高加速壽命試驗技術發展現狀及應用展望

張鑫，韓建立，趙建印，王瑤，關鐵男

（1.海軍航空大學 岸防兵學院，山東 煙臺 264001；2.91614 部隊，遼寧 大連 116044）

高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Testing, HALT）是由美國科學家G.K.Hobbs 博士于1988 年首次提出，主要適用于產品研制階段。作為制造工業中改進設計、優化性能、加快研制速度、提高產品競爭力的有效手段，目前國外已將HALT技術廣泛應用于電子信息、機械制造、醫療衛生、航空航天和交通能源等領域，在軍事上也有應用的先例。比如美國著名軍機制造商波音公司就在20 世紀90 年代研發新一代戰機的過程中，針對軍機更新換代周期加快的現實背景，為保持美國的技術領先優勢在軍機研制過程中應用了高加速壽命試驗技術[1]。文中主要從HALT 的國內外研究現狀、基本原理和方法以及高加速壽命試驗與加速壽命試驗的區別等三個方面進行綜述分析，為我國HALT 技術的研究，提供整體發展思路與建議。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

目前，美國在高加速壽命試驗的技術原理、試驗方法和實際應用等方面走在了世界的前列，關于HALT 的一些基本概念和標準基本上都由美國科學家提出和制定，并且得到了國際上的普遍認可，其中美國科學家G.K.Hobbs、K.A.Gray 和 L.W.Condra等人最早開始從事研究如何利用強化應力激發缺陷的方法快速有效地暴露設計薄弱環節和剔除制造工藝缺陷的試驗技術，并將他們所研究的試驗方法稱為高加速壽命試驗（HALT, Highly Accelerated Life Test）和高加速應力篩選（HASS, Highly Accelerated Stress Screen），給出了被學術界普遍接受的定義，HASS 主要應用于產品生產制造階段[2]。

在HALT 技術的實際應用方面，HALT 作為一項重要的服務內容存在于國外設計試驗公司中。比如美國Garwood Labratories 公司，它主要面向的企業有國防合約商Raytheon 公司、飛機制造商Boeing 公司，也為Northrop Grumman 公司、Meggitt Safety Systems公司等其他軍工企業的產品研發提供HALT 服務，其他客戶還有 TRW、GMATV、Breed 等交通公司和SONY、Tecstar、TEAC、AAIe 等一般民用產品制造公司。再如美國的MCMS 公司專門為復雜印制電路板系統提供質量保證和驗證試驗等工作，HALT、HASS 都是試驗工程中重要的試驗內容。除了美國之外，歐洲的一些公司比如德國的TUV Provide Service公司也把HALT 作為一種重要的服務提供給客戶，用以提高產品可靠性。更重要的是，國外對HALT 應用高度商業化，特別是對于電子產品的制造商們來說，HALT 在提高產品可靠性、保障產品質量上具有很高的經濟價值這一觀念已經深入人心，紛紛把HALT 作為改進和優化產品以提高產品競爭力的重要技術手段。比如美國AMPRO 公司和DATEL 電子制造公司以及人們熟知的福特公司、惠普公司，它們現在所開發和生產的新產品都要反復采用HALT 技術，查找產品的潛在缺陷來使產品在盡可能短的時間內具有較高的可靠性，并加快產品更新換代研制步伐。

在學術研究方面，國外關于高加速壽命試驗的學術活動也非常活躍，而且并不局限于科研單位，很多商家也積極主辦HALT 學術會議。國外大部分工學院把HALT 試驗作為可靠性試驗教學中一項重要內容，另有相當數量參與研究高加速試驗技術的公司或實驗室，近幾年依然成果豐碩，比如QualMark 公司對高加速壽命試驗的測試目的進行了研究[3]，Mike Silverman 建立了HASS 試驗剖面圖常用的4 種方法，分別是采用預先植入缺陷的樣本、小的樣本數、大的樣本數和只對產品有限樣本進行篩選的HASS 篩選方案的制定和優化[4]。Anderson J.A.和Polkinghcome M.N.對高加速壽命試驗在現代化工業領域的應用作了具體闡述[5]。Alexander J.Porter 研究了如何將HALT 應用到電子產品的設計，并提高電子產品的可靠性[6]。美國Entela 公司開發的專利技術——失效模式驗證試驗（FMVT，Failure Mode Verification Testing），作為一種新的可靠性強化技術在一定程度上還有優于HALT 的地方。

1.2 國內HALT 研究現狀

從國內研究來看，目前國內對HALT 研究還主要局限于理論與技術的跟蹤研究，由于試驗技術和設備等因素的限制，還沒有在產品研發改進中形成成熟的商業化應用模式，工程價值有待進一步挖掘。國外對我國相關設備引進采取的限制措施，阻礙了HALT 技術在我國的研究與應用。目前，國防科技大學、浙江大學和北京航空航天大學的可靠性實驗室在HALT研究和應用方面取得了一定成果，國內其他單位尚未見到在HALT 領域的突破性研究報道[7-8]。

經過二十多年的跟蹤研究，國內對HALT 的研究仍取得了不少成果，主要集中在試驗理論的發展和試驗方案的設計。比如，祝耀昌[9]、褚衛華[10]、史曉雯[11]等對HALT 技術原理和試驗流程作了詳細的概述，研究內容包括HALT 的試驗目的、試驗順序、試驗設備的選擇和試驗剖面設計等，為HALT 的工程應用做出了理論指導。在HALT 的實際應用方面，國內的一些制造公司和科研機構為提高產品的可靠度也進行了大量的運用。晉李華、劉中華[12]以微波組件產品為例，通過抽樣選取樣本設計對產品進行低溫步進應力、高溫步進應力、快速溫變循環、溫度步進應力和綜合環境應力試驗，但沒有得到試驗結果。鮑近、周超等[13]設計了以提高智能電表可靠性為目的的HALT 方案，并且選取Typhoon4.0 設備測試試驗產品的數據，記錄了試驗參數，并且對各種應力引起的產品失效進行了統計分析。瓦鑫、潘榮榮、吳佳燕等[14]介紹了HALT 試驗在燈具上的應用和燈具在HALT 試驗下的失效形式，并且根據燈具工作環境，設定了應力參數范圍。閆玉潔、王曉紅等[15]將HALT 理論應用于特定型號車身控制器，給出了產品的參考HASS 剖面，并且根據受試產品實際情況，進行了試驗方案優化。在對試驗結果詳細分析的基礎上，針對受試產品的薄弱環節給出了合理化改進方案。HALT 在民用領域得到廣泛應用的同時，對軍用裝備開展高加速壽命試驗也取得了一定的進展。劉加凱、齊杏林等[16]提出了利用 HALT 中的有效信息來改進引信壽命評估的方法，拓展了HALT 的應用。韓少華、張延風等[17]結合某導彈武器系統研制工作引入了HALT。翁雷、劉慶民等[18]以軍用電子產品為研究對象，分析了傳統可靠性環境模擬試驗的弊端，通過實際的 HALT 試驗，闡述了試驗剖面設計及被試驗產品工作極限的確定方法，并采用美國環測公司EV70-LN2-X 溫度/振動試驗箱進行了實際試驗驗證了某批次軍用電子產品的性能。郭秀才、馮偉泉等[19]根據航天產品的特點，給出了HALT 中應力極限確定步驟和溫度控制方法，并通過對組件在溫度高加速環境中的失效分析，給出試驗終止的依據，將該方法在衛星典型電子組件上進行了應用研究。李賢靈、李高生等[20]基于環境應力和失效的統計分布關系，結合某航空機載電子設備的特點，設計了針對性的HALT 方案，并通過試驗發現多個設計缺陷，進行整改后，提高了該航空機載電子設備的可靠性。在實際工程應用方面，僅有幾家大公司開始關注高加速壽命試驗技術，并在其產品設計過程中得以運用。如華為公司在國防科技大學可靠性實驗室對其電子產品進行了此項試驗。總體來看，國內產品進行HALT 的商業化模式依然落后，經濟價值有待開發，并且試驗過程中方法各異，缺乏統一的標準。

2 HALT 基本原理及方法

2.1 試驗原理

2.1.1 進行HALT 的主要依據

在高加速壽命試驗（HALT）的試驗依據和原理的研究中，國外有專家認為HALT 的主要對象是產品的故障或失效，通過快速激發故障達到失效來獲取產品工作極限和破壞極限，這種依靠激發、分析和改進產品潛在缺陷提高試驗對象可靠性的主要依據是故障物理學。國外有試驗對金屬制品進行了測試，測試的目的是驗證強化應力對疲勞壽命的影響效果，結果表明，試驗應力強度每增加1 倍，疲勞壽命相應降低原來的99.99%。假如產品存在缺陷，缺陷處應力集中系數相比無缺陷處高約3 倍，疲勞壽命比無缺陷的產品低了好幾個數量級，這樣就使在相同的強化應力條件下存在缺陷的試驗件和無缺陷試驗件疲勞壽命有了很大區分度，有利于快速暴露試驗件缺陷并且使無缺陷試驗件免受損傷[21]。以上試驗結果清楚說明了HALT 試驗技術的基本原理，不僅驗證了強化應力激發產品缺陷的有效性，也證明了強化應力與正常環境下導致產品失效的各類缺陷存在相關性。

HALT 通過試驗快速激發潛在設計缺陷，經過改進提高產品可靠性，也可以通過試驗確定產品工作極限和破壞極限，進而為其他可靠性試驗提供依據，這可以認為是HALT 的主要目的。進行HALT 有幾個優點：一是HALT 可以縮短產品的研制周期，降低后續維修費用；二是HALT 可以快速發現潛在故障模式，并且快速確定工作極限和破壞極限，為確定應力量級、制定高加速應力篩選方案提供依據等[22]。

2.1.2 HALT 的應力極限

HALT 的一個重要目的是確定試驗樣品在各種應力下的極限。通過進行HALT 的設備，如高加速溫濕度老化箱、冷熱沖擊試驗箱、鹽霧試驗箱、高低溫濕熱交變試驗箱、溫度沖擊試驗機、振動試驗臺、恒溫恒濕試驗箱、快速溫度變化試驗箱等一系列試驗設備，進行步進應力試驗，分別確定試驗樣品的相關應力極限。工程運用中比較有價值的極限值主要是試驗件的工作極限和破壞極限。

以電子產品的HALT 中主要涉及的溫度和振動應力為例，在HALT 過程中按一定的方式施加步進應力，隨著步進應力的逐漸增強，在步進應力穩定階段測試試驗件的工作性能，發現試驗樣品的性能不再滿足技術規格的要求時，降低試驗應力強度，若試驗件仍能恢復正常性能，此時得到的試驗應力強度值稱為工作極限。被測對象的工作極限包括：工作極限上限（對于溫度應力，即為高溫工作極限）和工作極限下限（對于溫度應力，即為低溫工作極限）。需要注意的是，振動步進應力試驗中工作極限只取上限值[23]。

破壞極限的獲取方式與工作極限類似，一般而言，破壞極限的強度通常大于工作極限。因此在進行HALT 過程中，獲得工作極限后，繼續增加步進應力，直至試驗件的性能指標不再滿足技術規格的要求，并產生不可逆的性能喪失，則認為此時所承受的試驗應力強度值為所得的破壞極限。破壞極限包括破壞極限上限（對于溫度應力，即為高溫破壞極限）和破壞極限下限（對于溫度應力，即為低溫破壞極限）。同樣對于振動步進應力試驗而言，破壞極限只有上限值。HALT 的應力極限范圍如圖1 所示。

圖1 HALT 應力極限范圍Fig.1 Stress limit range of HALT

2.2 試驗方法

2.2.1 HALT 的基本流程

目前國內對高加速壽命試驗的應用，主要集中在電子和機電產品方面[24]，基本的流程如圖2 所示。

圖2 HALT 基本試驗流程Fig.2 Flow chart of basic test of HALT

2.2.2 HALT 的剖面設計

綜合國內外HALT 的研究現狀，HALT 的基本試驗過程一般可分為溫度步進應力試驗（分為高溫和低溫）、快速溫度變化試驗、振動步進應力試驗和綜合環境應力試驗[25]。在實施HALT 的過程中，為保證試驗結果可信，應該避免試驗件過早失效，因此應力施加順序應遵循先進行破壞性小的應力試驗，再進行破壞性大的應力試驗的原則。以電子類產品為例，按照高加速壽命試驗中常用溫度應力、溫度變化率、振動應力和綜合環境應力進行排序，設計HALT 試驗剖面為按照任務需要依次進行低溫步進應力試驗、高溫步進應力試驗、快速溫變試驗、振動應力試驗和綜合環境試驗[26]。

在進行HALT 過程中，常采用步進應力的方法，逐漸地增加應力值。通過試驗過程中測試試驗件的性能變化，尋找到產品的工作極限和破壞極限，而試驗過程中步進應力步長、步階等參數的確定主要根據美國科學家Gregg K.Hobbs 給出的建議值[27]。常見應力的建議步長見表1。

表1 HALT 常見應力建議步長Tab.1 Suggested step sizes of common stresses in HALT

3 高加速壽命試驗與加速壽命試驗的聯系與區別

加速壽命試驗（ALT，Accelerated Life Test）的定義最早由美國ROHM 航展中心于1967 年提出，并于20 世紀70 年代引入我國。加速壽命試驗是在不改變試驗件失效機理的前提下，通過加大試驗應力獲取加速環境下的失效數據，并在假設檢驗和數理統計的基礎上，基于物理失效規律，利用相關的統計模型，確定正常應力水平與加速應力之間的關系，進而求得產品在額定應力水平下的壽命特征的可靠性試驗方法[28]。

加速壽命試驗采用加速應力來進行產品的壽命試驗，從而縮短了試驗時間，提高了試驗效率，降低了試驗成本。按照應力的施加方式不同，可分為恒定應力試驗、步進應力試驗和序進應力試驗[29-31]。與高加速壽命試驗相比，加速壽命試驗能用于確定產品的壽命，適用于描述由使用造成的失效，通常用來檢驗產品在正常使用周期和應力剖面內產生的失效情況，常用的模型包括阿倫尼斯（Arrhenius）模型、艾林（Erying）模型、逆冪律模型等[32]。加速壽命試驗和高加速壽命試驗的共同條件是樣品失效機理不能改變，因此在確定最高應力水平時，要保證不能改變失效機理，但加速壽命試驗應力的選擇通常都是在技術規定的范圍之內，試驗的周期相對較長，一般要幾周到幾個月。對于加速壽命試驗和高加速壽命試驗這兩個專業術語很多人容易混淆，它們都屬于可靠性試驗范疇，但是二者是完全不同的兩種概念，它們之間的關系如圖3 所示。

圖3 高加速試驗與加速壽命試驗的聯系Fig.3 Relationship between HALT and ALT

值得注意的是，高加速壽命試驗雖然帶“壽命”二字，但并不用于直接確定產品的壽命，不能直接用于可靠性評估[33]。高加速壽命試驗最典型的應用是在產品設計階段發現精準設計缺陷和確定各種應力條件下的工作極限，提高產品可靠性。HALT 試驗周期短，通常一次試驗僅需3 天左右，而且試驗效率高。綜上所述，筆者認為加速壽命試驗和高加速壽命試驗的主要區別有以下幾點：

1）試驗原理不同。加速壽命試驗基于物理失效規律，根據試驗對象不同有不同的統計模型，數據分析方法相對成熟，而高加速壽命試驗主要依據故障物理學，追求產品的快速失效。

2）試驗條件不同。與加速壽命試驗相比，高加速壽命試驗的試驗條件更加嚴酷，施加的應力強度更大，并且不完全模擬產品的實際使用環境。

3）應用目的不同。加速壽命試驗注重的是產品失效結果，通過保證失效結果信息統計準確，可以評估產品可靠性，實現壽命預測；而高加速壽命試驗注重失效的過程，通過使產品快速失效，高效率確定極限值及發現潛在故障模式和薄弱環節，不能直接用于壽命預測。

4 啟示與展望

隨著電子和材料技術的發展，電子產品的質量可靠性水平越來越高，大部分復雜電子設備的MTBF高達2000~5000 h，最高可達到50 000 h。相比之下，電子產品更新換代的周期卻越來越短，傳統的加速壽命試驗限于對產品工作極限和破壞極限并不完全掌握，在試驗應力選擇中過于保守，無法滿足縮短試驗時間的要求。因此試驗周期和試驗效率已不能完全滿足工程需要，而高加速壽命試驗注重在短時間內以最高的效率暴露產品的潛在故障缺陷，快速得到產品工作極限和壽命極限，節省試驗時間、降低試驗費用，因此受到了很大的關注，未來的應用前景會越來越廣闊。

限于目前國內的試驗條件和研究水平，對HALT的研究還存在一定的局限性，筆者認為主要有以下幾點：

1）國內對HALT 的研究層次與國外類似，主要集中在部件級和整機級，而在新品元器件上的應用還比較少。

2）常規的HALT 屬于破壞性試驗，產品經過HALT 不能再作他用，因此對于加速試驗的樣品量小的產品研究不足，導致小樣本條件下的高加速試驗技術落后。

3）對于HALT 試驗方案設計，國內普遍以追蹤研究為主，對于各種應力的施加方式，大多參考了國外專家的建議。比如步進應力中步長、步階的參數，溫度變化試驗中的溫度循環次數，但由于步進應力試驗的特點，不同的應力施加方式可能會導致試驗件不同的性能退化方式。對不同的器件來說，要得到最可信的數據，同種類型應力的最佳施加方式也可能不同，僅僅憑借經驗和建議無法確定HALT 中應力施加方式的最佳方案。

4）主要應用于電子產品，非電子產品的試驗方法無章可循，大多照搬電子產品的試驗方法，缺乏相應的標準，也制約了對產品進行HALT 觀念的深入和HALT 應用領域的拓展。

以上基于HALT 的特點和目前的研究現狀的思考，也給未來HALT 的研究發展帶來了幾點啟示，筆者推斷未來對HALT 的研究，可以在以下幾個方面有所發展：

1）發展面向元器件的高加速壽命試驗技術。通過解決整機試驗過程中各類元器件的競爭性失效問題，基于對試驗件的失效模式與失效機理分析，可以形成針對元器件的高加速壽命試驗方案。

2）拓展高加速壽命試驗的應用范圍和途徑。HALT 不能直接用于壽命預測，但經過對HALT 試驗方案的分析，筆者認為試驗件在進行HALT 過程中也存在著一個性能退化或者失效的過程，因此可以將試驗件在HALT 中未發生失效破壞前的過程視為一個高應力水平下的步進應力試驗，可以考慮提取HALT中的數據信息用于指導加速壽命試驗的開展，繼而開展壽命預測。

3）建立標準的 HALT 技術體系。通過對不同HALT 方案中時間、效率的綜合評估確定技術參數，建立相關的試驗標準，指導不同類型產品的HALT開展，在我國HALT 技術商業化運用滯后的情況下，可以考慮先行運用于軍事工業領域，提高武器裝備可靠性。

5 結語

高加速壽命試驗（HALT）在很多領域越來越受到重視，在分析HALT 關鍵技術的基礎上，通過國內外研究現狀的比較，可以看出我國在HALT 技術研究領域與國外相比還有不小的差距。根據我國HALT 技術的發展現狀和短板形成了幾點啟示，為未來HALT的研究提供了新思路。