什么是可靠性加速試驗(yàn)？

1.     引言

加速試驗(yàn)主要分為兩類：

1)        加速壽命試驗(yàn)--估計(jì)壽命；

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

可靠性加速試驗(yàn)中的高加速應(yīng)力試驗(yàn)（HAST，highlyaccelerated stress test）及極限應(yīng)力試驗(yàn)（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(jì)和制造缺陷，提高其可靠性提供了強(qiáng)有力的工具。

高加速壽命試驗(yàn)（HALT，Highlyaccelerated life test）與高加速應(yīng)力篩選（Hass，Highlyacceler-ated stress screen）是由美國(guó)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(diǎn)是時(shí)間上的壓縮，即在短短的幾天內(nèi)模擬一個(gè)產(chǎn)品的整個(gè)壽命期間可能遇到的情況，HALT與傳統(tǒng)試驗(yàn)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(jìn)應(yīng)力，在遠(yuǎn)大于技術(shù)條件規(guī)定的極限應(yīng)力下快速地進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)（Limit test）是HAST中的一種，這種方法規(guī)定了確定或評(píng)價(jià)微電子器件最大能力的方法，這些能力包括絕對(duì)最大額定值（從中可推出安全設(shè)計(jì)極限值）、在不引起退化的前提下篩選或試驗(yàn)時(shí)可以施加的最大應(yīng)力，對(duì)不引起退化的特殊篩選或試驗(yàn)的敏感性，以及與之有關(guān)的失效模式和機(jī)理。

對(duì)研制產(chǎn)品來說，HALT與HASS是一個(gè)整體，均屬于HAST的范疇。HALT針對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，HASS則針對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，從上世紀(jì)90年代至今，HAST技術(shù)相繼在各工業(yè)部門推廣應(yīng)用。無(wú)一例外地取得了較大成功，美國(guó)國(guó)防部微電子試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883E中給出了微電路進(jìn)行l(wèi)imit test的基本方法（見表1），由于商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)與軍工保密的原因，許多先進(jìn)的HAST和limit test的試驗(yàn)技術(shù)仍未解密發(fā)表，以下僅列出部分試驗(yàn)研究的成果供參考。

2.     HAST和Limit test要點(diǎn)

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(jìn)行試驗(yàn)，才能充分暴露產(chǎn)品中的缺陷，更準(zhǔn)確地分析產(chǎn)生這些缺陷的根本原因，確定下一層次試驗(yàn)的試驗(yàn)方案，達(dá)到最佳的試驗(yàn)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(yàn)的有效性，HAST和limit test必須在能夠代表設(shè)計(jì)、元件、材料和制造工藝都已落實(shí)的樣品上進(jìn)行，這樣才能充分地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，更準(zhǔn)確地分析產(chǎn)生這些缺陷的根本原因。

2.3 所需資源

要進(jìn)行HAST和limit test，除一般的高效率試驗(yàn)設(shè)備外，還需要一個(gè)試驗(yàn)技術(shù)小組，它包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造加工、可靠性試驗(yàn)和失效分析等各類型的技術(shù)人員，為產(chǎn)品的試驗(yàn)提供全面的技術(shù)支持，其主要任務(wù)是制定試驗(yàn)方案，安排試驗(yàn)進(jìn)程，檢測(cè)試驗(yàn)中產(chǎn)品失效形式，分析試驗(yàn)結(jié)果，確定修正的優(yōu)先級(jí)和修正方案，并決定產(chǎn)品是否需要進(jìn)一步做HASS試驗(yàn)。

2.4 破壞性試驗(yàn)

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(cè)試的應(yīng)用

HALT & HASS是由美國(guó)軍方所延伸出的設(shè)計(jì)質(zhì)量驗(yàn)證與制造質(zhì)量驗(yàn)證的試驗(yàn)方法，現(xiàn)已成為美國(guó)電子業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品驗(yàn)證方法。它將原需花費(fèi)6個(gè)月甚至1年的新產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)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(yàn)方式已成為新產(chǎn)品上市前所必需通過的驗(yàn)證。在美國(guó)之外，許多國(guó)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(cè)物承受不同的應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)上的缺限，以及潛在弱點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)方法。HALT的主要目的是通過增加被測(cè)物的極限值，進(jìn)而增加其堅(jiān)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(jì)邊際及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限的方法。其加諸于產(chǎn)品的應(yīng)力有振動(dòng)、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(cè)試等。利用該測(cè)試可迅速找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造的缺陷、改善設(shè)計(jì)缺陷、增加產(chǎn)品可靠性并縮短其上市周期，同時(shí)還可建立設(shè)計(jì)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(jiǎn)單地說，HALT是以連續(xù)的測(cè)試、分析、驗(yàn)證及改正構(gòu)成了整個(gè)程序，關(guān)鍵在于分析所有故障的根本原因。

HALT 的主要測(cè)試功能如下：

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

2)        了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jì)能力數(shù)據(jù)庫(kù)，為研發(fā)提供依據(jù)并可縮短設(shè)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于產(chǎn)品在正常運(yùn)輸﹑貯藏﹑使用時(shí)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(shí)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(jìn)措施能夠得已實(shí)施。HASS還能夠確保不會(huì)由于生產(chǎn)工藝和元器件的改動(dòng)而引入新的缺陷。

HASS包含如下內(nèi)容：

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

2)        進(jìn)行探測(cè)篩選，找出明顯缺陷；

3)        故障分析；

4)        改進(jìn)措施。

4.     HALT & HASS 可靠性測(cè)試的步驟

4. 1 HALT

HALT共分為4個(gè)主要試程，即：

1)        溫度應(yīng)力；

2)        高速溫度傳導(dǎo)；

3)        隨機(jī)振動(dòng)；

4)        溫度及振動(dòng)合并應(yīng)力。

在HALT試驗(yàn)中可找到被測(cè)物在溫度及振動(dòng)應(yīng)力下的可操作界限與破壞界限。此實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為QualMark公司所設(shè)計(jì)的綜合環(huán)境試驗(yàn)機(jī)（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(dòng)機(jī)與溫度箱合二為一的設(shè)計(jì)可同時(shí)對(duì)被測(cè)物施加溫度與振動(dòng)應(yīng)力。以下就四個(gè)試程的一般情況分別加以說明：

（1）       溫度應(yīng)力

此項(xiàng)試驗(yàn)分為低溫及高溫兩個(gè)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(cè)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(dá)到操作界限或破壞界限；在完成低溫應(yīng)力試驗(yàn)后，可依相同程序執(zhí)行高溫應(yīng)力試驗(yàn)，即將綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)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(cè)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(xiàng)試驗(yàn)將先前在溫度階段應(yīng)力測(cè)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(jìn)行6個(gè)循環(huán)的高低溫度變化。在每個(gè)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(cè)試。檢查待測(cè)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(yàn)中不需尋找破壞界限。

（3）隨機(jī)振動(dòng)

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

（4）溫度及振動(dòng)合并應(yīng)力

此項(xiàng)試驗(yàn)將高速溫度傳導(dǎo)及隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試合并同時(shí)進(jìn)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(jī)振動(dòng)自5g開始配合每個(gè)循環(huán)遞增5g，且使每個(gè)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(cè)試，如此重復(fù)進(jìn)行直至達(dá)到可操作界限及破壞界限為止。

對(duì)在以上四個(gè)試程中被測(cè)物所產(chǎn)生的任何異常狀態(tài)進(jìn)行記錄，分析是否可由更改設(shè)計(jì)克服這些問題，加以修改后再進(jìn)行下一步驟的測(cè)試。通過提高產(chǎn)品的可操作界限及破壞界限，從而達(dá)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(shí)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(yàn)包括三個(gè)主要試程：

1)        HASS Development （HASS試驗(yàn)計(jì)劃階段）；

2)        Proof-of-Screen（計(jì)劃驗(yàn)證階段）；

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

以下就一般電子產(chǎn)品的測(cè)試過程分別加以說明：

（1）       HASS Developmen

HASS試驗(yàn)計(jì)劃必須參考前面HALT試驗(yàn)所得到的結(jié)果。一般是將溫度及振動(dòng)合并應(yīng)力中的高、低溫度的可操作界限縮小20％，而振動(dòng)條件則以破壞界限G值的50％做為HASS試驗(yàn)計(jì)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(dòng)合并應(yīng)力測(cè)試，并觀察被測(cè)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(cè)物本身的質(zhì)量引起的。屬前者時(shí)應(yīng)再放寬溫度及振動(dòng)應(yīng)力10%再進(jìn)行測(cè)試，屬后者時(shí)表示目前測(cè)試條件有效。如無(wú)故障情況發(fā)生，則須再加嚴(yán)測(cè)試環(huán)境應(yīng)力10%再進(jìn)行測(cè)試。

（2）       Proof-of-Screen

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

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

（3）       Production HASS

任何一個(gè)經(jīng)過Proof-of-Screen考驗(yàn)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(dāng)?shù)恼{(diào)整。另外，當(dāng)設(shè)計(jì)變更時(shí)，亦相應(yīng)修改測(cè)試條件。

5.     HALT和HASS試驗(yàn)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(dá)到60℃/min。

溫度操作范圍為 -100℃到+200℃。

2)        反復(fù)沖擊式振動(dòng)

6自由度，3軸&轉(zhuǎn)向同時(shí)施力。同時(shí)要達(dá)成三軸（X，Y，Z）旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)，拋，偏），能快速將設(shè)計(jì)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(dòng)。

4)        低環(huán)境噪音

<73dba。

6.     HASS技術(shù)總結(jié)

1)        高加速壽命試驗(yàn)是針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的根因分析，確定失效機(jī)理，描述產(chǎn)品裕度，可靠性健壯試驗(yàn)；加速壽命試驗(yàn)針對(duì)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(píng)價(jià)。

2)        應(yīng)力包括環(huán)境應(yīng)力，機(jī)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(jì)問題提早暴露并被檢測(cè)出來，進(jìn)而可以采取修改行動(dòng)或?qū)⒅蕹?，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，使之滿足當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。

4)        環(huán)境試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用試驗(yàn)設(shè)備模擬環(huán)境條件，檢測(cè)產(chǎn)品抵抗環(huán)境應(yīng)力的耐用能力，按試驗(yàn)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(yàn)和動(dòng)力環(huán)境試驗(yàn)。按照施加的環(huán)境應(yīng)力項(xiàng)目可分為單一環(huán)境試驗(yàn)和綜合環(huán)境試驗(yàn)。

5)        熱特性環(huán)境試驗(yàn)，主要測(cè)試試件的熱傳特性，產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定所需的時(shí)間；振動(dòng)特性試驗(yàn)，主要確定產(chǎn)品動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性，自然頻率，振動(dòng)模式，阻尼系數(shù)等

6)        環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備能按各種標(biāo)準(zhǔn)或用戶要求進(jìn)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(yáng)輻射，光老化等測(cè)試。

7)        制冷原理：利用冷媒在壓縮機(jī)，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(dá)到制冷效果。

老化發(fā)展階段：靜態(tài)老化，動(dòng)態(tài)老化，老化過程中測(cè)試 。