道路車輛 電工電子設(shè)備高加速應(yīng)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(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200233； 2.蘇州廣博力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室有限公司，蘇州 215129）

前言

通過高加速壽命試驗(yàn)(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(yīng)力篩選和稽核(Highly Accelerated Stress Screening and Aud iting, HASS/HASA)的前導(dǎo)試驗(yàn)。HALT的試驗(yàn)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(yàn)程序上HASS/HASA是HALT的縮減版，應(yīng)用在產(chǎn)品上市前的量產(chǎn)。HALT應(yīng)力能高效地發(fā)現(xiàn)因在元件結(jié)構(gòu)的運(yùn)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(yīng)力。當(dāng)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(gè)樣品對溫度變化率的任何敏感性都應(yīng)加以注明。這些參數(shù)應(yīng)在3個(gè)不同樣品上進(jìn)行評價(jià)，而每個(gè)樣品的每個(gè)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(jìn)行量化限定。應(yīng)算出每個(gè)參數(shù)的三個(gè)值的平均值（Xbar）和樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，為篩選器的3個(gè)主要的參數(shù)確定起始點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將解釋樣品間的工作極限的差異。多種行業(yè)經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(jì)算：將與2個(gè)自由度關(guān)聯(lián)的T分?jǐn)?shù)（T-s core）值用于計(jì)算，定義一個(gè)估算平均值的單邊70%下界置信區(qū)間。2個(gè)自由度的T分?jǐn)?shù)值（適用于樣本數(shù)3）是：0.617。相同的T分?jǐn)?shù)值可用于3個(gè)參數(shù)。估算平均值的70%下界的計(jì)算如下 式：

此下限估值是為3個(gè)參數(shù)的 每一個(gè)計(jì)算的。這里“s”值是受試樣品的標(biāo)準(zhǔn)差。以下例子 使用“超常 規(guī)精確度”，確保 計(jì)算過程可復(fù)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(gè)受試樣品標(biāo) 稱的下限工作溫度為：- 45℃、-40℃、-50℃。Xbar是-45℃，樣本標(biāo)準(zhǔn)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(gè)受試樣品標(biāo)稱的上限工作溫度為：+70℃、+85℃、+80℃。Xbar是+78.33℃，樣本標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，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(jì)算平均。首先，70%置信區(qū)間下界估算的平均值必須被計(jì)算。該值記為OL……。例如3個(gè)受試樣品標(biāo)稱的振動工作極限為：30 Grms、40 Grms、35Grms。Xbar是35 Grms，樣本標(biāo)準(zhǔn)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(gè)值將被記錄用于下面的最 終計(jì) 算。所有用于推導(dǎo)這些值的計(jì)算均須記錄 在案。

1）安全范圍取80%和50%計(jì)算。確定HASS/HASA應(yīng)力參數(shù)值的起始點(diǎn)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(gè)樣品間的工作極限值 有顯著差異時(shí)例外。80%安全邊界計(jì)算將被應(yīng)用于3個(gè)主要篩查參數(shù)平均值的70%下界置信 區(qū)間。總的期望溫度范圍使用溫度工作極限的置信區(qū)間差進(jìn)行計(jì)算。上限工作溫度值減去此范圍的 10%，同時(shí)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(yīng)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(gè)10%的值，給出如下：

高溫80%值可參照 (UOL……)的計(jì)算。

下式中，下限工作溫度值也減去這個(gè) 10%的值，低溫80%值可參照計(jì)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(jì)算獲得。

2）HASS試驗(yàn)是使用HALT應(yīng)力進(jìn)行100%篩選。HASS適合于生產(chǎn)上升試點(diǎn)期的理想試驗(yàn)；這個(gè)時(shí)期內(nèi)產(chǎn)率低，因此100%篩選容易實(shí)現(xiàn)。對非常關(guān)鍵的產(chǎn)品，HASS可以在正規(guī)生產(chǎn)期內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。 然而，大部分公司發(fā)現(xiàn)在稽核的基礎(chǔ)上運(yùn)作HASS才是有效果也是花費(fèi)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(gè)過渡期被稱為滑行路徑時(shí)段（Glide Path Period）。

3）HASA篩選試驗(yàn)使用HALT應(yīng)力進(jìn)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(yàn)準(zhǔn)備

2.1 連續(xù)監(jiān)視

對受試產(chǎn)品組中每個(gè)樣品的適當(dāng)功能進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視是必要的，這是因?yàn)檫B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(shè)計(jì)沉淀隨后探查出使用HALT多種混合應(yīng)力作用時(shí)的缺陷。造成任何一個(gè)缺陷的應(yīng)力的準(zhǔn)確混合在試驗(yàn)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(yīng)在篩選開發(fā)過程開始之前進(jìn)行優(yōu)化。監(jiān)視過程應(yīng)有助于根本原因分析。

2.2 篩選器的建立

本過程從一個(gè)基本的篩查模版開始，且開發(fā)過程應(yīng)定義模版的各項(xiàng)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(zhǔn)。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(diǎn)。篩選器的應(yīng)力參數(shù)來源于“2 HASS/HASA 試驗(yàn)準(zhǔn)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(yàn)證是讓一小組部件經(jīng)受在同一篩選參數(shù)下重復(fù)進(jìn)行4次，查看在篩選器首次應(yīng)用過后是否會發(fā)生任何問題。所有問題均應(yīng)在篩選器首次使用時(shí)就被發(fā)現(xiàn)，且在篩選器第2、3、4次重復(fù)應(yīng)用時(shí)不再出現(xiàn)問題。篩子有效性驗(yàn)證應(yīng)對第一組用于建立HASS/HASA 設(shè)置的部件上運(yùn)行。這一小組部件不應(yīng)出售。“HASS安全性”過程之后也應(yīng)驗(yàn)證幾次。被用以驗(yàn)證篩子有效性的部件，若是“HASS安全性”證實(shí)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(yàn)

3.1 熱電偶和加速度計(jì)應(yīng)貼在用于篩查設(shè)置的首組產(chǎn)品上

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

3.2 偽樣品

HALT試驗(yàn)箱基于受試樣品溫度的測量來控制進(jìn)入空氣流的溫度。熱電偶不應(yīng)被貼在用于銷售的產(chǎn)品上，可用一個(gè)與真實(shí)產(chǎn)品的熱激勵表現(xiàn)相同的侍服產(chǎn)品。這個(gè)侍服產(chǎn)品可能是一個(gè)真實(shí)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(gè)地方。在夾具的位置上可更加接近于產(chǎn)品的熱反應(yīng)，這個(gè)位置應(yīng)可被選用。

4 HASS的安全設(shè)置

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

一組樣 品（一個(gè)夾具裝滿量產(chǎn)部件）將經(jīng)受預(yù)設(shè)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(fù)進(jìn)行20次時(shí)，不會導(dǎo)致產(chǎn)品功能的缺失。需要考慮幾個(gè)重要的決定，因?yàn)檫@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。客戶和承包商應(yīng)在進(jìn)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(diǎn)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(shè)置過于嚴(yán)酷，必須被減輕。注釋導(dǎo)致失效的原因，并減輕對應(yīng)失效機(jī)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(jìn)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(yán)酷度，在充分的篩選嚴(yán)酷度和可能存在的產(chǎn)品損傷之間達(dá)成平衡的基礎(chǔ)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(gè)篩選器設(shè)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(gè)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)余量，也給制造商更多信心可安全地補(bǔ)充進(jìn)行再篩選。

5 運(yùn)行HASS/HASA

5.1 HASS的運(yùn)行

連續(xù)的產(chǎn)品流從生產(chǎn)線上卸下，緊接著進(jìn)行所有功能檢查操作后被轉(zhuǎn)移到HASS/HASA設(shè)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(jìn)行電氣連接、適當(dāng)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(jìn)過程。在整個(gè)生產(chǎn)期間持續(xù)進(jìn)行100%篩選的情況，其改進(jìn)過程應(yīng)直接作為控制圖表 的過程反饋出來。HASS代表了一個(gè)機(jī)會去解決所有的制造商/供應(yīng)商的問題而不將問題傳遞給客戶，同時(shí)保證一定的生產(chǎn)率。當(dāng)問題都被解決，生產(chǎn)率提升后，HASS就預(yù)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(gè)過渡期。這個(gè)過渡期的持續(xù)時(shí)間和轉(zhuǎn)化點(diǎn)受生產(chǎn)率增長或受問題解決率的支配。

應(yīng)該用斷然的措施解決隱藏的問題，有利于提高生產(chǎn)效率。可以確定滿產(chǎn)的5%至10%參與篩選。要過計(jì)算預(yù)先準(zhǔn)備試驗(yàn)箱和安裝夾具。如有需要，則應(yīng)準(zhǔn)備第2套夾具。如 果問題均得到了及時(shí)的解決，滑行路徑將僅由生產(chǎn)增長率決定。應(yīng)設(shè)置滿產(chǎn)點(diǎn)的5%到10%篩選比例為指標(biāo)。需要的試驗(yàn)箱體和夾具應(yīng)提前計(jì)算好以確保按計(jì)劃執(zhí)行進(jìn)程。這樣做有助于幫助指導(dǎo)，如要求多備一套夾具的情況。

5.3 HASA的運(yùn)行

滑行路徑應(yīng)聚合到一個(gè)篩選稽核過程。一個(gè)產(chǎn)品試樣將被周期性地從生產(chǎn)線上卸下，緊接著進(jìn)行所有功 能檢查操作后被轉(zhuǎn)移到HASS/HASA設(shè)施所在的區(qū)域。受試樣品應(yīng)安裝在篩選的夾具上，進(jìn)行電氣連接、適當(dāng)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(shí)間的產(chǎn)出可使用控制圖表理論繪出。控制圖表應(yīng)直接指示出作用、反饋，產(chǎn)出圖線值。一個(gè)改善的產(chǎn)出率隨時(shí)間的預(yù)期值應(yīng)驅(qū)動一個(gè)連續(xù)的改進(jìn)過程。對超出控制的積點(diǎn)的反饋應(yīng)迅速，并接通所有資源進(jìn)行。超出控制的積點(diǎn)表示了日間噪聲存在一個(gè)清晰信號。應(yīng)對這些信號進(jìn)行正當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。對于控制極限（噪 聲）范圍內(nèi)的變化應(yīng)根據(jù)變量的理解進(jìn)行適度反應(yīng)，不應(yīng)干擾到連續(xù)改進(jìn)的方向。統(tǒng)計(jì)上的重大走向在控制極限范圍內(nèi)的應(yīng)嚴(yán)肅地進(jìn)行直接反應(yīng)。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(yīng)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(gè)圖線節(jié)點(diǎn)。建議每個(gè)圖 線節(jié)點(diǎn)使用40個(gè)至50個(gè)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(gè)或更多，則較少的樣本數(shù)是可以接受的。筆者認(rèn)為保持控制圖線應(yīng)與篩選操作同樣重要，這些圖標(biāo)將指導(dǎo)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(biāo)進(jìn)行獨(dú)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(guān)注的問題的相關(guān)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(dǎo)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(yīng)考慮帕累托圖的三種形式：在多模塊試驗(yàn)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(xué)的原因？在篩選圖形的哪個(gè)部分發(fā)現(xiàn)這些問題？

7 定期再運(yùn)行HALT（Re-HALT）

1）定期Re-HALT程序被設(shè)計(jì)用以保證設(shè)計(jì)余量，篩選過程正是基于此，保證設(shè)計(jì)余量不會隨時(shí)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(xiǎn)，因?yàn)榍懊嫠C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(gè)工作極限參數(shù)，對取自生產(chǎn)過程一個(gè)樣品的兩個(gè) 部件進(jìn)行評估。對每個(gè)參數(shù)，將這些工作極限與平均值的95%置信區(qū)間下界進(jìn)行比較。在稱為“為HASS/HASA準(zhǔn)備的HALT”的章節(jié)中，70%的置信區(qū)間被計(jì)算，現(xiàn)在，T分?jǐn)?shù)值必須增加到95%確定度。95%置信度的T分?jǐn)?shù)值是2.92。例：續(xù)前例假設(shè)上限工作溫度的Xbar量值為+78.33℃，且標(biāo)準(zhǔn)差為7.63℃。此例中95%置信區(qū)間的下限是：

在產(chǎn)品的2個(gè)樣品上進(jìn)行Re-HALT，得到上限溫度工作極限的平均值為+70℃。需要標(biāo)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(yàn)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(shè)計(jì)余量：如果Re-HALT的3個(gè)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(fù)缺失的設(shè)計(jì)余量。如果在這些設(shè)計(jì)余量上不存在改進(jìn)可能，則應(yīng)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(jìn)行Re-HALT的頻率：Re-HALT過程應(yīng)在將 近每9個(gè)月到1年內(nèi)進(jìn)行一次。然而，如果持續(xù)出現(xiàn)篩選量降低的趨勢，Re-HALT應(yīng)更頻繁地發(fā)生。

8 結(jié)論

高加速應(yīng)力篩選(HASS)和稽核(HASA)是在高加速壽命試驗(yàn)(HALT)基礎(chǔ)上跟進(jìn)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(shí)間使用驗(yàn)證周期和實(shí)驗(yàn)代價(jià)，結(jié)合產(chǎn)品的改進(jìn)，有效提高產(chǎn)品的耐用性。

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