許 毅，楊 弋，黃燕秋，易順希，陳水鑫，盧兆明,

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術研究院，上海 200233； 2.蘇州廣博力學環(huán)境實驗室有限公司，蘇州 215129）

前言

通過高加速壽命試驗(Highly Accelerated Life Testing,HALT)能夠快速有效地確定受試樣品的工作極限。HALT也是高加速應力篩選和稽核(Highly Accelerated Stress Screening and Aud iting, HASS/HASA)的前導試驗。HALT的試驗結(jié)果將被用于HASS/HASA選擇或定義篩選器參數(shù)的依據(jù)。

在試驗程序上HASS/HASA是HALT的縮減版，應用在產(chǎn)品上市前的量產(chǎn)。HALT應力能高效地發(fā)現(xiàn)因在元件結(jié)構(gòu)的運行變化或生產(chǎn)過程中的降級而出現(xiàn)的突發(fā)性缺陷。典型的HASS/HASA篩選僅需要施加30min至1h的應力。當然還需對受試樣品的連續(xù)監(jiān)視過程和制訂有效且安全的篩選器曲線。

1 確定HASS/ HASA的參數(shù)

每個樣品對溫度變化率的任何敏感性都應加以注明。這些參數(shù)應在3個不同樣品上進行評價，而每個樣品的每個主要參數(shù)包括：上限溫度工作限值、下限溫度工作限值，以及振動量級極限，進行量化限定。應算出每個參數(shù)的三個值的平均值（Xbar）和樣本標準偏差。采用統(tǒng)計學的方法，為篩選器的3個主要的參數(shù)確定起始點。統(tǒng)計學方法將解釋樣品間的工作極限的差異。多種行業(yè)經(jīng)驗建議使用平均工作極限限值的80%，不考慮其差異性。對篩選器的每個參數(shù)使用置信區(qū)間中較低的70%值的80%作為估算平均值，增加樣品間的差異將減弱篩查的力度，沒有差異則等效為平均值。

較低的70%置信區(qū)間的計算：將與2個自由度關聯(lián)的T分數(shù)（T-s core）值用于計算，定義一個估算平均值的單邊70%下界置信區(qū)間。2個自由度的T分數(shù)值（適用于樣本數(shù)3）是：0.617。相同的T分數(shù)值可用于3個參數(shù)。估算平均值的70%下界的計算如下 式：

此下限估值是為3個參數(shù)的 每一個計算的。這里“s”值是受試樣品的標準差。以下例子 使用“超常 規(guī)精確度”，確保 計算過程可復制。

下限工作溫度的下限估算值比下限工作溫度的平均值要大（在正數(shù)方向），該值記為LOL……。例如3個受試樣品標 稱的下限工作溫度為：- 45℃、-40℃、-50℃。Xbar是-45℃，樣本標準差為5℃。-43.220℃值代表對Xbar下 界的保守估算。縮減此值的80%為安全界限。

上限工作溫度 的下界估算值比上限工作溫度的平均值要小，該值記為UOL……。例如3個受試樣品標稱的上限工作溫度為：+70℃、+85℃、+80℃。Xbar是+78.33℃，樣本標準差為7.63℃。+75.640℃值代表對Xbar下界的保守估算?？s減此值的80%為安全界限。

鑒于溫度是不累積的工作指標，振動引入疲勞累積損傷的概念。歸因于疲勞累積現(xiàn)象，篩選器將采用工作限值的較小百分比數(shù)（較大的安全邊界）。僅用下界估算的50%計算平均。首先，70%置信區(qū)間下界估算的平均值必須被計算。該值記為OL……。例如3個受試樣品標稱的振動工作極限為：30 Grms、40 Grms、35Grms。Xbar是35 Grms，樣本標準差為5 Grms。33.22 Grms值代表對Xbar下界的保守估算?？s減此值的50 %為 安全界限。

這3個值將被記錄用于下面的最 終計 算。所有用于推導這些值的計算均須記錄 在案。

1）安全范圍取80%和50%計算。確定HASS/HASA應力參數(shù)值的起始點的通用規(guī)則是采用溫度工作范圍的80%和振動工作極限的50%。一般來講這是適宜的近似選擇，而單個樣品間的工作極限值 有顯著差異時例外。80%安全邊界計算將被應用于3個主要篩查參數(shù)平均值的70%下界置信 區(qū)間?？偟钠谕麥囟确秶褂脺囟裙ぷ鳂O限的置信區(qū)間差進行計算。上限工作溫度值減去此范圍的 10%，同時下限工作溫度值也減去（趨向于正數(shù)方向）此范圍的10%。振動工作極限50%安全范圍將被應用到較低的70%置信度。

例：下限溫度工作限值的下界是：-43.22℃；上限溫度工作限值的下界是：+75.640℃?？偟臏囟确秶?75.64℃ - (-43.22℃) = 118.86℃。其10%是11.88℃。

上限工作溫度值減去這個10%的值，給出如下：

高溫80%值可參照 (UOL……)的計算。

下式中，下限工作溫度值也減去這個 10%的值，低溫80%值可參照計算。

振動工作限值下界的50%給出如下：

HASS/HASA篩選器參數(shù)的起始值由上述系列計算獲得。

2）HASS試驗是使用HALT應力進行100%篩選。HASS適合于生產(chǎn)上升試點期的理想試驗；這個時期內(nèi)產(chǎn)率低，因此100%篩選容易實現(xiàn)。對非常關鍵的產(chǎn)品，HASS可以在正規(guī)生產(chǎn)期內(nèi)連續(xù)進行。 然而，大部分公司發(fā)現(xiàn)在稽核的基礎上運作HASS才是有效果也是花費有效的，由此給出了HASA。過渡期將最初HASS活動與最終的HASA活動聯(lián)系起來。這個過渡期被稱為滑行路徑時段（Glide Path Period）。

3）HASA篩選試驗使用HALT應力進行低于100%的篩選。HASA過程與HASS相同，而非100%。HASA的抽樣率是可變的。通常使用產(chǎn)量的5%至10%，然而，在高產(chǎn)率的情況下，抽樣頻率可降至產(chǎn)量的0.3%。

2 HASS/HASA 試驗準備

2.1 連續(xù)監(jiān)視

對受試產(chǎn)品組中每個樣品的適當功能進行連續(xù)監(jiān)視是必要的，這是因為連續(xù)監(jiān)視能夠盡可能地揭示在篩選過程中不斷變化的產(chǎn)品問題。篩子被設計沉淀隨后探查出使用HALT多種混合應力作用時的缺陷。造成任何一個缺陷的應力的準確混合在試驗前是未知的，因此需要連續(xù)監(jiān)視。監(jiān)視的覆蓋范圍和有效性應在篩選開發(fā)過程開始之前進行優(yōu)化。監(jiān)視過程應有助于根本原因分析。

2.2 篩選器的建立

本過程從一個基本的篩查模版開始，且開發(fā)過程應定義模版的各項參數(shù)。高溫或低溫工作極限，溫度變化敏感率以及振動的所有參數(shù)。篩選器的開發(fā)還包括熱量均衡和振動的校準。圖1所示是篩子的通用模版，演示了基本的沉淀和檢出圖形。所示的量值取自前面章節(jié)的示例。篩的前半部分包含快速溫度轉(zhuǎn)換，是沉淀部分。篩的后半部分包括緩慢轉(zhuǎn)換，是檢出部分。

2.2.1 篩查參數(shù)的起始點。篩選器的應力參數(shù)來源于“2 HASS/HASA 試驗準備”描述的 步階所采用的數(shù)據(jù)。

圖1 HASS 循環(huán)沉淀和檢出異常的描述

2.2.2 篩選器的有效性驗證是讓一小組部件經(jīng)受在同一篩選參數(shù)下重復進行4次，查看在篩選器首次應用過后是否會發(fā)生任何問題。所有問題均應在篩選器首次使用時就被發(fā)現(xiàn)，且在篩選器第2、3、4次重復應用時不再出現(xiàn)問題。篩子有效性驗證應對第一組用于建立HASS/HASA 設置的部件上運行。這一小組部件不應出售?！癏ASS安全性”過程之后也應驗證幾次。被用以驗證篩子有效性的部件，若是“HASS安全性”證實它們可以承受至少20次篩查，則即使經(jīng)受了這4次篩查后，仍可以被出售。

3 HASS/HASA 試 驗

3.1 熱電偶和加速度計應貼在用于篩查設置的首組產(chǎn)品上

熱電偶和加速度計的附件應按HA LT中的描述運行。對各種產(chǎn)品內(nèi)部的印制電路板的溫度測量應考慮箱體提供氣流的溫度調(diào)節(jié)。偽樣品也應被標記且其熱電偶參與試驗箱運行的產(chǎn)品控制。振動的測量將定義偏移值，用于設置臺面的輸入振動量級。

3.2 偽樣品

HALT試驗箱基于受試樣品溫度的測量來控制進入空氣流的溫度。熱電偶不應被貼在用于銷售的產(chǎn)品上，可用一個與真實產(chǎn)品的熱激勵表現(xiàn)相同的侍服產(chǎn)品。這個侍服產(chǎn)品可能是一個真實產(chǎn)品被篩選多次但決不可銷售，或者也可以是非產(chǎn)品，位于箱內(nèi)的某個地方。在夾具的位置上可更加接近于產(chǎn)品的熱反應，這個位置應可被選用。

4 HASS的安全設置

HASS的安全設置要求在完成全部試驗箱設定的程序之后進行: 穩(wěn)定連續(xù)的監(jiān)視過程，熱均衡，輸入振動的校準和篩選器的開發(fā)。

一組樣 品（一個夾具裝滿量產(chǎn)部件）將經(jīng)受預設的篩選20次。并不期望這些樣品在這20次篩選過程中就出現(xiàn)問題。HASS安全的最終成功是指所有部件完成所有20次篩選無狀況出現(xiàn)。這是基于篩子剔除了產(chǎn)品至少5%壽命的概念，這樣重復進行20次時，不會導致產(chǎn)品功能的缺失。需要考慮幾個重要的決定，因為這20次的概念有某種程度的任意選擇。

“沒有出現(xiàn)狀況”指沒有出現(xiàn)主要的失效?？蛻艉统邪虘谶M行該步驟之前協(xié)商并給出“沒有出現(xiàn)狀況”的明確定義。下列決策要點需要斟酌：

1）若產(chǎn)品在10次篩選迭代之前就失效，則 該篩選器設置過于嚴酷，必須被減輕。注釋導致失效的原因，并減輕對應失效機制（溫度或振動）的力度。

2）若產(chǎn)品失效發(fā)生在10次與15次的篩選器迭代過程之間，則需要進行客戶咨詢和小組決議。該篩選器是可以被使用，還是 要降低其嚴酷度，在充分的篩選嚴酷度和可能存在的產(chǎn)品損傷之間達成平衡的基礎上方能決定。

3）如果在過15次篩選器迭代之后未出現(xiàn)問題，則這個篩選器設置是可以接受的。

完成20次篩選迭代而無狀況發(fā)生，說明了存在一個強大的設計余量，也給制造商更多信心可安全地補充進行再篩選。

5 運行HASS/HASA

5.1 HASS的運行

連續(xù)的產(chǎn)品流從生產(chǎn)線上卸下，緊接著進行所有功能檢查操作后被轉(zhuǎn)移到HASS/HASA設施所在的區(qū)域（最好是在同一建筑內(nèi)）。受試樣品被安裝在篩選的夾具上，進行電氣連接、適當功能的測試和篩選、可接受的單元返回生產(chǎn)流水線。對所有失效產(chǎn)品都將追溯原因，在量產(chǎn)之前接受非常規(guī)范的改進過程。在整個生產(chǎn)期間持續(xù)進行100%篩選的情況，其改進過程應直接作為控制圖表 的過程反饋出來。HASS代表了一個機會去解決所有的制造商/供應商的問題而不將問題傳遞給客戶，同時保證一定的生產(chǎn)率。當問題都被解決，生產(chǎn)率提升后，HASS就預期演化為HASA。

5.2 從HASS到HASA的滑行路徑

從HASS到HASA間會有一個過渡期。這個過渡期的持續(xù)時間和轉(zhuǎn)化點受生產(chǎn)率增長或受問題解決率的支配。

應該用斷然的措施解決隱藏的問題，有利于提高生產(chǎn)效率?？梢源_定滿產(chǎn)的5%至10%參與篩選。要過計算預先準備試驗箱和安裝夾具。如有需要，則應準備第2套夾具。如 果問題均得到了及時的解決，滑行路徑將僅由生產(chǎn)增長率決定。應設置滿產(chǎn)點的5%到10%篩選比例為指標。需要的試驗箱體和夾具應提前計算好以確保按計劃執(zhí)行進程。這樣做有助于幫助指導，如要求多備一套夾具的情況。

5.3 HASA的運行

滑行路徑應聚合到一個篩選稽核過程。一個產(chǎn)品試樣將被周期性地從生產(chǎn)線上卸下，緊接著進行所有功 能檢查操作后被轉(zhuǎn)移到HASS/HASA設施所在的區(qū)域。受試樣品應安裝在篩選的夾具上，進行電氣連接、適當功能的測試和篩選、可接受的單元返回生產(chǎn)流水線。篩選操作隨時間的產(chǎn)出可使用控制圖表理論繪出。控制圖表應直接指示出作用、反饋，產(chǎn)出圖線值。一個改善的產(chǎn)出率隨時間的預期值應驅(qū)動一個連續(xù)的改進過程。對超出控制的積點的反饋應迅速，并接通所有資源進行。超出控制的積點表示了日間噪聲存在一個清晰信號。應對這些信號進行正當?shù)姆磻?。對于控制極限（噪 聲）范圍內(nèi)的變化應根據(jù)變量的理解進行適度反應，不應干擾到連續(xù)改進的方向。統(tǒng)計上的重大走向在控制極限范圍內(nèi)的應嚴肅地進行直接反應。這些趨勢在質(zhì)量控制規(guī)范中多有定義。

6 質(zhì)量控制圖表

6.1 HASS/HASA質(zhì)量控制圖表

篩選過程的本質(zhì)是最適合用于使用屬性控制圖如NP圖和P圖。P圖由于可以適應樣本量的微小變化則更為適宜。這種圖表需要大量的樣本量以繪制每個圖線節(jié)點。建議每個圖 線節(jié)點使用40個至50個作為樣本數(shù)。若任一樣品圖線上發(fā)生失效的數(shù)量是4個或更多，則較少的樣本數(shù)是可以接受的。筆者認為保持控制圖線應與篩選操作同樣重要，這些圖標將指導作用與反作用，并為基于數(shù)據(jù)作出的決議提供合理依據(jù)。建議對控制圖標進行獨立研究，許多質(zhì)量控制規(guī)范（Quality Control textbooks）對此都有說明。

6.2 用帕累托圖（Pareto Charts）解決問題

帕累托圖（Pareto charts）提供了更多關注的問題的相關等級索引。這是從“多而鎖碎”中分離出“少而重要”的過程。這種簡單的柱狀圖，以降序排列，可指導解決某些問題，這些問題指摘了所有出現(xiàn)的問題的近80%。應考慮帕累托圖的三種形式：在多模塊試驗中，哪種類型的模塊是問題的成因？什么是造成這些主要問題根本的物理的或化學的原因？在篩選圖形的哪個部分發(fā)現(xiàn)這些問題？

7 定期再運行HALT（Re-HALT）

1）定期Re-HALT程序被設計用以保證設計余量，篩選過程正是基于此，保證設計余量不會隨時間而降級。這些余量的大幅降格可能會給篩選過程帶來危險，因為前面所證明的“HASS的安全”將會無效。

2）Re-HALT評估方法：采用HALT中描述的所有三個工作極限參數(shù)，對取自生產(chǎn)過程一個樣品的兩個 部件進行評估。對每個參數(shù)，將這些工作極限與平均值的95%置信區(qū)間下界進行比較。在稱為“為HASS/HASA準備的HALT”的章節(jié)中，70%的置信區(qū)間被計算，現(xiàn)在，T分數(shù)值必須增加到95%確定度。95%置信度的T分數(shù)值是2.92。例：續(xù)前例假設上限工作溫度的Xbar量值為+78.33℃，且標準差為7.63℃。此例中95%置信區(qū)間的下限是：

在產(chǎn)品的2個樣品上進行Re-HALT，得到上限溫度工作極限的平均值為+70℃。需要標注Re-HALT并沒有造成了大幅降，+70℃量值大于下限+65.47℃。如果Re-HALT期間測得平均上限溫度工作限值低于+65.47℃，那該試驗揭露了大幅降格已經(jīng)發(fā)生。類似分析也可用于下限溫度工作極限和振動工作極限。

3）退化設計余量：如果Re-HALT的3個篩選參數(shù)值均超過了工作極限的95%下界區(qū)間，就要努力查找原因，并恢復缺失的設計余量。如果在這些設計余量上不存在改進可能，則應重新審查篩選操作的參數(shù)，并可能地降低力度。這必須由合同承包制造商與客戶共同作出決定。

4）進行Re-HALT的頻率：Re-HALT過程應在將 近每9個月到1年內(nèi)進行一次。然而，如果持續(xù)出現(xiàn)篩選量降低的趨勢，Re-HALT應更頻繁地發(fā)生。

8 結(jié)論

高加速應力篩選(HASS)和稽核(HASA)是在高加速壽命試驗(HALT)基礎上跟進的生產(chǎn)商提高產(chǎn)品使用極限的活動。客觀上可以在較短的時間使用驗證周期和實驗代價，結(jié)合產(chǎn)品的改進，有效提高產(chǎn)品的耐用性。

[1]王德言.環(huán)境技術與可靠性技術的發(fā)展動向[J].環(huán)境技術, 2013,12增刊: 01-06.

[2]盧兆明.道路車輛 電氣及電子設備的環(huán)境試驗方法和要求[M].北京：中國標準出版社, 2011.

[3]GMW 8287 Highly Accelerated Life Testing (HALT) Highly Accelerated Stress Screening and Auditing[S].

[4][美]葛瑞格·K·霍布斯.加速可靠性工程：高加速壽命試驗與高加速應力篩選[M].丁其伯,譯.北京：航空工業(yè)出版社, 2012.

[5]Jack A. Collins. Failure of Materials in Mechanical Design :Analysis, Prediction, Prevention[M]. Wiley-Interscience, 1993.