某航空電子設備的HALT方案設計與實施

李賢靈，李高生

（中電科航空電子有限公司，成都 610000）

LI Xian-ling,LI Gao-sheng

(China Electronics Technology Group CorporationAvionics(CETCA),Chengdu,610000,China)

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某航空電子設備的HALT方案設計與實施

李賢靈，李高生

（中電科航空電子有限公司，成都 610000）

目的 研究針對某民用航空機載電子設備的HALT方案與實施，以此提高該設備的固有可靠性。方法 基于環境應力和失效的統計分布關系，結合某民用航空機載電子設備的特點，設計針對性的HALT方案，并實施HALT實驗。結果 發現多個設計缺陷，并完成整改，極大地提高了該民用航空機載電子設備的可靠性。結論 通過設計針對性HALT方案與實施，發現設計缺陷，并進行設計改進，可以有效提高設備的可靠性。

航空電子設備；可靠性；HALT；HASS

LI Xian-ling,LI Gao-sheng

(China Electronics Technology Group CorporationAvionics(CETCA),Chengdu,610000,China)

可靠性差是導致我國航空電子產品相對國外同類產品差距的一個主要因素，我國航空電子產品可靠性差的主要原因除我國電子工業基礎產品（即電子元器件）的可靠性差外，還包括我國航空電子產品的可靠性設計經驗欠缺等因素[1]。

20世紀80年代開始，以美國Gregg K.Hobbs為代表，提出了高加速壽命試驗（HALT）和高加速應力篩選（HASS）技術，該技術通過使用高于現場環境的應力，暴露產品技術設計和工藝設計的缺陷和薄弱環節，并通過失效分析，采取設計改進措施不斷增加產品的健壯性，最終提高產品的可靠性[2]。目前，在國外HALT技術已經成為用于指導設計人員進行健壯設計的成熟技術，成為每個電子產品研制流程中必不可少的一個環節[3]。在國內HALT技術也在通訊、能源、航空和航天等領域逐步開展，但由于國內可靠性領域對HALT技術的研究起步較晚，且無標準可循，HALT技術的應用基本處于跟蹤和典型產品的初步應用狀態[4]。

文中對國內某民用航空機載電子設備，基于環境應力和失效的關系統計分布，結合該設備設計、工藝及結構等特點，設計了針對性的HALT方案，進行HALT試驗，暴露設計缺陷，完成設計改進，并根據HALT結果制定了該設備HASS剖面，極大地提高了該設備的可靠性。

1　環境應力和失效因素的關系

對許多電子設備故障的調查表明，大多數電子設備的故障（失效）在本質上屬于機械故障。通常，它們包括焊點、引線、器件、電路板、氣密密封、黏結面、連接器和電纜的破裂；在制造工藝粗糙、設計實踐欠佳和維修不當的條件下，這些故障常常是由綜合的熱、振動、沖擊、濕氣等環境的各種組合引起[5]。

由圖1中數據可見[6]，在各種應力影響之中，溫度和振動環境應力所引發的失效占所有環境應力引發失效的約68%左右，溫度和振動應力已表現為電子設備故障的主要環境應力。

圖1　環境應力和失效因素的關系Fig.1　Relationship between environmental stress and failure factors

HALT技術正是通過對試驗設備系統地施加步進或綜合應力（溫度應力和振動應力），同時附加電源周期通斷應力來快速激發設備的設計缺陷，暴露薄弱環節，從而在短期內為設備改進設計提供信息，提高設備的固有可靠性［7—15］。

2　HALT方案設計

2.1產品特點分析

該民用航空電子設備裝備于民用大型飛機電子設備艙，工作環境惡劣（壽命期間內需頻繁經歷高低溫環境、快速溫度變化和劇烈振動等環境應力），且該設備可靠性要求高，同時是國內首次研制，設計師的設計經驗和產品制造的工藝設計水平都是未知數。

在設計上該設備使用了大量表面安裝無引線陶瓷芯片載體器件（如陶瓷電容、晶振等），這些器件安裝在環氧玻璃纖維PCB上有可能是不可靠的。統計表明，溫度是導致產品失效的最主要因素。在熱循環條件下，PCB與安裝在 PCB上的各種元器件之間熱膨脹系統的差別能夠產生偏移差，這些偏移差在元器件本體、引線、引線中的焊點，可能產生很高的應力。由于材料的熱膨脹之差將大到足以在焊點中產生高的應變和應力，從而可能導致許多焊點故障。

該設備還有直接購買的部分功能模塊，其內部還有射頻連接器、SIM卡槽等容易發生故障的機械結構。PCB設計和產品制造加工采用外協的方式，其設計和制造工藝水平需進行評估。此外，為開拓國際民機市場，還需同國外成熟的產品進行競爭，這就要求該設備在保證功能、性能的前提下，具備更高的可靠性。

2.2需HALT評估環節

通過以上對該民用機載航空電子設備的產品特點分析，采用HALT技術對該設備的以下因素進行評估，以保證其可靠性。

1）確定設備的性能裕度：電應力規范極限；低溫工作極限；高溫工作極限；振動工作極限；低溫破壞極限；高溫破壞極限；振動破壞極限。

2）工藝和結構設計水平：設備整體環境設計性能評估；射頻連接器和SIM卡槽的振動環境工作性能評估；PCB工藝設計水平；外購模塊設計和外協工藝水平。

3）設備的薄弱環節和潛在缺陷：確定設備薄弱環節的失效模式；尋找設備的潛在缺陷；確定失效對應的失效應力；快速發現產品的設計裕度。

2.3HALT項目

為評估以上因素，基于HALT的通用試驗項目，結合設備試驗需求和產品特點，針對性地設計了以下的HALT方案：

2.3.1基本環境電應力試驗

目的：確定設備是否滿足設計工作環境規范要求（高低溫工作環境、電應力工作環境），若設備失效，則必須閉環整改，同時確定設備的高低溫溫度穩定時間，用于確定后續試驗中高低溫溫度保持時間，其試驗剖面如圖2和圖3所示。

為保證試驗的準確性，采用熱電偶對試驗件內部關鍵發熱器件和質量相對大的器件溫度進行測量，依此分別確定高低溫溫度穩定時間。

圖2　高低溫環境工作性能檢測Fig.2　High and Low temperature performance test

圖3　基本電應力性能檢測Fig.3　Basic electrical stress test

2.3.2低溫步進工作極限試驗

目的：檢測設備在低溫下的性能退化特性，并確定產品的低溫工作極限，激發產品在低溫工作環境下的潛在缺陷，評估產品的低溫工作裕度，其試驗剖面如圖4所示。其中每個步進低溫溫度保持時間數據來自“基本環境電應力試驗”。

圖4　低溫步進工作極限試驗Fig.4　Low temperature working limit step test

2.3.3高溫步進工作極限試驗

目的：檢測設備在高溫下的性能退化特性，并確定產品的高溫工作極限，激發產品在高溫工作環境下的潛在缺陷，評估產品的高溫工作裕度，其試驗剖面如圖5所示。其中每個步進高溫保持時間數據來自“基本環境電應力試驗”。

圖5　高溫步進工作極限試驗Fig.5　High temperature working limit step test

2.3.4振動步進工作極限試驗

目的：檢測設備在振動環境下的性能退化特性，并確定產品的振動工作極限，激發產品在振動工作環境下的潛在缺陷，評估產品的振動工作裕度，其試驗剖面如圖6所示。振動步進保持時間最少10 min，可根據故障檢測所需的時間而適當延長。

圖6　振動步進工作極限試驗Fig.6　Vibration working limit step test

2.3.5低溫步進破壞極限試驗

目的：檢測設備在低溫下的性能退化特性，并確定產品的低溫破壞極限，進一步激發產品在低溫工作環境下的潛在缺陷，評估產品的低溫工作破壞裕度，其試驗剖面如圖7所示。其中每個步進低溫保持時間數據來自“基本環境電應力試驗”，低溫工作極限數據來自“低溫步進工作極限試驗”。

圖7　低溫步進破壞極限試驗Fig.7　Low temperature destruction limit step test

2.3.6高溫步進破壞極限試驗

目的：檢測設備在高溫下的性能退化特性，并確定產品的高溫破壞極限，進一步激發產品在高溫工作環境下的潛在缺陷，評估產品的高溫工作破壞裕度，其試驗剖面如圖8所示。其中每個步進高溫保持時間數據來自“基本環境電應力試驗”，高溫工作極限數據來自“高溫步進工作極限試驗”。

圖8　高溫步進破壞極限試驗Fig.8　High temperature destruction limit test

2.3.7振動步進破壞極限試驗

目的：檢測設備在振動環境下的性能退化特性，并確定產品的振動破壞極限，進一步激發產品在振動工作環境下的潛在缺陷，評估產品的振動工作破壞余量，其試驗剖面如圖9所示。振動步進保持時間最少10 min，可根據故障檢測所需的時間而延長，振動工作極限數據來自“振動步進工作極限試驗”。

圖9　振動步進破壞極限試驗Fig.9　Vibration destruction limit step test

2.3.8快速溫度循環應力試驗

目的：暴露由于設備所用器件材料熱膨脹系數不同而引起的尺寸變化，以及伴隨而來的材料特性和密閉性的變化；評估產品的抗劇烈溫變能力，以及產品工藝設計的薄弱環節，若發生故障，需閉環整改，其試驗剖面如圖10所示。以至少50℃/min的變化速率（或更大）執行溫度循環，高溫溫度為“高溫工作極限-10℃”，低溫溫度為“低溫工作極限+5℃”，其高低溫溫度保持時間數據來自“基本環境電應力試驗”。

在升溫階段，設備通電并以最大功率工作，保證設備內部的升溫速率；在降溫階段，設備斷電，使設備的熱量盡快散發，保證設備內部的降溫速率。受試設備六個面開通風孔，在試驗過程中需將HALT箱體提供的可調節活動風管引至試驗設備通風孔正上方5 cm處，使設備內部與試驗環境進行充分的熱交換，達到規定的溫度變化速率。

圖10　快速溫度循環應力試驗Fig.10　Fast temperature cycling stress test

2.3.9綜合環境應力試驗

目的：通過將快速溫變的試驗剖面結合隨機振動環境同時進行，提高加速應力的效果。評估設備的抗綜合環境能力，以及設備工藝設計的薄弱環節，若發生故障，需閉環整改，其試驗剖面如圖11所示。溫度循環應力剖面參數同“快速溫度循環應力試驗”參數一致；振動應力步長重復5個循環，以振動工作極限的20%為增量來增加，駐留時間為15 min。

圖11　綜合環境應力試驗Fig.11　Comprehensive environmental stress test

2.4HALT試驗件

考慮到經濟性和產品研制成本，采用兩臺試驗件進行試驗，其中一臺用以評估產品的功能性能設計水平和設計裕度，另一臺用以評估產品的工藝設計及產品制造水平。結合產品特點以及所確定的HALT項目，根據各個試驗項目的目的和所要揭發故障的特點，對試驗樣件進行HALT項目分配，見表1。

表1　HALT試驗順序和樣件分配Table 1　HALT test sequence and sample distribution

文中假定單臺試驗的可靠性水平可以反映該設備的整體可靠性水平。由于產品元器件質量層次不齊和加工制造等因素導致個別產品提前失效和可靠性水平不一致的問題，由該設備的制造符合性檢查（如元器件符合性檢查、工藝和工藝過程符合性檢查）和ESS/HASS來保證。研究通過HALT技術來提高該設備的整體可靠性水平。

3　HALT實施要求

1）溫度系統要求：溫度精度 ±2℃；溫度范圍至少覆蓋-80℃～+130℃；溫度控制方式為產品控制和出風口控制；溫度過沖小于5℃；能夠提供出風口活動風管。

2）振動系統要求：能夠提供10～5000 Hz的寬頻帶隨機振動；同時提供3軸6自由度的隨機振動（如圖12所示）；最大加速度不低于50g；能夠同時提供溫度和振動的綜合環境條件。

圖12　三軸六自由度的隨機振動Fig.12　Random vibration of three axis and six degree

4　HALT試驗實施

HALT試驗選取QualMark Typhoon 4.0試驗箱進行，該試驗箱能夠滿足HALT方案的實施要求。該振動臺的臺面是彈性支撐，臺面下多個氣錘按不同角度產生隨機振動，合成6個自由度的隨機振動，如圖13所示。

圖13　振臺臺結構Fig.13　Structure of vibration table

5　HALT結果數據

通過HALT試驗，共發現軟件設計故障5項，硬件故障4項，工藝設計缺陷1項，薄弱環節4處，并提出合理化改進建議3項。對故障進行失效分析和設計改進，在基本技術極限范圍內提高了設備的設計工作裕度，低溫工作極限提高10℃，高溫工作極限提高15℃，振動工作極限提高12.5g，一定程度上提高了該設備的可靠性。

6　HASS初始程序

通過對該設備的薄弱環節、潛在缺陷和邊界裕度進行評估和改善，增加了該設備的工作極限和破壞極限裕度，提高了設備的可靠性。同時根據HALT確定的工作極限數據和破壞裕度制定初步的HASS程序[16]，如圖14所示。低溫應力強度取低溫工作極限+5℃，高溫應力強度取高溫工作極限-10℃。

圖14　HASS初始程序Fig.14　HASS initial program

在執行HASS之前，還需要對“HASS初始篩選程序的有效性和安全性”進行驗證評估。通常將初步的HASS程序重復運行直至設備失效，統計篩選剖面的重復運行次數來評估此HASS程序的執行是否會過多地消耗產品的實際壽命。

7　結語

基于環境應力和失效的關系統計，針對國內某民用航空機載電子設備，結合其設計、工藝及結構等特點，設計了針對性的HALT方案。通過對該設備實施HALT試驗，在短時間內獲得了設備的高低溫及振動的工作極限應力值，同時暴露了該設備在其他可靠性試驗中不易暴露的潛在故障。通過對HALT試驗中暴露的軟硬件故障、工藝設計缺陷和薄弱環節進行設計改進，提高了該設備的可靠性。此外，根據該設備HALT數據制定了HASS剖面，從而為HALT技術在民用航空電子設備的工程實施提供了一種示例，為國內電子設備進行HALT方案設計和試驗實施提供了一種參考，對提高國內航空電子設備的可靠性具有一定的應用和參考價值。

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Design and Implementation of HALT Scheme for an Avionics

Objective To study the HALT scheme and the implementation of a civil aviation airborne electronic equipment and improve the reliability of the equipment.Methods Targeted HALT scheme was designed based on the statistical distribution of environmental stress and failure and in combination with the characteristics of a civil aviation airborne electronic equipment, and HALT test was carried out.Results After discovering several design defects and making rectifications thereof,the reliability of the airborne electronic equipment of the civil aviation was greatly improved.Conclusion Through the design of targeted HALT scheme and the implementation thereof,we have found the design defects and made improvements accordingly,with which the reliability of the equipment can be effectively improved.

avionics;reliability;HALT;HASS

2016-03-30；Revised：2016-04-07

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.019

TJ02

A

1672-9242(2016)04-0117-07

2016-03-30；

2016-04-07

李賢靈（1984—），男，山西平遙人，工程師，主要研究方向為機載電子設備可靠性和測試性。

Biography：Xianling Li(1984—),Male,from Pingyao,Shanxi,Engineer,Research focus:reliability and testability of airborne electronic equipment.