道路車輛 電工電子設備高加速應力篩選和稽核

許 毅，楊 弋，黃燕秋，易順希，陳水鑫，盧兆明,

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200233； 2.蘇州廣博力學環境實驗室有限公司，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的試驗結果將被用于HASS/HASA選擇或定義篩選器參數的依據。

在試驗程序上HASS/HASA是HALT的縮減版，應用在產品上市前的量產。HALT應力能高效地發現因在元件結構的運行變化或生產過程中的降級而出現的突發性缺陷。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監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

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。應算出每個參數的三個值的平均值（Xbar）和樣本標準偏差。采用統計學的方法，為篩選器的3個主要的參數確定起始點。統計學方法將解釋樣品間的工作極限的差異。多種行業經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使用置信區間中較低的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%置信區間的計算：將與2個自由度關聯的T分數（T-s core）值用于計算，定義一個估算平均值的單邊70%下界置信區間。2個自由度的T分數值（適用于樣本數3）是：0.617。相同的T分數值可用于3個參數。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。縮減此值的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。歸因于疲勞累積現象，篩選器將采用工作限值的較小百分比數（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。縮減此值的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應力參數值的起始點的通用規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個主要篩查參數平均值的70%下界置信 區間。總的期望溫度范圍使用溫度工作極限的置信區間差進行計算。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℃。總的溫度范圍是+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適合于生產上升試點期的理想試驗；這個時期內產率低，因此100%篩選容易實現。對非常關鍵的產品，HASS可以在正規生產期內連續進行。 然而，大部分公司發現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。通常使用產量的5%至10%，然而，在高產率的情況下，抽樣頻率可降至產量的0.3%。

2 HASS/HASA 試驗準備

2.1 連續監視

對受試產品組中每個樣品的適當功能進行連續監視是必要的，這是因為連續監視能夠盡可能地揭示在篩選過程中不斷變化的產品問題。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，因此需要連續監視。監視的覆蓋范圍和有效性應在篩選開發過程開始之前進行優化。監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，且開發過程應定義模版的各項參數。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。篩選器的開發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的示例。篩的前半部分包含快速溫度轉換，是沉淀部分。篩的后半部分包括緩慢轉換，是檢出部分。

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

圖1 HASS 循環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受在同一篩選參數下重復進行4次，查看在篩選器首次應用過后是否會發生任何問題。所有問題均應在篩選器首次使用時就被發現，且在篩選器第2、3、4次重復應用時不再出現問題。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。“HASS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。對各種產品內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節。偽樣品也應被標記且其熱電偶參與試驗箱運行的產品控制。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品上，可用一個與真實產品的熱激勵表現相同的侍服產品。這個侍服產品可能是一個真實產品被篩選多次但決不可銷售，或者也可以是非產品，位于箱內的某個地方。在夾具的位置上可更加接近于產品的熱反應，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: 穩定連續的監視過程，熱均衡，輸入振動的校準和篩選器的開發。

一組樣 品（一個夾具裝滿量產部件）將經受預設的篩選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。這是基于篩子剔除了產品至少5%壽命的概念，這樣重復進行20次時，不會導致產品功能的缺失。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。

“沒有出現狀況”指沒有出現主要的失效。客戶和承包商應在進行該步驟之前協商并給出“沒有出現狀況”的明確定義。下列決策要點需要斟酌：

1）若產品在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）若產品失效發生在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

連續的產品流從生產線上卸下，緊接著進行所有功能檢查操作后被轉移到HASS/HASA設施所在的區域（最好是在同一建筑內）。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流水線。對所有失效產品都將追溯原因，在量產之前接受非常規范的改進過程。在整個生產期間持續進行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率。當問題都被解決，生產率提升后，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。這個過渡期的持續時間和轉化點受生產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，有利于提高生產效率。可以確定滿產的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增長率決定。應設置滿產點的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。一個產品試樣將被周期性地從生產線上卸下，緊接著進行所有功 能檢查操作后被轉移到HASS/HASA設施所在的區域。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流水線。篩選操作隨時間的產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，產出圖線值。一個改善的產出率隨時間的預期值應驅動一個連續的改進過程。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的反應。對于控制極限（噪 聲）范圍內的變化應根據變量的理解進行適度反應，不應干擾到連續改進的方向。統計上的重大走向在控制極限范圍內的應嚴肅地進行直接反應。這些趨勢在質量控制規范中多有定義。

6 質量控制圖表

6.1 HASS/HASA質量控制圖表

篩選過程的本質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點。建議每個圖 線節點使用40個至50個作為樣本數。若任一樣品圖線上發生失效的數量是4個或更多，則較少的樣本數是可以接受的。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，并為基于數據作出的決議提供合理依據。建議對控制圖標進行獨立研究，許多質量控制規范（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現這些問題？

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，對取自生產過程一個樣品的兩個 部件進行評估。對每個參數，將這些工作極限與平均值的95%置信區間下界進行比較。在稱為“為HASS/HASA準備的HALT”的章節中，70%的置信區間被計算，現在，T分數值必須增加到95%確定度。95%置信度的T分數值是2.92。例：續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%置信區間的下限是：

在產品的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發生。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個篩選參數值均超過了工作極限的95%下界區間，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，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年內進行一次。然而，如果持續出現篩選量降低的趨勢，Re-HALT應更頻繁地發生。

8 結論

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

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