什么是可靠性加速試驗？

1.     引言

加速試驗主要分為兩類：

1)        加速壽命試驗--估計壽命；

2)        加速應(yīng)力試驗--確定（或證實）和糾正薄弱環(huán)節(jié)。

可靠性加速試驗中的高加速應(yīng)力試驗（HAST，highlyaccelerated stress test）及極限應(yīng)力試驗（Limil test）技術(shù)不斷發(fā)展，為考核產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，快速暴露產(chǎn)品的設(shè)計和制造缺陷，提高其可靠性提供了強有力的工具。

高加速壽命試驗（HALT，Highlyaccelerated life test）與高加速應(yīng)力篩選（Hass，Highlyacceler-ated stress screen）是由美國Hobbs工程公司總裁Gregg KHobbs博士首先提出來的，90年代HALT和HASS獲得推廣應(yīng)用，以HALT和HASS為主的HAST的最大特點是時間上的壓縮，即在短短的幾天內(nèi)模擬一個產(chǎn)品的整個壽命期間可能遇到的情況，HALT與傳統(tǒng)試驗有所不同，其目的是激發(fā)故障，即把產(chǎn)品的潛在缺陷激發(fā)成可觀察的故障，采用人為施加步進應(yīng)力，在遠大于技術(shù)條件規(guī)定的極限應(yīng)力下快速地進行試驗，找出工作極限甚至損壞極限，然后根據(jù)HALT確定的極限來制定HASS試驗應(yīng)力，通過HASS可以快速剔除早期潛在的缺陷，保障產(chǎn)品的使用可靠性。

極限應(yīng)力試驗（Limit test）是HAST中的一種，這種方法規(guī)定了確定或評價微電子器件最大能力的方法，這些能力包括絕對最大額定值（從中可推出安全設(shè)計極限值）、在不引起退化的前提下篩選或試驗時可以施加的最大應(yīng)力，對不引起退化的特殊篩選或試驗的敏感性，以及與之有關(guān)的失效模式和機理。

對研制產(chǎn)品來說，HALT與HASS是一個整體，均屬于HAST的范疇。HALT針對產(chǎn)品的設(shè)計過程，HASS則針對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，從上世紀90年代至今，HAST技術(shù)相繼在各工業(yè)部門推廣應(yīng)用。無一例外地取得了較大成功，美國國防部微電子試驗標準MIL-STD-883E中給出了微電路進行l(wèi)imit test的基本方法（見表1），由于商業(yè)競爭與軍工保密的原因，許多先進的HAST和limit test的試驗技術(shù)仍未解密發(fā)表，以下僅列出部分試驗研究的成果供參考。

2.     HAST和Limit test要點

2.1層次性要求

在HAST和Limit test過程中只有按照由低到高的層次關(guān)系進行試驗，才能充分暴露產(chǎn)品中的缺陷，更準確地分析產(chǎn)生這些缺陷的根本原因，確定下一層次試驗的試驗方案，達到最佳的試驗效果，從而使產(chǎn)品的可靠性從根本上得到保障。

2.2 樣品選擇

為了保證試驗的有效性，HAST和limit test必須在能夠代表設(shè)計、元件、材料和制造工藝都已落實的樣品上進行，這樣才能充分地發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，更準確地分析產(chǎn)生這些缺陷的根本原因。

2.3 所需資源

要進行HAST和limit test，除一般的高效率試驗設(shè)備外，還需要一個試驗技術(shù)小組，它包括產(chǎn)品設(shè)計、制造加工、可靠性試驗和失效分析等各類型的技術(shù)人員，為產(chǎn)品的試驗提供全面的技術(shù)支持，其主要任務(wù)是制定試驗方案，安排試驗進程，檢測試驗中產(chǎn)品失效形式，分析試驗結(jié)果，確定修正的優(yōu)先級和修正方案，并決定產(chǎn)品是否需要進一步做HASS試驗。

2.4 破壞性試驗

經(jīng)過HAST或Limit test后的產(chǎn)品已失效，不能另作他用。

3.     HALT & HASS 可靠性測試的應(yīng)用

HALT & HASS是由美國軍方所延伸出的設(shè)計質(zhì)量驗證與制造質(zhì)量驗證的試驗方法，現(xiàn)已成為美國電子業(yè)界的標準產(chǎn)品驗證方法。它將原需花費6個月甚至1年的新產(chǎn)品可靠性試驗縮短至一周，且在這一周中所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品問題幾乎與客戶應(yīng)用后所發(fā)現(xiàn)的問題一致，故HALT & HASS的試驗方式已成為新產(chǎn)品上市前所必需通過的驗證。在美國之外，許多國際的3C電子產(chǎn)品大廠也都使用相同或類似的手法來提升產(chǎn)品質(zhì)量。
    HALT是一種通過讓被測物承受不同的應(yīng)力，進而發(fā)現(xiàn)其設(shè)計上的缺限，以及潛在弱點的實驗方法。HALT的主要目的是通過增加被測物的極限值，進而增加其堅固性及可靠性。HALT利用階梯應(yīng)力的方式加諸于產(chǎn)品，能夠在早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷、操作設(shè)計邊際及結(jié)構(gòu)強度極限的方法。其加諸于產(chǎn)品的應(yīng)力有振動、高低溫、溫度循環(huán)、電力開關(guān)循環(huán)、電壓邊際及頻率邊際測試等。利用該測試可迅速找出產(chǎn)品設(shè)計及制造的缺陷、改善設(shè)計缺陷、增加產(chǎn)品可靠性并縮短其上市周期，同時還可建立設(shè)計能力、產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及日后研發(fā)的重要依據(jù)。

簡單地說，HALT是以連續(xù)的測試、分析、驗證及改正構(gòu)成了整個程序，關(guān)鍵在于分析所有故障的根本原因。

HALT 的主要測試功能如下：

1)        利用高環(huán)境應(yīng)力將產(chǎn)品設(shè)計缺陷激發(fā)出來，并加以改善；

2)        了解產(chǎn)品的設(shè)計能力及失效模式；

3)        作為高應(yīng)力篩選及稽核規(guī)格制定的參考；

4)        快速找出產(chǎn)品制造過程的瑕疵；

5)        增加產(chǎn)品的可靠性，減少維修成本；

6)        建立產(chǎn)品設(shè)計能力數(shù)據(jù)庫，為研發(fā)提供依據(jù)并可縮短設(shè)計制造周期。

HALT應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)階段，能夠及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。其所施加的應(yīng)力要遠遠高于產(chǎn)品在正常運輸﹑貯藏﹑使用時的應(yīng)力。

HALT包含的如下內(nèi)容：

1)        逐步施加應(yīng)力直到產(chǎn)品失效或出現(xiàn)故障；

2)        采取臨時措施，修正產(chǎn)品的失效或故障；

3)        繼續(xù)逐步施加應(yīng)力直到產(chǎn)品再次失效或出現(xiàn)故障，并再次加以修正；

4)        重復(fù)以上應(yīng)力-失效-修正的步驟；

5)        找出產(chǎn)品的基本操作界限和基本破壞界限。

HASS應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，以確保所有在HALT中找到的改進措施能夠得已實施。HASS還能夠確保不會由于生產(chǎn)工藝和元器件的改動而引入新的缺陷。

HASS包含如下內(nèi)容：

1)        進行預(yù)篩選，剔除可能發(fā)展為明顯缺陷的隱性缺陷；

2)        進行探測篩選，找出明顯缺陷；

3)        故障分析；

4)        改進措施。

4.     HALT & HASS 可靠性測試的步驟

4. 1 HALT

HALT共分為4個主要試程，即：

1)        溫度應(yīng)力；

2)        高速溫度傳導(dǎo)；

3)        隨機振動；

4)        溫度及振動合并應(yīng)力。

在HALT試驗中可找到被測物在溫度及振動應(yīng)力下的可操作界限與破壞界限。此實驗所用設(shè)備為QualMark公司所設(shè)計的綜合環(huán)境試驗機（OVS Combined Stress System），溫度范圍為-100℃～+200℃，溫度變化最大速率為60℃/min，最大加速度可到60Grms，而且振動機與溫度箱合二為一的設(shè)計可同時對被測物施加溫度與振動應(yīng)力。以下就四個試程的一般情況分別加以說明：

（1）       溫度應(yīng)力

此項試驗分為低溫及高溫兩個階段應(yīng)力。首先執(zhí)行低溫階段應(yīng)力，設(shè)定起始溫度為20℃，每階段降溫10℃，階段溫度穩(wěn)定后維持10min，之后在階段穩(wěn)定溫度下執(zhí)行至少一次的功能測試，如一切正常則將溫度再降10℃，并待溫度穩(wěn)定后維持10min再執(zhí)行功能，依此類推直至發(fā)生功能故障，以判斷是否達到操作界限或破壞界限；在完成低溫應(yīng)力試驗后，可依相同程序執(zhí)行高溫應(yīng)力試驗，即將綜合環(huán)境應(yīng)力試驗機自20℃開始，每階段升溫10℃，待溫度穩(wěn)定后維持10min，而后執(zhí)行功能測試直到發(fā)現(xiàn)高溫操作界限及高溫破壞界限為止。

（2）高速溫度傳導(dǎo)

此項試驗將先前在溫度階段應(yīng)力測試中所得到的低溫及高溫操控界限作為此處的高低溫度界限，并以每分鐘60℃的快速溫度變化率在此區(qū)間內(nèi)進行6個循環(huán)的高低溫度變化。在每個循環(huán)的最高溫度及最低溫度都要停留10min，并使溫度穩(wěn)定后再執(zhí)行功能測試。檢查待測物是否發(fā)生可回復(fù)性故障，尋找其可操作界限。在此試驗中不需尋找破壞界限。

（3）隨機振動

此項試驗是將G值自5g開始，且每階段增加5g，并在每個階段維持10min后在振動持續(xù)的條件下執(zhí)行功能測試，以判斷其是否達到可操作界限或破壞界限。

（4）溫度及振動合并應(yīng)力

此項試驗將高速溫度傳導(dǎo)及隨機振動測試合并同時進行，使加速老化的效果更加顯著。此處使用先前的快速溫變循環(huán)條件及溫變率，并將隨機振動自5g開始配合每個循環(huán)遞增5g，且使每個循環(huán)的最高及最低溫度持續(xù)10min，待溫度穩(wěn)定后執(zhí)行功能測試，如此重復(fù)進行直至達到可操作界限及破壞界限為止。

對在以上四個試程中被測物所產(chǎn)生的任何異常狀態(tài)進行記錄，分析是否可由更改設(shè)計克服這些問題，加以修改后再進行下一步驟的測試。通過提高產(chǎn)品的可操作界限及破壞界限，從而達到提升可靠性的目的。

4.2 HASS

應(yīng)用HASS的目的是要在極短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)批量生產(chǎn)的成品是否存在生產(chǎn)質(zhì)量上的隱患，該試驗包括三個主要試程：

1)        HASS Development （HASS試驗計劃階段）；

2)        Proof-of-Screen（計劃驗證階段）；

3)        Production HASS（HASS執(zhí)行階段）。

以下就一般電子產(chǎn)品的測試過程分別加以說明：

（1）       HASS Developmen

HASS試驗計劃必須參考前面HALT試驗所得到的結(jié)果。一般是將溫度及振動合并應(yīng)力中的高、低溫度的可操作界限縮小20％，而振動條件則以破壞界限G值的50％做為HASS試驗計劃的初始條件。然后再依據(jù)此條件開始執(zhí)行溫度及振動合并應(yīng)力測試，并觀察被測物是否有故障出現(xiàn)。如有故障出現(xiàn)，須先判斷是因過大的環(huán)境應(yīng)力造成的，還是由被測物本身的質(zhì)量引起的。屬前者時應(yīng)再放寬溫度及振動應(yīng)力10%再進行測試，屬后者時表示目前測試條件有效。如無故障情況發(fā)生，則須再加嚴測試環(huán)境應(yīng)力10%再進行測試。

（2）       Proof-of-Screen

在建立HASS Profile（HASS 程序）時應(yīng)注意兩個原則：首先，須能檢測出可能造成設(shè)備故障的隱患；其次，經(jīng)試驗后不致造成設(shè)備損壞或"內(nèi)傷"。為了確保HASS試驗計劃階段所得到的結(jié)果符合上述兩個原則，必須準備3個試驗品，并在每個試品上制作一些未依標準工藝制造或組裝的缺陷，如零件浮插、空焊及組裝不當?shù)取Ｒ訦ASS試驗計劃階段所得到的條件測試各試驗品，并觀察各試品上的人造缺陷是否能被檢測出來，以決定是否加嚴或放寬測試條件，而能使HASS Profile達到預(yù)期效果。

在完成有效性測試后，應(yīng)再以新的試驗品，以調(diào)整過的條件測試30～50次，如皆未發(fā)生因應(yīng)力不當而被破壞的現(xiàn)象，此時即可判定HASSProfile通過計劃驗證階段測試，并可做為Production HASS之用。反之則須再檢討，調(diào)整測試條件以求獲得最佳的組合。

（3）       Production HASS

任何一個經(jīng)過Proof-of-Screen考驗過的HASS Profile皆被視為快速有效的質(zhì)量篩選利器，但仍須配合產(chǎn)品經(jīng)客戶使用后所回饋的異常再做適當?shù)恼{(diào)整。另外，當設(shè)計變更時，亦相應(yīng)修改測試條件。

5.     HALT和HASS試驗設(shè)備要求

1)        使用液氮降溫

快速的溫變速率，產(chǎn)品上的溫度變率可達到60℃/min。

溫度操作范圍為 -100℃到+200℃。

2)        反復(fù)沖擊式振動

6自由度，3軸&轉(zhuǎn)向同時施力。同時要達成三軸（X，Y，Z）旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)，拋，偏），能快速將設(shè)計缺陷顯示出來。

涵蓋頻率范圍廣（2－5KHz）。

3)        復(fù)合應(yīng)力環(huán)境

溫度和振動。

4)        低環(huán)境噪音

<73dba。

6.     HASS技術(shù)總結(jié)

1)        高加速壽命試驗是針對產(chǎn)品設(shè)計上的根因分析，確定失效機理，描述產(chǎn)品裕度，可靠性健壯試驗；加速壽命試驗針對產(chǎn)品由于耗損問題產(chǎn)生的失效分析，作出產(chǎn)品可靠性評價。

2)        應(yīng)力包括環(huán)境應(yīng)力，機械應(yīng)力，電應(yīng)力。

3)        環(huán)境應(yīng)力篩選目的是利用環(huán)境應(yīng)力使電子硬品在制造過程中較弱的零部件，不良工序等因素造成的非設(shè)計問題提早暴露并被檢測出來，進而可以采取修改行動或?qū)⒅蕹蕴岣弋a(chǎn)品質(zhì)量，使之滿足當初的設(shè)計要求。

4)        環(huán)境試驗是在實驗室內(nèi)利用試驗設(shè)備模擬環(huán)境條件，檢測產(chǎn)品抵抗環(huán)境應(yīng)力的耐用能力，按試驗的理論基礎(chǔ)和模擬環(huán)境的特色，可分為自然環(huán)境試驗和動力環(huán)境試驗。按照施加的環(huán)境應(yīng)力項目可分為單一環(huán)境試驗和綜合環(huán)境試驗。

5)        熱特性環(huán)境試驗，主要測試試件的熱傳特性，產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定所需的時間；振動特性試驗，主要確定產(chǎn)品動態(tài)結(jié)構(gòu)特性，自然頻率，振動模式，阻尼系數(shù)等

6)        環(huán)境試驗設(shè)備能按各種標準或用戶要求進行高溫，低溫，溫度沖擊，溫度循環(huán)，浸漬，低氣壓，高低溫低氣壓，恒定濕熱，交變濕熱，高壓蒸煮，沙塵，耐爆炸，鹽霧腐蝕，氣體腐蝕，霉菌，淋雨，太陽輻射，光老化等測試。

7)        制冷原理：利用冷媒在壓縮機，冷凝器，膨脹閥（節(jié)流閥），蒸發(fā)器中壓力和狀態(tài)的變化達到制冷效果。

老化發(fā)展階段：靜態(tài)老化，動態(tài)老化，老化過程中測試 。