高加速應力篩選剖面設計與評估方法研究

鄧建國

（南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039）

為了提前發現產品在設計和工藝中的缺陷，1979年美國海軍（NAVMAT）的首席代表Willoughby W J先生開始提出環境應力的篩選方法，使用溫度循環和隨機振動的方式去篩選制造和工藝方面的缺陷。然而隨著產品對強度和可靠性的要求越來越高，一般的可靠性試驗逐漸無法滿足產品的需求。20世紀80年代末，Hobbs GK，Gray K A和Condra L W等人研究并提出了2種新的試驗方法：高加速壽命試驗（HALT）和高加速應力篩選（HASS），其中高加速應力篩選作為一種新的環境篩選手段，通過人為施加超過實際使用環境的激發應力，快速暴露產品潛在缺陷，從而達到提高可靠性的目的。

從高加速應力篩選技術提出至今，迅速在各工業部門推廣應用。國外航天、汽車、通信、商用飛機等領域已經大量應用高加速應力篩選技術，并形成了行業規范。美國、日本、新加坡等國家已經成規模的開展高加速應力篩選技術研究和應用。國外的工程經驗表明，高加速應力篩選過程可有效地暴露產品的潛在缺陷和提高產品的可靠性水平。

高加速應力篩選在國內航天、航空領域已有應用，并總結了型號規范，但未有國家級標準或行業標準出臺。在篩選方面，國內應用最廣的是GJB 1032-1990《電子產品環境應力篩選方法》和GJB/Z 34-1993《電子產品定量環境應力篩選指南》。

高加速應力篩選僅適用于研制階段已經過高加速壽命試驗或可靠性強化試驗找出其工作極限和破壞極限的產品的批生產過程。目前國內尚未制定國家標準，只有部分企業標準。

1 高加速應力篩選的基本原理及優勢

1.1 高加速應力篩選的基本原理

高加速應力篩選，GJB 451A-2005《可靠性維修性保障性術語》中給出的定義是為了加速篩選進度并降低成本，參照高加速應力試驗得到的應力極限值，以既能充分激發產品的缺陷又不過量消耗其使用壽命為前提，對批量產品進行的篩選。

高加速應力篩選是在高加速壽命試驗（HALT）的基礎上發展起來的一種新的篩選方法，一般是使用溫度循環和振動的綜合應力，其特點是使用的應力大，需要的循環數少、時間短。高加速應力篩選一般應用于產品的生產階段，通過對研制階段可靠性強化試驗（RET）數據的利用，大大增加了生產過程的篩選效率，并同時降低了篩選的費用和時間。國內的高加速應力篩選是在常規環境應力篩選和可靠性強化試驗基礎上發展起來的，是一種高效率剔除批生產過程引入產品內潛在缺陷的篩選方法。

高加速應力篩選的理論依據是故障物理學。產品中有缺陷部位易發生應力集中現象，在環境應力的作用下，有缺陷部位將產生比其它部位大得多的應力而產生疲勞損傷和破壞。高加速應力篩選把失效或故障作為分析的主要對象，通過激發故障、分析故障和故障整改達到提高產品可靠性的目的。高加速應力篩選試驗基于以上原理，在篩選過程中對被試品施加超過正常條件下的環境應力，從而快速激發出被試品的潛在缺陷，提高篩選試驗的效率。

根據試驗數據統計，快速溫度變化與隨機振動是誘發產品故障的最佳應力。因此，高加速應力篩選使用隨機振動與快速溫度變化作為其篩選的應力。

1.2 高加速應力篩選的優勢

從高加速應力篩選的基本原理、特點及與其它常用篩選方法比較不難得出，高加速應力篩選相對于傳統環境應力篩選（ESS）具有下列優勢：

（1）以最低成本和最短時間將相關潛在缺陷變為明顯缺陷。

（2）以最低總成本和最短時間檢測盡可能多的缺陷，以縮短反饋延遲并降低成本。

（3）通過降低發往現場的故障總數，提高使用可靠性。

（4）降低生產篩選維修和保證期的總成本。

但高加速應力篩選在應用中也存在技術方案制定難度大、投入大，所需產品信息多，篩選剖面通用性不足，需要特殊的試驗設備等困難，對于大批量、高可靠的產品，高加速應力篩選的經濟性更好，應用意義更大。

2 高加速應力篩選剖面設計及有效性驗證

典型的高加速應力篩選設計過程包括初始剖面設計、篩選驗證（POS）和篩選試行3個階段，其中篩選驗證（POS）過程用于確認篩選效果和確定篩選不會引入缺陷或嚴重影響產品壽命。典型的高加速應力篩選設計過程如圖1所示。

高加速應力篩選剖面制定一般流程為：

（1）以可靠性強化試驗（RET）等得到的產品工作極限和破壞極限結果為基礎，建立高加速應力篩選的初始剖面。

（2）使用初始剖面對產品進行篩選，驗證剖面的有效性。

（3）采用通過有效性驗證的高加速應力篩選剖面進行產品剩余有效壽命影響分析。

（4）形成高加速應力篩選的最終剖面，用于篩選實施。

高加速應力篩選剖面制定流程如圖2所示。

由于選擇了較高應力，高加速應力篩選的效率通常比傳統環境應力篩選高出很多，因此可以不進行有效性驗證，簡化篩選剖面制定過程，但對于組成復雜或冷卻方法特殊的產品，應當開展有效性驗證。如果有相關數據或技術文件能夠說明篩選初始剖面對于不會對產品有效壽命產生不可接受 的影響，則可以不進行剩余有效壽命影響分析，簡化篩選剖面制定過程，但對于溫度快速變化或振動應力敏感的產品，應當開展剩余有效壽命影響分析。

2.1 工作極限及破壞極限的確定方法

對于高加速應力篩選，需要獲得具體產品的高低溫工作極限和（或）破壞極限，據此來確定高加速應力篩選的溫度循環應力初始值。這就需要研究溫度工作極限及破壞極限應力的確定方法。在工程實踐中，產品的高（低）溫工作極限和破壞極限一般結合可靠性強化試驗或步進應力試驗得到：

（1）高（低）溫工作極限的確定：對篩選產品從常溫開始，施加步進應力逐步升高（降低）溫度，篩選產品在某一溫度臺階下工作特性不再滿足技術條件的要求，但溫度應力強度降低后，篩選產品仍能恢復正常工作特性，則使得篩選產品工作特性不再滿足技術條件要求的溫度臺階應力，為篩選產品的高（低）溫工作極限。

（2）高（低）溫破壞極限的確定：對篩選產品從常溫開始，施加步進應力逐步升高（降低）溫度，篩選產品在某一溫度臺階下工作特性不再滿足技術條件的要求，但溫度應力強度降低后，篩選產品不能恢復正常工作特性，則該溫度臺階應力為篩選產品的高（低）溫破壞極限。

如果能夠直接找到篩選產品的高（低）溫破壞極限，則將上一臺階作為高（低）溫工作極限。必要時，如果篩選產品的某一部分可以采取局部溫度保護或箱外隔離等保護措施繼續試驗時，可按上述確定篩選產品溫度工作極限或破壞極限的原則來確定篩選產品非保護部分的溫度工作極限或溫度破壞極限。

步進應力施加可按照圖3（以低溫步進為例）的方式進行，在每個溫度臺階下，對產品進行功能性能測試，以檢驗是否能夠耐受該溫度應力。

2.2 高加速應力篩選的應力選擇和確定方法

根據工程經驗和應力環境效應，一般將溫度循環和振動應力作為高加速應力篩選的典型應力。雖然濕度可以誘發部分故障，考慮為達到理想的篩選效果，使用了HALT試驗系統，該系統主要施加溫度和振動應力，因此不再施加濕度，本項目研究時也不考慮濕度應力。從試驗設備、試驗成本和篩選方法的普適性等方面考慮，高加速應力篩選工程實踐中不采用低氣壓、霉菌、鹽霧、電磁、太陽輻射、防水、砂塵、抗風、沖擊、積冰/凍雨等環境應力。因此，高加速應力篩選剖面中涉及到的參數因素包括：最高和最低溫度值、溫度變化速率、最高和最低溫度持續時間、溫度循環的次數、振動譜和量值、振動持續時間。

要得到初始剖面中的上述參數，需要產品充分地進行可靠性強化試驗或者高加速壽命試驗，準確掌握產品的溫度和振動方面的破壞極限和工作極限，也就需要試驗項目組具有很強的產品故障分析能力，以及在試驗過程中通過施加步進應力逐步、耐心地摸清產品耐受環境底數。高加速應力篩選的應力是高于產品設計規范極限，低于破壞極限。圖4標明了高加速應力篩選和傳統環境應力篩選的應力范圍。

2.3 篩選有效性驗證

篩選有效性是高加速應力篩選剖面是否適用的判定標準。有效的環境應力篩選在篩選過程需要滿足以下條件：

（1）環境應力篩選過程中，所施加的各種應力、應力施加的時間和應力的大小應能夠快速、有效、經濟地激發出產品的潛在缺陷；

（2）環境應力篩選過程中不引入新的失效機理或產生新的缺陷，也不會過度消耗產品的使用壽命。

篩選的有效性是指高加速應力篩選剖面能夠激發出產品中潛在缺陷的能力。篩選的有效性驗證可以通過將正常的試件和有制造缺陷的試件同時放入到試驗設備中，按照所選擇的剖面進行高加速應力篩選試驗，對試驗中發現的故障進行失效分析，并判斷失效的原因是由于經受了過應力造成的，還是由于制造缺陷或疲勞誘發的，從而判定該環境應力篩選剖面所選擇的應力、施加時間、應力量級是否正確。

若失效是因為在高加速應力篩選過程中經受了過應力，則需相應減小環境應力篩選試驗剖面中的應力值，再選用新的試件按照上述方法重新驗證篩選有效性；若事先注入試件的缺陷未能夠在篩選過程中被激發，則可通過增加高加速應力篩選試驗剖面的應力值或循環周期來增強篩選強度。

3 結語

本文開展了高加速應力篩選剖面設計與評估方法研究，先后提出高加速應力篩選剖面設計方法、高加速應力極值摸底方法以及篩選有效性驗證方法，確定高加速應力篩選的主要步驟，可以指導高加速應力篩選剖面設計、評估方法制定。