高加速壽命試驗(HALT)與高加速應力篩選(HASS)設備設計分析

李一鵬

（蘇州東菱振動試驗儀器有限公司，蘇州 215163）

前言

高加速壽命試驗(HALT)和高加速應力篩選(HASS)是可靠性環境試驗的兩種試驗方法。高加速壽命試驗多針對設計過程驗證，HASS主要針對生產過程，多用于電子產品的缺陷篩選及壽命測試。早期HALT&HASS主要針對美國軍方產品的設計驗證與產品篩選，現在該方式已成為很多公司新產品上市前必需通過的驗證， 同時也成為美國電子類產品的標準驗證方式。

一方面，產品在量產后所承受的環境應力，與傳統模擬試驗所設計的環境應力相當，最多在考核產品耐環境試驗時，適當提高一個試驗裕度。通過這種思路及方法驗證過的產品，按理說應該很少出故障，其環境適應性和可靠性可以令人滿意，但實際情況卻是：許多產品順利通過了設計鑒定試驗和生產驗收試驗， 其返修率及失效率依然很高，使得產品得不到充分的環境模擬驗證及可靠性保障。

另一方面，隨著社會對產品可靠性要求越來越高，其可靠性驗證所花費的時間也將會越來越長。從而導致研發周期的加長，同時也增加了研發成本，最終引起產品競爭力下降。表1為HALT與傳統模擬試驗的比較。

可見， HALT&HASS是一種先行作用的，用于尋找改進產品可靠性的方法，而大多數傳統方法的目的是測量產品可靠性，而不是改進產品可靠性。使用HALT 的好處包括：迅速獲得成熟的產品，加快投產速度，更高的產品質量裕度等。使用HASS的好處包括：快速篩選產品缺陷，降低產品故障率，明顯提高用戶滿意度等。

1 HALT&HASS 的主要工作內容

HALT&HASS的主要幾項工作流程圖如圖1。

這幾項工作中，為了更好地完成HALT&HASS過程，前6項工作是必須完成的，而第7項工作可以為未來的產品帶來長期的改進。這幾項主要工作大致內容介紹如下：

表1 HALT 與傳統模擬試驗比較

1.1 初期設定的預應力值與應力控制過程：預應力應設定在產品設計規范規定的應力裕度內，一旦確定在該應力條件下不能激出產品缺陷，應該適當提高施加的應力裕度，使其接近產品的破壞裕度上限。在某些高要求的產品試驗中，甚至允許適當超出產品的破壞裕度。

1.2 析出：即是將潛在的缺陷變為明顯的或可檢測的缺陷。析出通常是在HALT中或析出篩選中完成的。

1.3 檢測和故障分析： 檢測和故障分析意味著確定故障位置，并確定故障產生原因。例如，在PCB板焊點出現問題時，我們需要確定出現焊點故障的原因。如果進行HALT&HASS試驗，該焊點會因熱膨脹系數匹配不良而產生極值應力，從而析出故障點并確定解決措施。

1.4 糾正措施及糾正措施驗證： 糾正措施意味著更改相應的設計及工藝，使未來不再發生故障，從而達到設計目的。而糾正措施驗證意味著出現的問題可浮現，如果缺陷得到多次復現確認，相應的故障就有了不再發生的可能性。同時，將試驗得到的數據存入數據庫，不但可以從該數據庫中獲得寶貴的知識，還能避免未來產品再次發生類似事件。

圖1 HALT&HASS 主要工作流程圖

2 HALT&HASS 應力源設計分析

現階段常用的HALT&HASS試驗系統主要由兩大應力源構成，即振動壓力源和溫度應力源，下面我們分別討論這兩種應力源的基本設計原理及過程。

2.1 振動應力源的設計分析

常用的振動應力源包括機械振動臺、電動振動臺、液壓振動臺、壓電式振動臺等，其通用特性比較如表2。

通過表2可知，機械振動系統是在一個頻率上激勵一個方向，在HALT&HASS應用中，這幾乎是一個無用的系統，因為這種振動臺建立的振動概率密度不會超過2倍的Grms量值的平方根。

液壓振動臺具有大功率，大位移的優點。但頻響低的特點限制了其在HALT&HASS試驗系統中的應用面，現多用于針對大推力，低頻響類HALT&HASS試驗的振動激勵源，例如，重卡的極端道路試驗驗證。

表2 振動應力源比較

電動振動臺有很多優點，包括良好的譜型控制，但這在HALT&HASS試驗中是不必要的，其缺點是成本高，長時間運行可靠性較差以及振動臺附近磁場較高等，一般不用做HALT&HASS試驗系統的振動應力源。

HALT&HASS試驗系統一般使用氣動沖擊激勵式全軸向振動臺(簡稱氣動式振動臺)作為其振動應力源，其可以產生高的加速度峰值，頻率響應達到上萬Hz，且成本低廉。下面我們來討論氣動振動臺的設計。如圖2，氣動式振動臺一般有振動子系統，控制子系統，輔助設備三部分組成。

振動子系統包括氣錘和臺板，由接地彈簧支撐，臺板下方多個位置分別從不同角度安裝氣錘，當給氣錘通入一定壓力的氣體時，氣錘將產生原始激勵信號并激勵上部臺板，最終在臺板上表面得到試件的振動激勵。由此可知，該設備振動激勵的能譜優化與氣錘及臺板的動力優化設計關系密切。

國外常用的氣錘有以下三種：等軸式活塞氣錘、階梯式活塞氣錘以及浮動式隨機振動氣錘，見圖3。

等軸式活塞氣錘具有結構簡單，易于工程實現的特點，但需求的工作壓力較高；階梯式活塞氣錘的能譜特性較優于等軸式，需求氣壓低，是目前普遍采用的氣錘類型之一；浮動式隨機振動氣錘的原始激勵信號的能譜特性較前者有改善，但結構復雜，易出現卡死現象，還需要繼續優化。

臺板動力特性的優化可以更好地解決其動力學傳遞特性。目前，某公司選用先進的合金材料，設計加工了系列結構新臺面，見圖4。該公司的例行測試表明，該類加筋夾層臺板具有良好的動力學傳遞特性。

控制子系統一般由PLC（可編程邏輯控制器）、電氣比例閥、加速度傳感器、信號分析儀以及控制計算機組成。該部分的主要功能是對臺面上的振動激勵進行控制以滿足振動強化試驗要求。輔助系統包括空壓機，氣路轉換接頭，分配器以及輔助管路等，該部分的主要功能是為氣錘的正常工作提供動力。如圖5所示。

從圖中可知，控制計算機通過脈沖或者模擬式控制接口，給PLC發送一個目標控制量級(即一個目標控制加速度均方根值)，PLC根據該量級調節電氣比例閥的開口大小，控制壓縮空氣進入氣錘的氣壓大小，從而控制臺面上的振動激勵量級。通過加速度傳感器實時采集臺面的振動信號后，送入信號分析儀進行歸一化處理，接著計算該信號的均方根值并將該均方根值提供給PLC，以此逐步調整臺面的實際振動量級與目標控制量級之間的差異，最終達到實際振動量級與目標控制量級之差小于預先給定的容差范圍。

圖2 氣動式振動臺示意圖

圖3 (從左到右)分別為等軸式, 階梯式,浮動式氣錘

圖4 某公司臺板

圖5 氣動式振動應力源工作原理圖

2.2 溫度應力源的設計分析

常用的溫度應力源有兩種類型：壓縮機(機械制冷)冷卻和液氮冷卻配合電加熱。機械制冷一般包括家用空調，溫度環境試驗箱等，該類溫度應力源具有溫度穩態性能好的特點，但是其溫度變化速率有限，單位溫度變化速率的制冷成本高，且可靠性沒有液氮制冷好。當要求高速率的熱循環時，一般采用液氮冷卻配合電加熱的形式。這兩種類型的溫度應力源特性比較見表3。

液氮冷卻配合電加熱形式的溫度應力源其溫度變化速率目前已經達到了200℃/min，可以滿足絕大部分溫度變換速率敏感類缺陷的要求。該類型溫度應力源的控制框圖如圖6所示。

從圖中可知道，整個溫度應力源均以PLC為控制核心。安裝了安全泄放回路的液氮源通過安全電磁閥及調壓閥后，作用到HALT&HASS試驗箱。同時電加熱源經過加熱控制裝置控制電加熱絲的加熱溫度，該加熱絲也作用于HALT&HASS試驗箱。PLC通過試驗要求進行邏輯控制，從而確定以下3方面控制要求：1)通過調節加熱控制器斬波比實現加熱升溫的控制。2)通過調節調壓閥的開口比例及開口比例變化率，控制降溫及降溫的變化快慢。3)協調系統進行升降溫的安全控制，并根據試驗條件，決定什么時候需要升溫，什么時候需要降溫。

表3 溫度應力源比較

圖6 氣動式溫度應力源工作原理圖

3 前景分析

HALT&HASS試驗系統可以幫助用戶快速找到產品缺陷及提高研發周期。相關的HALT&HASS試驗設備在國內才起步不久，談不上大面積推廣應用，而國外已有多家公司的HALT&HASS試驗系統用于實際產品的壽命試驗與缺陷篩選。而國外的這方面重大設備長期對中國禁運，所以，加快HALT&HASS試驗設備的研制以及理論研究已是當務之急。另外從市場角度出發，基于中國產品質量的現狀以及廣大的市場應用面， HALT&HASS試驗設備必將在國內有一個大的需求增長期。

同樣， HALT&HASS試驗設備在多行業的推廣應用也將推動該類試驗設備的快速發展， 提出新的要求，大量的新型應用技術也會應用與該類型設備，從而對HALT&HASS試驗設備的理論研究與設備設計工作起到促進的作用。

[1]祝耀昌，環境適應性設計與高加速壽命試驗[J].航空標準化與質量，2012.1.

[2]祝耀昌.高加速應力篩選(HASS)的基本概念和原理[J].軍用標準化，2012.2.

[3]( 美)Gregg K.Hobbs 著，丁其伯 譯.高加速壽命試驗與應力篩選[M].北京：航空工業出版社，2012.

[4]蔣培，張春華，陳循，溫熙森.超高斯隨機振動環境的疲勞強化機理[N]國防科技大學學報，2004,3.