该是-45℃~+95℃。

2快速温度变化
在快速温度变化应力试验期间应以设备最快温度变化率在此区间内进行高低温度变化，在每个循环的最高温度及最低温度停留10min,待温度稳定后再施加电应力及功能测试。

如
发现试验样品发生可回复性障碍，则将温变速率减少10℃/min再执行快速温度变化应力试验，直到无可回复性故障发生，则此时的温度变化率即为此试验的工作界限，在此试验中不需寻找破坏极限。

根据样品热电偶的响应确定样品在设定温度稳定后，最少保温5min。

为了使质量更大的元器件至少达到温度范围的80%，应该延长保温时间。

在整个变化（冲击）阶段连续对样品进行功能测试，如有可能，确定是否存在对温度变化速率敏感的问题。

*振动步进应力试验
受试品在进行完温度试验之后，需进行振动试验，振动步进应力试验的目的是在没有不当的温度应力下确定产品的工作与破坏振动极限。

振动一般指六自由度的随机振动，振动量级应从最小的开始，一般试验从5g rms开始，每步驻留10min，振动量值每次以5g rms增加，在试验过程中施加电应力进行功能测试。

3振动--时间图
每个振动量级总的保持时间由进行一次样品的功能测试所花的时间决定，功能测试应该在整个台阶上进行，最低限度必须在10min保持之后进行。

为了检测高振动量级产生的极端作用力可能掩盖的故障，在每个振动台阶之后建议返回到“小振动量级”（通常减少5g rms），通过这个方法可以显著提高焊点裂纹的检测率。

连续进行振动步进应力，直到达到以确定的样品的工作极限，或者达到试验箱的最大能力。

一旦确定了工作极限，就按照先前规定的增量在工作极限以外继续进行振动步进应力过程，直到破坏极限或则试验箱的最大能力。

*综合环境应力试验
综合环境应力试验目的是测试产品在快速温度变化和振动步进应力的复合作用下的强度，其采用上下两个极端温度，这两个极端温度接近于温度步进应力试验确定的上下工作极限温度，振动极限值基于振动步进应力试验中所确定的工作极限。

试验中将快速温度变化及振动步进应力试验的试验剖面同时进行，是加速应力的效果更佳显著。

4综合环境应力试验
综合环境试验的温度剖面实在温度工作极限之间循环，在每个温度极限下的最短保持时间是10min。

至少要求5个综合环境循环，除非在所有5个循环前出现了破坏性的故障。

要求进行的5个循环中，开始的振动量值等于振动步进应力过程中的最大值除以5.在随后的每个温度循环中，振动量值都增加相同的值，即如果样品在振动步进应力试验中在35grms 时出现破坏性故障，那么开始的试验循环的振动量值应该是7g rms，随后每个温度循环中振动量值要以7g rms的幅度增加：第一循环7g rms，第二循环14g rms，第三循环21g rms，第四循环28g rms，第五循环35g rms。

如果在振动步进试验中没有破坏极限，那么就讲可以达到的最大量值除以5。

在以上试验过程中，对收试品所产生的任何异常状态都应加以记录，且应分析是否可以由改进设计来提高这些薄弱环节，并在改进设计界限，从而达到提高产品可靠性的目的。

参考文献
【1】林震《高加速应力筛选（HASS）概述》电子产品可靠性与环境试验，2002（6）：57-61
【2】黄义龙徐洪波《高加速寿命试验（HALT）与高加速环境应力筛选（HASS）》电子质量，2006（1）：28-30
【3】茆诗松《加速寿命试验的加速模型》质量与可靠性，2003（2）：15-17
【4】《可靠性设计大全》编撰委员会《可靠性设计大全》中国标准出版社，2006
【5】李金国傅志高刘永坚马志宏《高可靠性航空产品试验技术》国防工业出版社。