HALTHASS 可靠性测试.docx

1、HALT HASS 可靠性测试HALT HASS 可靠性测试的应用 HALT HASS是由美国军方所延伸出的设计质量验证与制造质量验证的试验方法，现已成为美国电子业界的标准产品验证方法。它将原需花费6个月甚至1年的新产品可靠性试验缩短至一周，且在这一周中所发现的产品问题几乎与客户应用后所发现的问题一 HALT & HASS 可靠性测试的应用 HALT & HASS是由美国军方所延伸出的设计质量验证与制造质量验证的试验方法，现已成为美国电子业界的标准产品验证方法。它将原需花费6个月甚至1年的新产品可靠性试验缩短至一周，且在这一周中所发现的产品问题几乎与客户应用后所发现的问题一致，故HALT &

2、HASS的试验方式已成为新产品上市前所必需通过的验证。在美国之外，许多国际的3C电子产品大厂也都使用相同或类似的手法来提升产品质量。 1、HALT HALT是一种通过让被测物承受不同的应力，进而发现其设计上的缺限，以及潜在弱点的实验方法。HALT的主要目的是通过增加被测物的极限值，进而增加其坚固性及可靠性。HALT利用阶梯应力的方式加诸于产品，能够在早期发现产品缺陷、操作设计边际及结构强度极限的方法。其加诸于产品的应力有振动、高低温、温度循环、电力开关循环、电压边际及频率边际测试等。利用该测试可迅速找出产品设计及制造的缺陷、改善设计缺陷、增加产品可靠性并缩短其上市周期，同时还可建立设计能力、产

3、品可靠性的基础数据及日后研发的重要依据。 简单地说，HALT是以连续的测试、分析、验证及改正构成了整个程序，关键在于分析所有故障的根本原因。 HALT 的主要测试功能如下： * 利用高环境应力将产品设计缺陷激发出来，并加以改善； * 了解产品的设计能力及失效模式； * 作为高应力筛选及稽核规格制定的参考； * 快速找出产品制造过程的瑕疵； * 增加产品的可靠性，减少维修成本； * 建立产品设计能力数据库，为研发提供依据并可缩短设计制造周期。 HALT应用于产品的研发阶段，能够及早发现产品可靠性的薄弱环节。其所施加的应力要远远高于产品在正常运输贮藏使用时的应力。 HALT包含的如下内容： * 逐

4、步施加应力直到产品失效或出现故障； * 采取临时措施，修正产品的失效或故障； * 继续逐步施加应力直到产品再次失效或出现故障，并再次加以修正； * 重复以上应力-失效-修正的步骤； * 找出产品的基本操作界限和基本破坏界限。 2、HASS HASS应用于产品的生产阶段，以确保所有在HALT中找到的改进措施能够得已实施。HASS还能够确保不会由于生产工艺和元器件的改动而引入新的缺陷。 HASS包含如下内容： * 进行预筛选，剔除可能发展为明显缺陷的隐性缺陷； * 进行探测筛选，找出明显缺陷； * 故障分析； * 改进措施。 HALT & HASS 可靠性测试的步骤 1、HALT HALT共分为4

5、个主要试程，即： * 温度应力； * 高速温度传导； * 随机振动； * 温度及振动合并应力。 在HALT试验中可找到被测物在温度及振动应力下的可操作界限与破坏界限。此实验所用设备为QualMark公司所设计的综合环境试验机（OVS Combined Stress System），温度范围为-100+200，温度变化最大速率为60/min，最大加速度可到60Grms，而且振动机与温度箱合二为一的设计可同时对被测物施加温度与振动应力。以下就四个试程的一般情況分别加以说明： （1）温度应力 此项试验分为低温及高温两个阶段应力。首先执行低温阶段应力，设定起始温度为20，每阶段降温10，阶段温度稳定后

6、维持10min，之后在阶段稳定温度下执行至少一次的功能测试，如一切正常则将温度再降10，并待温度稳定后维持10min再执行功能，依此类推直至发生功能故障，以判断是否达到操作界限或破坏界限；在完成低温应力试验后，可依相同程序执行高温应力试验，即将综合环境应力试验机自20开始，每阶段升温10，待温度稳定后维持10min，而后执行功能测试直到发现高温操作界限及高温破坏界限为止。 （2）高速温度传导 此项试验将先前在温度阶段应力测试中所得到的低温及高温操控界限作为此处的高低温度界限，并以每分钟60的快速温度变化率在此区间内进行6个循环的高低温度变化。在每个循环的最高温度及最低温度都要停留10min，并

7、使温度稳定后再执行功能测试。检查待测物是否发生可回复性故障，寻找其可操作界限。在此试验中不需寻找破坏界限。 （3）随机振动 此项试验是将G值自5g开始，且每阶段增加5g，并在每个阶段维持10min后在振动持续的条件下执行功能测试，以判断其是否达到可操作界限或破坏界限。 （4）温度及振动合并应力 此项试验将高速温度传导及随机振动测试合并同时进行，使加速老化的效果更加显著。此处使用先前的快速温变循环条件及温变率，并将随机振动自5g开始配合每个循环递增5g，且使每个循环的最高及最低温度持续10min，待温度稳定后执行功能测试，如此重复进行直至达到可操作界限及破坏界限为止。 对在以上四个试程中被测物所

8、产生的任何异常状态进行记录，分析是否可由更改设计克服这些问题，加以修改后再进行下一步骤的测试。通过提高产品的可操作界限及破坏界限，从而达到提升可靠性的目的。 2、HASS 应用HASS的目的是要在极短的时间内发现批量生产的成品是否存在生产质量上的隐患，该试验包括三个主要试程： * HASS Development （HASS试验计划阶段）； * Proof-of-Screen（计划验证阶段）； * Production HASS（HASS执行阶段）。 以下就一般电子产品的测试过程分别加以说明： （1）HASS Development HASS试验计划必须参考前面HALT试验所得到的结果。一般是

9、将温度及振动合并应力中的高、低温度的可操作界限缩小20，而振动条件则以破坏界限G值的50做为HASS试验计划的初始条件。然后再依据此条件开始执行温度及振动合并应力测试，并观察被测物是否有故障出现。如有故障出现，须先判断是因过大的环境应力造成的，还是由被测物本身的质量引起的。属前者时应再放宽温度及振动应力10%再进行测试，属后者时表示目前测试条件有效。如无故障情况发生，则须再加严测试环境应力10%再进行测试。 （2）Proof-of-Screen 在建立HASS Profile（HASS 程序）时应注意两个原则：首先，须能检测出可能造成设备故障的隐患；其次，经试验后不致造成设备损坏或内伤。为了确

10、保HASS试验计划阶段所得到的结果符合上述两个原则，必须准备3个试验品，并在每个试品上制作一些未依标准工艺制造或组装的缺陷，如零件浮插、空焊及组装不当等。以HASS试验计划阶段所得到的条件测试各试验品，并观察各试品上的人造缺陷是否能被检测出来，以决定是否加严或放宽测试条件，而能使HASS Profile达到预期效果。 在完成有效性测试后，应再以新的试验品，以调整过的条件测试3050次，如皆未发生因应力不当而被破坏的现象，此时即可判定HASS Profile通过计划验证阶段测试，并可做为Production HASS之用。反之则须再检讨，调整测试条件以求获得最佳的组合。 （3）Productio

11、n HASS 任何一个经过Proof-of-Screen考验过的HASS Profile皆被视为快速有效的质量筛选利器，但仍须配合产品经客户使用后所回馈的异常再做适当的调整。另外，当设计变更时，亦相应修改测试条件。为什么要使用HALT，它与振动的联系以及成本之间的利害关系假设加载在产品上的应力是振动，而引起产品疲劳损伤的主频率是1000Hz（这个假设的频率不会影响讨论的结果，因为循环次数的比和假设无关），那么样品在40,000帕斯卡的应力作用下33分钟会失效（20,000循环/1000循环每秒/60分每秒33.3分），而在8,000帕斯卡的应力作用下只是需要2,000个循环即不到2秒钟。 从例

12、子中可以看出运用可以达到最高水平的振动会给产品施加最大的应力。振动GRMS水平翻倍则应力也翻倍（如果线性），那么所需的振动时间就可以减少1000倍！这就是为什么用6轴振动如此有效找到缺陷而且是通常比其它应力的要多。 没有使用HALT是所需成本曲高。比如说，如果总体上振动水平降低一倍，那么就需要1000倍的振动台来做筛选。如果一个振动台在给定的振动水平下完成产品筛选需要费用为10万美金，那当振动水平下降一倍时振动台费用就要增加到1亿美金！这还没有包括每台所需的测试工装夹具、操作人员以及厂房空间，还有同时运行1000台振动台引起电力系统的不稳定性。 很明显，当考虑到花费如此巨额资金情况下需要选择更

13、有效的方法，这也就解释为什么许多公司想用普通方法但最后受挫被迫放弃的原因，由于花费巨大或者当他们缩短筛选时间由数小时到数分钟却发现由于有效性降低而很少找到问题。在这种情况下，由于部分缩短了筛选的时间，有可能本应在使用五年后才出现的故障在几个星期就已经出现了，这可是大家不想看到的。任和其中一种方法都无法在今天这种商业竞争环境中获得成功，需要的是采取任何一种提高筛选强度缩短时间到达快速有效的方式。 halt hass就是这种最有效的方式。halt/hass发展趋势高加速应力实验及极限应力试验综述1 引言 近年来，可靠性加速试验中的高加速应力试验（HAST，highly accelerated st

14、ress test）及极限应力试验（Limil test）技术不断发展，为考核产品质量和可靠性，快速暴露产品的设计和制造缺陷，提高其可靠性提供了强有力的工具。高加速寿命试验（HALT，Highly accelerated life test）与高加速应力筛选（Hass，Highly acceler-ated stress screen）是由美国Hobbs工程公司总裁Gregg K Hobbs博士首先提出来的，90年代HALT和HASS获得推广应用，以HALT和HASS为主的HAST的最大特点是时间上的压缩，即在短短的几天内模拟一个产品的整个寿命期间可能遇到的情况，HALT与传统试验有所不同，其

15、目的是激发故障，即把产品的潜在缺陷激发成可观察的故障，采用人为施加步进应力，在远大于技术条件规定的极限应力下快速地进行试验，找出工作极限甚至损坏极限，然后根据HALT确定的极限来制定HASS试验应力，通过HASS可以快速剔除早期潜在的缺陷，保障产品的使用可靠性。极限应力试验（Limit test）是HAST中的一种，这种方法规定了确定或评价微电子器件最大能力的方法，这些能力包括绝对最大额定值（从中可推出安全设计极限值）、在不引起退化的前提下筛选或试验时可以施加的最大应力，对不引起退化的特殊筛选或试验的敏感性，以及与之有关的失效模式和机理。HAST技术和Limit test技术在国外已具备扎实的

16、研究基础，并在许多领域得到应用；但是由于技术基础和发展水平的限制，以及西方国家对华先进技术输出的诸多限制，这些试验技术的研究在过国内起步相对要晚一些，主要局限于理论与技术的跟踪研究，文中将从常用的技术方法、试验模型及分析方法、试验剖面的建立及失效机理等方面对HAST技术和Limit test技术进行介绍。2 研究现状2.1 方法研究对研制产品来说，HALT与HASS是一个整体，均属于HAST的范畴。HALT针对产品的设计过程，HASS则针对产品的生产过程，从上世纪90年代至今，HAST技术相继在各工业部门推广应用。无一例外地取得了较大成功，美国国防部微电子试验标准MIL-STD-883E1中给

17、出了微电路进行limit test的基本方法（见表1），由于商业竞争与军工保密的原因，许多先进的HAST和limit test的试验技术仍未解密发表，以下仅列出部分试验研究的成果供参考。1993年Thomas H.Faltus2介绍了确定镭射装置最大操作应力水平的方法，并利用单应力和多应力的实验设计模型来评估其寿命。1997年Cemal Basaran和Rumpa Chandaroy3研究了封闭表面焊接点的热机械疲劳试验，并利用DSC（disturbed state concept）结构模型的有限元素程序模拟测试循环试验，实验表明这种模型的方法使失效分析变得十分有规律性，而且容易得出焊接点失效

18、的机理。美国航空暨太空总署（NASA）4通过阐述航空照相机的试验（容易振动和强度限制测试）中燃烧模块2得任务和冲击极限应力试验的经验方法，强详细介绍了Xybion照相机封装中燃烧模块2的任意振动试验结果和极限应力技术的实现，并指出对于被测物体的极小化，任意震动极限应力试验是直接有效的方法，应力极限可用于测量被测试物体引力响应的中心。2003年英国Michacl Kearney等人5讨论了适用于恶劣工作环境的电子设备的快速有效的可靠性强化实验技术（RET.Reliability Enhancement Testing），具体研究了任意的振动剖面（结合热/湿气循环）实验中的步进应力，正弦扫描；基于

19、对快速温循和三轴震动试验的研究，指出了多个试验的结合比使用单个试验更有效，只要设计好试验过程，三轴振动能快速有效地引起相关失效。 在国内，1997年六月张皓等人6对于一种在两种应力（电压应力和温度应力）作用下的电子产品，当它的寿命服从指数分布时，提出利用双应力步进试验的试验设计及对所获得的失效数据进行可靠性的统计分析，并用自行编制的计算机软件完成了实例分析。2001年北京三一研究所祝耀昌等人7简单介绍了裕度的确定方法：若向产品施加比工作极限和破坏极限更高的应力，再次激发出故障并加以消除，则这两个更高的应力便成为产品的两个新极限，如此反复，使两个极限应力与产品设计规范所规定的应力之差越来越大，即

20、产品的耐环境应力裕度越来越大，产品的耐环境能力就越强，可靠性就越高。 2002年中国工程物理研究所林震8总结得出HASS筛选剖面设计的4种典型方法。同年，林震、张爱民9等介绍了典型的HALT过程及HALT项目；对HALT项目中的温度步进应力、6自由度随机振动、快速温度变换、温度与振动步进应力综合试验等方法进行了详细描述，还给出了HALT产品试验的典型步骤。国防科技大学褚卫华等人10在深入分析HALT/HASS试验技术的基本原理和环境应力与诱发的故障模式之间关系的基础上，阐述了HALT/HASS试验剖面图的建立方法和一般流程。海军航空工程学院韩庆田等11对HATL特性、原理、应用对象以及实施时机

21、、试验设备和试验剖面的设计以及具体的试验项目和功能测试等方面进行了系统的分析，并比较了HAST中不同试验方法HALT、RET和HASS的用途。中国电子科技集团公司第五十八研究所的杜迎等12从试验原理、试验问题及试验分析等方面系统地对恒加速度试验这一课题作了介绍，并指出埋杀法恒定加速度试验能解决一些试验中碰到的问题，并能避免集成电路样品在可靠性试验中承受额外不必要的应力。2.2 试验模型及分析方法目前专门针对高加速应力实验和极限应力实验的模型和分析方法的文章不少，它们所研究的模型和分析方法各有侧重点，也各有优势，总的来说，高加速可靠性试验分析的精确度不断提高，方法不断简化。 1999年剑桥大学K

22、.M.Delak1等13对微电子机械系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）可靠性试验中结构粘附失效（Stiction Failures）微粒导致的失效（Particle Failures）和跳跃转移失效（Jump Shift Failures）及方面作了具体的分析。2003年新加坡微电子协会的Nam Hwang等14以塑料封装光耦合发光二极管温度和湿度的高加速应力试验为例进行了详细的失效分析，其方法具有一定的参考价值。2004年Larry H.Crow等15指出test-fix-find test可以使可靠性试验得到改进，他们所介绍的Test-fix-

23、find test中的试验模型，不仅维持了传统试验模型的特点，还使可靠性实验的内容更易于控制。而在国内，2000年刘华峰等16采用模特卡罗（MCS，Monte Carlo）算法，建立机械零部件的随机疲劳失效概率模型，推导机械零部件失效分布的随机模拟数学模型，在计算机上进行模拟统计，实现随机变量函数的MCS可靠性分析，得到机械零件的随机疲劳失效的概率分布及其可靠性设计指标，提高了试验的精度。2003年李超等17建立了定数截尾步进应力加速寿命实验的时间等效模型，实现了各级应力下的试验时间等效折算，并采用改进的极大似然法（MMLE，Marginal Maximum Likelihood Estima

24、tion），最好线性不变（BLIE，Best Linear Invariant Estimator）和线性回归技术来评估威布尔分布中的未知参数，降低参数估计的难度。2.3 试验剖面和失效机理试验剖面图是整个HAST和Limit test的核心，它直接影响到试验的效率与费用，指导着整个试验过程的进行。针对Limit test剖面研究的公开报道还不多，对于 HAST，国防科技大学褚卫华等10分别为HALT和HASS的实验剖面图分析进行了详细的描述，而且归纳得比较完整，他们讨论了HALT试验剖面图涉及应力类型的选择、应力的施加方式、应力的施加顺序和试验停止原则等，而根据HASS试验剖面有关参数的选择

25、方法和筛选效果的试验方式，归纳得出实际中用来开发HASS试验剖面的优化筛选过程中常用的四种方法。电子产品的缺陷对不同环境应力激励的敏感程度是不一样的，因此在指定试验方案时需要根据不同的试验目的来选择相应的应力类型，褚卫华等10根据G.K.Hobbs建立的缺陷/激励关系模型图，分析了在综合环境实验中常施加的环境应力在一般情况下所能诱发的故障模式和故障机理，从而全面地归纳了温度循环、振动、湿度、电压循环几个方面的失效机理，具有一定的参考价值。3 HAST和Limit test的注意事项 3.1 层次性要求在HAST和Limit test过程中只有按照由低到高的层次关系进行试验，才能充分暴露产品中的

26、缺陷，更准确地分析产生这些缺陷的根本原因，确定下一层次试验的试验方案，达到最佳的试验效果，从而使产品的可靠性从根本上得到保障。3.2 样品选择为了保证试验的有效性，HAST和limit test必须在能够代表设计、元件、材料和制造工艺都已落实的样品上进行，这样才能充分地发现设计的薄弱环节，更准确地分析产生这些缺陷的根本原因。3.3 所需资源要进行HAST和limit test，除一般的高效率试验设备外，还需要一个试验技术小组，它包括产品设计、制造加工、可靠性试验和失效分析等各类型的技术人员，为产品的试验提供全面的技术支持，其主要任务是制定试验方案，安排试验进程，检测试验中产品失效形式，分析试验

27、结果，确定修正的优先级和修正方案，并决定产品是否需要进一步做HASS试验。3.4 破坏性试验经过HAST或Limit test后的产品已失效，不能另作他用。4 应用现状及展望在一些工业发达国家特别是美国，高加速应力试验（包括极限应力试验）技术由于它本身的魅力和激烈的市场竞争，已经被商家广泛接受，并得到普遍的应用。然而在国内，这些试验技术仅处于起步阶段，其发展还有待国内的可靠性试验专家们继续探索，这里主要讲述高加速应力试验（包括极限应力试验）技术在国内的应用情况。 从20世纪80年代末到90年初，国外特别是美国，在各工业部门开始推广应用高加速应力试验（包括极限应力试验）技术，目前该技术已被广泛地

28、应用于通讯、电子、电脑、医疗、能源、航空、航天和军事等领域，涉及到的产品有网络设备、微波设备、光纤、遥测设备、视频处理设备、商用航空电子、掌上电脑、半导体制造设备等等，呈现出蓬勃发展的趋势。 首先，国外许多为机械、电子工业提供设计、制造和试验服务的公司，已经把高加速应力试验（包括极限应力试验）作为一项很重要的服务内容，如为航空航天、军事工业和一般民用工业提供试验服务的美国Garwood labratories公司，它所提供的一项重要服务就是产品的可靠性试验，其主要内容是高加速应力试验。其次，国外机械、通讯、交通运输、航空航天、国防等行业的设备，特别是电子产品的供应商们，已经把它们作为改进和优化

29、产品、加快新产品研制步伐，提高产品质量，赢得用户和市场的重要技术手段，象世界著名的惠普电脑公司、Motorola公司、福特汽车公司等都是利用高加速应力试验技术获得产品的高可靠性和实现产品快速更型换代的。目前国内可靠性工程界对高加速应力实验和极限试验的研究刚刚起步，对其核心技术的掌握仍不全面，这种局面已经严重阻碍了可靠性强化试验先进技术在我国的研究和发展，国防科技大学可靠性实验室和北京航空航天大学可靠性工程中心在HAST研究和应用方面取得了一定成果。目前，HAST领域主要存在以下需要重点解决的问题：1）高加速应力下失效机理研究，2）加速环境选择与试验剖面确定技术；3）应力加载与试验技术研究；4）

30、信息处理与试验统计分析技术；5）相应标准和规范的制定；6）相关的试验设备、夹具设计、安装方式、信号监测与采集技术以及控制技术的研究；7）HALT的计算机辅助设计与分析技术。HALT与HASS系统的优势特强的温度范围及变化率 -100到+200 60/min 反复冲击式振动，6自由度，3轴转向同时施力。同时要达成三轴（X，Y，Z）旋转（转，抛，偏），能快速将设计缺陷显示出来 强化的低频系统可以突破复杂的机械构造系统，同时能有效的显露不良的焊点及表面贴片元器件的接点 HALT与HASS系统的优势特强的温度范围及变化率 -100到+200 60/min 反复冲击式振动，6自由度，3轴&转向同时施力。

31、同时要达成三轴（X，Y，Z）旋转（转，抛，偏），能快速将设计缺陷显示出来强化的低频系统可以突破复杂的机械构造系统，同时能有效的显露不良的焊点及表面贴片元器件的接点，在测试过程中震动频率 （2HZ10KHZ)是随机的，不可控制复合的应力环境：温度和震动低环境噪音73dbaHALT/HASS技术总结1， 高加速寿命试验是针对产品设计上的根因分析，确定失效机理，描述产品裕度，可靠性健壮试验；加速寿命试验针对产品由于耗损问题产生的失效分析，作出产品可靠性评价。 2， 应力包括环境应力，机械应力，电应力。 3， 环境应力筛选目的是利用环境应力使电子硬品在制造过程中较弱的零部件，不良工序等因素造成的非设计

32、问题提早暴露并被检测出来，进而可以采取修改行动或将之剔除，以提高产品质量，使之满足当初的设计要求。 4， 环境试验是在实验室内利用试验设备模拟环境条件，检测产品抵抗环境应力的耐用能力，按试验的理论基础和模拟环境的特色，可分为自然环境试验和动力环境试验。按照施加的环境应力项目可分为单一环境试验和综合环境试验。 5， 热特性环境试验，主要测试试件的热传特性，产品达到温度稳定所需的时间；振动特性试验，主要确定产品动态结构特性，自然频率，振动模式，阻尼系数等 6， 环境试验设备能按各种标准或用户要求进行高温，低温，温度冲击，温度循环，浸渍，低气压，高低温低气压，恒定湿热，交变湿热，高压蒸煮，沙尘，耐爆炸，