故障激發試驗

梁鵬 王勝 陳思 范學

(比亞迪汽車工業有限公司汽車工程研究院)

汽車行業快速發展，行業競爭日趨激烈，如何在保證產品質量和可靠性的情況下以最少的代價搶占市場成為了重中之重，曾有研究表明：產品投產每提前6個月，可以使壽命期獲利提高50%。為了加快產品設計開發周期，盡早發現產品缺陷，需要試驗快速驗證產品性能。高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Test，縮寫為HALT）和高加速應力試驗（Highly Accelerated Stress Test，縮寫為HAST）或其前身設計強化類試驗就已經實現了降低現場故障，縮短投放市場的時間，實現成本縮減的目標。在成本、效率和可靠性決定成敗的今天，越來越多的民用和軍用大綱中明確要求進行HALT和HAST試驗，故障激發試驗研究勢在必行。

1 HALT試驗

1.1 HALT試驗原理

產品性能受外界應力和自身強度的影響，HALT試驗運用應力強度干涉理論，發現工作極限，改變應力和強度干涉范圍，改善產品。HALT試驗通過逐漸增加的階段性的環境和嚴酷的工作應力在產品設計開發階段就暴露出樣件的薄弱環節，在鎖定故障位置并分析故障原因和故障機理后對產品進行合理改進，使產品有更高的裕度，進而實現提高產品可靠性的目標和節省成本的目的。

不同的應力類型誘發不同的失效機理。HALT試驗主要施加溫度和振動應力。要求設備有快速溫變能力，溫度范圍廣，能快速有效激發。振動頻率高，加速度有效值大，充分發現其缺陷。

1.2 HALT試驗設備

HALT試驗對設備要求較高，需要同時滿足振動和溫度2項基本能力。HALT試驗設備如圖1所示。

圖1 HALT試驗系統

HALT試驗設備由HALT箱、頻譜分析儀、溫度檢測儀、液氮罐和供氣系統組成。該設備施加的應力大，調節范圍寬，采用3軸6自由度的操作系統，加速度范圍0～100 g，振動頻率范圍0～10000 Hz，施加的溫度范圍-100～200℃，通過液氮系統冷卻，溫變速率快，平均可達75℃/min，能快速改變溫度，激發產品故障。

1.3 HALT試驗流程

HALT試驗流程如圖2所示，一般包括以下步驟：低溫步進應力試驗、高溫步進應力試驗、快速溫度循環試驗、振動步進應力試驗和綜合環境應力試驗。

圖2 高加速壽命試驗流程

試驗前準備是在試驗正式開展之前必須要針對不同的試驗產品進行相應的試驗評審，以確定樣件的試驗狀態、安裝方式、試驗溫度極限、功能檢測內容以及故障判定標準等一系列相關信息，制定相關的試驗計劃和大綱，以保證試驗的正確順利進行。并且還要進行相關的溫度響應調查以及振動響應調查，記錄試驗結果，為后續主體試驗做準備。

回歸驗證是針對HALT試驗后產品暴露的問題進行設計和工藝改進，為驗證糾正措施的有效性而進行的驗證試驗，試驗時可根據試驗故障發生的時機進行裁剪和簡化，例如：在回歸驗證試驗的步進應力試驗中，可根據情況增加步進步長，以縮短試驗時間，提高試驗效率。

1.4 HALT試驗應力

HALT試驗向產品施加的應力主要是溫度和振動，除此之外，必須要考慮在內的還包括在試驗期間可以向產品施加的所有可能的應力，比如電壓、電流、通電循環等可能激發暴露產品設計或者工藝缺陷的應力。

試驗各階段的相關流程簡圖如圖3所示。

圖3 高加速壽命試驗應力示意圖

1.5 HALT試驗故障處理

HALT試驗旨在適當提高產品的裕度以使其更為可靠，改進工作并非盲目進行，要由設計研發人員進行工程評估，在保證產品可靠度高的同時具有高“性價比”，以免因盲目追求大裕度而造成人力物力財力的浪費。

HALT試驗過程中出現故障時，應按照故障處理流程進行故障處理，確認發生故障后，現場人員應詳細記錄故障現象、發生試機、試驗應力等情況。首先檢查試驗設備，檢查外部線纜線束是否連接正常，夾具是否安裝固定正常，測試設備，確認設備運行平穩無誤，確認故障是因為樣件本身引起，而非試驗設備以及相關配件原因后，按照以下步驟進行故障定位和處理。在低溫步進、高溫步進、振動步進出現故障采用以下流程，如圖4所示。

圖4 故障排查

確認故障問題后應由研發人員進行故障定位，準確定位故障后采用如局部保溫、試驗箱外隔離等手段控制故障現象，或者確保故障現象不會因其他部位失效造成混淆的情況下，使用原樣件繼續試驗，如果無法準確定位故障，應保留原樣件以便后續分析，更換新樣件繼續試驗。

故障問題必須要進行根因分析，準確定位故障位置，分析查證故障機理，然后對樣件壽命和改進成本進行工程評估，確認是改進還是忽略故障問題，并出具相關說明。改進后的產品應進行回歸驗證，查驗產品改進措施的有效性。

1.6 BSC（BYD Safe Control System）系統ECU的HALT試驗應用案例

1.6.1 試驗背景

BSC系統是公司整車研制開發的安全控制系統，包括電子液壓制動、制動回饋、ABS、EBD、TCS、VDC、CDP、HHC等主動安全功能及相關的被動安全功能。BSC系統通過CAN總線與整車其他系統通訊，其中ECU作為BSC系統的電子控制單元，承載著驅動某路電磁閥和某路泵電機、相關信號處理和整車通訊等功能，在BSC系統中發揮著不可替代的作用。故而公司與賽寶合作進行產品的可靠性提升，其中HALT試驗作為其中的重要一環，在改進產品性能，提升產品可靠性方面發揮了重要的作用。

1.6.2 試驗準備

為使試驗順利進行，試驗前需確定樣件的試驗狀態，如圖5所示，為使樣件能充分暴露在環境下，將ECU開蓋處理。高加速壽命試驗在試驗過程中有溫度測試階段和振動測試階段，根據試驗情況確定其安裝方式如圖6所示。確定其設計工作溫度范圍，以便確定試驗時施加的溫度應力范圍。

圖5 試驗樣件

圖6 樣件安裝狀態

1.6.3 試驗項目及順序

本次高加速壽命試驗按照以下5個項目的順序完成試驗，在試驗前進行溫度調查和振動調查，以確定溫度穩定時間、試驗保溫時間和產品安裝狀態下的振動響應情況：

1）低溫步進應力試驗；

2）高溫步進應力試驗；

3）快速溫度循環試驗；

4）振動步進應力試驗；

5）綜合環境應力試驗。

1.6.4 試驗結果

試驗得到產品的溫度工作極限是-50～125℃，振動工作極限是35 g。低溫步進試驗在-50℃時芯片開始工作異常，輪速信號超差。高溫步進試驗在125℃時芯片啟動高溫保護，監控界面參數異常，出現亂碼。振動步進試驗在40 g時控制界面開始異常，60 g時電感脫落。

1.6.5 回歸驗證

通過HALT試驗，快速暴露出了該產品的諸多薄弱點，在針對各個薄弱點設計人員做了故障機理分析和改進，調整了工藝手段和焊接強度，改進后的產品在進行回歸驗證時有較好表現，產品的工作溫度范圍變為-80～125℃，振動工作極限大于65 g并且輪速信號超差問題得到了很好的解決，產品的性能有了很大提高。

2 HAST試驗

2.1 HAST試驗定義

HAST試驗，全稱高加速應力試驗，是采用高溫、高濕以及高壓的環境加速濕氣對于產品的侵入，以在短時間暴露產品在此方面的缺陷。

傳統的高溫高濕耐久試驗（THB）試驗周期較長，而HAST試驗應力較高，采用加速試驗方法，可以比傳統高溫高濕試驗快得多的速度使產品達到設計和工藝成熟，從而縮短研制過程總時間，得以早日投放市場。HAST試驗一般用于開發流程的E1（功能確認）階段，與E2（產品定型）階段的THB驗證試驗有所不同，HAST試驗提升應力在于激發產品的故障，挖掘產品的短板，快速暴露產品在高溫高濕下的缺陷。

2.2 HAST試驗產品

HAST試驗只針對非密封電子電工元器件進行，試驗時一般僅對電路板施加應力，通過加速測試來確認包括半導體在內的電子電工元件和材料是否由于耐久性（壽命）或環境變化而導致功能失效。所以受試產品在設計、材料、結構與布局及工藝等方面應能基本代表產品的預期功能、性能設計指標、元器件質量和工藝水平等時，僅提供功能電路板進行測試即可，不需完整封裝。

2.3 HAST試驗原理

采用嚴酷的溫度、濕度和壓力，加速水分通過產品外部保護材料（密封劑或密封條）或沿外部保護材料與穿過其金屬之間的界面滲透，使產品產生錫須生長、腐蝕坑、電遷移等現象，進一步導致產品失效。這種應力通常與85℃、相對濕度85%穩態濕度壽命試驗激活的失效機理一致。

2.4 HAST試驗設備

HAST試驗設備要求壓力室能夠連續保持制定的溫度和相對濕度，同時在制定的偏置條件下提供與被測試器件的電氣連接。測試設備（卡箱、測試板、插座及接線存儲容器等）的離子污染應加以控制，以避免污染測試器件。在選擇板和插座材料時必須謹慎。盡量減少污染的釋放，減少由于腐蝕和其他機理而引起的降解。

2.5 HAST試驗方法

2.5.1 試驗參數

此試驗參數基于勞森模型。勞森模型定義了基于高溫和相對濕度的結合因素影響決定的加速試驗因數。除非相關規范另有規定，應使用表1中溫度和持續時間的組合之一。每一種溫度都規定了3種持續時間。在110℃、120℃和130℃時，試驗箱應維持蒸汽壓力分別約為0.12 MPa、0.17 MPa和0.23 MPa，如表1所示。

表1 試驗參數

勞森模型如下：

式中：AT——溫度決定的加速因數；

ARH——相對濕度決定的加速因數；

b——常數，5.57×10-4；

EA——激發能量，0.4eV；

K——波爾滋蔓常數，8.617×10-5eV/K；

Ti——絕對開式溫度，i=1為試驗條件，i=2為工作條件；

RHi——相對濕度，%；i=1為試驗條件，i=2為工作條件。

試驗周期可由下式得出：

2.5.2 偏壓配置

HAST試驗過程中樣品持續工作，需按產品要求為產品配置偏壓。

2.5.3 連續偏置

試驗過程中持續給產品施加電壓偏置，如圖7所示。當器件溫度≤10℃時，應選用連續偏置。當器件的散熱不超過200 MW時，器件溫度未知。如果器件的散熱超過200 MW，計算器件溫度，超過室溫5℃以上，則器件高于室溫的溫升也應包括在內，因為這會影響失效機理或加速失效。

圖7 連續偏置

2.5.4 循環偏置

適用于以適當頻率和占空比周期性斷電的器件，如圖8所示。如果偏置導致溫升超過室溫10℃，那么在針對特殊類型器件進行優化時，應選擇循環偏置。由于能量耗散而產生的加熱往往會將水分從器件中帶走，從而影響了與水分有關的失效機制。循環偏置允許在器件斷電期間在芯片上積水。對于大多數塑料封裝的微電路來說，使用50%負載循環偏置是最理想的。對于封裝厚度≥2 mm的器件，其應力周期應≤2 h，對于封裝厚度＜2 mm的器件，其應力周期應≤30 min。根據已知的熱阻和耗散計算出的器件溫度，當其超過室溫5℃或以上時，應引用該結果。

圖8 循環偏置

2.5.5 偏壓配置原則

根據以下原則應用偏置：

1）減少功耗；

2）盡可能多的替代引腳偏置；

3）盡量在薄片金屬化過程中分布電位差；

4）在工作范圍內最大化電壓。

2.5.6 試驗程序

試驗程序分定值測試和程序測試3種，如圖9、圖10所示。當溫濕度達到設定值時開始測試，在降溫濕度時停止測試，即試驗時間為溫濕度設定值持續時間。

圖9 定值測試

圖10 程序測試

2.6 某車型旋轉PAD系統中行車記錄儀在E1（功能確認）階段的HAST試驗應用案例

2.6.1 試驗參數及試驗方法制定

行車記錄儀電路板，如圖11所示。極限工作溫度點為120℃，所以試驗溫度定為120℃，依據勞森模型，按120℃、相對濕度85%計算試驗時間為192 h，較普通高溫高濕耐久試驗縮短507 h。HAST試驗過程中48 h、96 h時需對行車記錄儀進行功能檢測。試驗過程中持續施加14 V偏壓。

2.6.2 試驗結果

試驗進行至96 h，行車記錄儀功能檢測時出現花屏現象，如圖12所示。經排查發現行車記錄儀電路板排線彈開，電感出現熔膠現象，如圖13所示。

圖11 試驗前行車記錄儀電路板狀態

圖12 96 h后花屏

圖13 排線彈開及電感熔膠

3 結論

文章詳細論述了HALT和HAST的試驗原理和試驗過程，以及試驗后的故障處理方法，保證零部件故障激發試驗的準確、順利進行。

以BSC（BYD Safe Control System）系統ECU的HALT試驗和某車型旋轉PAD系統中行車記錄儀在E1（功能確認）階段的HAST試驗為案例進行分析，驗證了HALT和HAST能快速激發和暴露產品的薄弱環節，為產品設計開發過程中的對可靠性的要求提供技術支持，縮短開發周期，加速開發進程。