多媒體HALT試驗及結果分析

余天剛,李志強

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，保定 071000）

概述

HALT（Highly Accelerated Life Testing）試驗是通過施加溫度、振動、電應力等綜合應力，能快速發(fā)現產品的設計極限，暴露產品在可靠性設計方面的薄弱環(huán)節(jié)，目前該試驗方法在軍工、航空、航天領域運用較為普遍，汽車等民品行業(yè)也逐漸認可并使用，汽車行業(yè)中GM于2001年引入HALT試驗，FORD于2002年引入，BMW于2003年引入，我國于2012年發(fā)布了GB/T 29309-2012《電工電子產品加速應力試驗規(guī)程高加速壽命試驗導則》，將HALT試驗的方法及規(guī)程進行明確。在GB/T 34986-2017/IEC 62506：2013《產品加速試驗方法》中，將HALT與高壓蒸煮、熱沖擊及其他的定性加速試驗作為同類試驗，明確這類試驗只能識別潛在的失效模式，意味著通過這類試驗我們會發(fā)現系統中大部分的部件是健壯的，但是有個別部件或者設計細節(jié)與其他部件相比比較弱，找到這些部件或者設計細節(jié)并改進，這就是HALT的意義。

1 案例分析

1.1 HALT試驗總體要求

選取某車型的多媒體系統依據GB/T 29309-2012《電工電子產品加速應力試驗規(guī)程高加速壽命試驗導則》開展HALT試驗，本試驗選取美國Qualmark公司生產的typhoon2.5型HALT試驗系統，試驗項目包含低溫步進試驗、高溫步進試驗、高低溫循環(huán)試驗、振動步進試驗、綜合應力試驗，由于各項試驗均對樣品具有破壞性，故選取10個樣品，分為5組，每項試驗2個樣品，試驗前測試樣品全部功能，各個項目在測試過程中持續(xù)通電13.5 V并檢測相關功能，試驗中每階段的前25 min，選擇“收音機（FM/AM）、CD/DVD、USB播放、藍牙播放”中一種功能連續(xù)播放，持續(xù)觀察樣品工作狀態(tài)；每個階段的最后5 min測試所有需測試的功能，見表1，所有功能應工作正常，一旦出現無法恢復性功能失效，立即停止試驗并開展失效分析。

1.2 高溫步進試驗

高溫步階從+20 ℃開始，每個步階為+20 ℃，增至80 ℃后每個步階為5 ℃，每個步驟駐留時間30 min，在駐留時間的最后5 min內完成功能測試并在功能測試后進行3次上、下電操作，直至確定操作極限。

樣品安裝方式和位置見圖1所示，按上述試驗條件進行試驗和功能測試，溫度步進運行曲線見圖2所示。

試驗運行至100 ℃后，導航反應遲鈍，110 ℃后藍牙連接困難，120 ℃停止工作，恢復至95 ℃，異常消除，各樣品試驗結果見下表2，通過查閱導航模塊芯片技術參數：90 ℃下可正常工作，故多媒體的高溫工作極限為95 ℃。

表1 功能要求

圖1 樣品安裝方式和位置

1.3 低溫步進試驗

低溫步階從-20 ℃開始，每個步階為5 ℃，每個步驟駐留時間30 min，在駐留時間的最后5 min內完成功能測試并在功能測試后進行3次上、下電操作，直至確定操作極限，溫度步進運行曲線見圖3所示。

試驗運行至-60 ℃后，藍牙無法識別，-100 ℃時出現無法啟動，恢復-55 ℃，藍牙異常消除，恢復-50 ℃，功能全部正常，各樣品試驗結果見下表3。故多媒體的低溫工作極限為-50 ℃。

1.4 溫度循環(huán)試驗

從常溫20 ℃開始，溫度循環(huán)的高、低溫度極限設定為多媒體操作極限的85 %，即-47～81 ℃，溫變率60 ℃/min，每個高低溫溫度點駐留30 min，共計執(zhí)行5個循環(huán)。在每個駐留時間的最后5 min內完成功能測試并在功能測試后進行3次上、下電操作。溫度運行曲線見圖4所示。

圖2 高溫步進運行曲線圖

表2 試驗結果

試驗過程中兩個樣品均工作正常。

1.5 振動步進試驗

1.5.1 試驗過程及結果

設定XY為水平面，X方向為車頭方向，樣品與水平面夾角為61.9 °，與YZ平面夾角為29.6 °，振動步階從5 Grms開始，每個步階為5 Grms，每個步驟駐留時間30 min，在駐留時間的最后5 min內完成功能測試并在功能測試后進行3次上、下電操作，直至確定操作極限。試驗過程中，當樣品功能出現異常時，將振動應力恢復至上一應力點，檢測其是否正常工作，一旦出現不可恢復失效，立即進行失效分析。樣品安裝方式和位置見下圖5所示，振動步進運行曲線見圖6所示。

試驗運行至60 Grms時多媒體停止工作，振動停止后不可恢復，各樣品試驗結果見下表4，故多媒體的振動工作極限為55 Grms。

圖3 低溫步進運行曲線圖

表3 試驗結果

1.5.2 失效分析

圖4 溫度循環(huán)運行曲線圖

圖5 樣品安裝方式和位置

圖6 振動步進運行曲線圖

對上述兩個失效無法恢復的樣品進行失效分析，首先對樣品進行外部目檢。經觀察可見：兩只樣品外殼均未見開裂、螺絲脫落現象，晃動樣品，可聽見元器件滾動聲音。打開兩個樣品，看見A5樣品內部有2只電感及3只電容已經脫落，無其它異常形貌，A6樣品有1只電感和2只電容脫落，無其它異常形貌。脫落元器件信息表見表5。

表4 試驗結果

表5 脫落元器件信息表

為確認A5、A6樣品元件脫落原因，對各脫落元件的引腳斷口進行SEM形貌觀察分析，經檢查發(fā)現：A5樣品脫落元件斷口有不同程度的磨損，推測其原因可能是元件在斷口之后繼續(xù)進行振動試驗造成，其典型圖片見圖7，分析引腳能譜，發(fā)現并無其它污染、腐蝕性元素，見圖8。

對A5樣品板上4#元件PCB位置引腳斷裂處進行剖面制樣，進行觀察可發(fā)現引腳與焊點已形成裂縫，同時對引腳與焊錫之間的IMC層進行觀察，發(fā)現IMC層厚度正常（測量值分別為：1.1 um、1.74 um、2.33 um）見圖9，A5樣品PCB板4#位置電感引腳互聯處剖面SEM觀察到明顯開裂，斷裂處無明顯異常元素，電感開裂的位置在其最脆弱的結構處IMC層，且焊點未見空洞、IMC層厚度不當等工藝異常，因此該處裂開表明已到材料能耐受的極限值。

圖7 A5樣品脫落3#電容引腳放大形貌

圖8 A5樣品脫落3#電容某區(qū)EDS譜圖

圖9 A5樣品PCB板4#位置電感引腳互聯處IMC形貌

觀察A6樣品PCB板上1#位置電容引腳斷口形貌，呈現典型的脆性斷裂形貌，觀察3#電感位置焊點焊錫與引腳之間IMC形貌，發(fā)現IMC層厚度正常（測量值分別為：744.3 um、1.600 um、3.126 um），見圖10，A6樣品內部斷口形貌呈現典型的脆性斷裂形貌特征。另外兩個樣品各脫落元器件主要為有一定尺寸和重量的元器件（事實上在實際應用中，這類大小的器件很少見到有因其自身重量導致焊點在振動條件下開裂的），且位置恰好位于PCB板的邊緣，這些位置在應用過程中會受到比其它位置更大的應力，表明兩個樣品均是由于振動試驗過程中過應力導致元件引腳斷裂、脫落。

1.6 綜合應力試驗

1.6.1 綜合應力試驗1

先采取略高于樣品技術要求的試驗條件，并結合前期步進試驗的結果，確定綜合試驗條件，用于驗證樣品能否滿足設計值。設定振動強度為5 Grms，溫度循環(huán)為-50～90 ℃，每個高低溫溫度點駐留30 min，共計執(zhí)行5個循環(huán)。在每個駐留時間的最后5 min內完成功能測試并在功能測試后進行3次上、下電操作。試驗運行曲線見圖11所示。

圖10 A6樣品PCB板3#位置電感引腳互聯處IMC形貌

圖11 綜合應力試驗運行曲線圖

試驗過程中藍牙出現反應慢、播放連接不穩(wěn)定問題，試驗停止恢復常溫后工作正常。詳細試驗結果見下表6，藍牙模塊可能為產品的薄弱環(huán)節(jié)。

1.6.2 綜合應力試驗2

采取接近樣品操作極限的試驗條件，驗證樣品能否承受該綜合條件，會出現何種故障現象，一旦出現不可恢復失效，立即進行失效分析。設定振動強度為40 Grms，溫度循環(huán)為-50～90 ℃，每個高低溫溫度點駐留30 min，共計執(zhí)行5個循環(huán)。在每個駐留時間的最后5 min內完成功能測試并在功能測試后進行3次上、下電操作。試驗運行曲線見圖12所示。

試驗過程各個循環(huán)均有功能異常，主要為導航反應慢，FM反應慢，無USB，屏幕閃爍、黑屏，USB聲音輸出正常，空調、FM、USB功能自動切換，藍牙連接困難等，試驗停止恢復常溫后工作恢復正常。

2 結論

表6 試驗結果

圖12 綜合應力試驗運行曲線圖

通過以上HALT試驗及失效分析可以發(fā)現，多媒體在藍牙及導航功能出現異常較多，存在改善空間，查閱藍牙IC（件號，BC63B239A）、GPS IC（件號，UBXG6010）的規(guī)定工作溫度范圍為-40～85 ℃。當試驗條件超過其器件的工作溫度后，就可能引起晶振停振、器件不工作等現象，導致發(fā)生失效。

本試驗中樣品在高溫95 ℃，低溫-50 ℃內將不會發(fā)生故障，振動量級在55 Grms以下時，短時間內將不會發(fā)生故障（裕量越大，所需時間越長）。同時，樣品在溫度沖擊條件下未見異常，表明樣品及其內部各處互聯界面連接較好，且因CTE匹配導致風險較??；根據振動應力的試驗結果，樣品失效因機械應力失效，失效機理與試驗預期相符，其失效時的加速應力量級要遠大于產品的實際條件（2.7 g），應力裕量空間較大，因此樣品的的結構設計在實際工作條件下抵抗振動應力的能力較強，設計強度能滿足實際要求。

3 結束語

本文以車載多媒體HALT試驗為例對整個HALT試驗的設計及失效分析過程進行了詳細的說明，為發(fā)現系統中計細節(jié)的薄弱部分提供一種實例參考。針對HALT應力應該設置到什么程度的判斷標準是不改變失效機理，即試驗故障機理是能在市場上出現的，針對HALT試驗中的故障，需要開展根因分析，一旦發(fā)現產品存在設計上的薄弱點，沒有達到設計要求，那么在日常的使用環(huán)境下類似的故障還會出現，一定要考慮進行性能提升。