王雷，林詩(shī)美

（1.研祥智能科技股份有限公司，廣東 深圳，518057；2.國(guó)家特種計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳，518057）

HALT技術(shù)在工業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用

王雷1，2，林詩(shī)美1，2

（1.研祥智能科技股份有限公司，廣東 深圳，518057；2.國(guó)家特種計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳，518057）

本文介紹了HALT技術(shù)的由來(lái)和技術(shù)背景，以及此項(xiàng)技術(shù)的演化和路徑；通過(guò)具體的試驗(yàn)方法介紹，說(shuō)明了確切的應(yīng)力施加順序，以及目前開(kāi)展此項(xiàng)試驗(yàn)的必要性和此項(xiàng)試驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；最后通過(guò)具體案例進(jìn)行驗(yàn)證和說(shuō)明。

HALT；應(yīng)力施加；限值

0 引言

工業(yè)系統(tǒng)領(lǐng)域因其設(shè)備工作環(huán)境的復(fù)雜性，需要保證系統(tǒng)中運(yùn)行的電子設(shè)備要能夠抵御溫度、振動(dòng)、濕度等多種應(yīng)力的沖擊。隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，地鐵等軌道交通建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)鐵路信息系統(tǒng)的需求不斷增加，對(duì)系統(tǒng)的連續(xù)工作可靠性要求也越來(lái)越高，以滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下工作的要求[1]。高加速應(yīng)力試驗(yàn)是美國(guó)軍方在二戰(zhàn)時(shí)為提高坦克和裝甲車及飛機(jī)的可靠性而提出的[2]，目前此試驗(yàn)由美國(guó)霍博思博士等技術(shù)專家進(jìn)行不斷的研究和規(guī)范化，已經(jīng)有了較成熟的應(yīng)力施加方法和試驗(yàn)設(shè)備，規(guī)定了溫度和振動(dòng)應(yīng)力施加的順序和應(yīng)力變化率等，以其篩選能力強(qiáng)、速度快、快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷著稱[3]。

1 HALT試驗(yàn)技術(shù)介紹

HALT試驗(yàn)就是利用足夠高的應(yīng)力環(huán)境來(lái)考查元器件的材料在該應(yīng)力條件下的應(yīng)力承受度，再根據(jù)加速模型來(lái)推算在正常應(yīng)力下材料的壽命。這樣就節(jié)省了正常壽命試驗(yàn)所要經(jīng)歷的漫長(zhǎng)時(shí)間，也節(jié)省了長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)所需要耗費(fèi)的設(shè)備和電力及人工成本，更重要的是能夠盡快的得出產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，快速的檢驗(yàn)評(píng)估產(chǎn)品的可靠性水準(zhǔn)，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)修改提供參考。

HALT試驗(yàn)是通過(guò)應(yīng)力或組合應(yīng)力施加到產(chǎn)品上，逐漸激發(fā)出產(chǎn)品的潛在性缺陷的過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)應(yīng)力施加階段，都要留出一定的時(shí)間進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)并進(jìn)行同步的故障觀測(cè)，試驗(yàn)的逐步推進(jìn)，會(huì)找出產(chǎn)品的一個(gè)個(gè)故障，并對(duì)故障進(jìn)行詳細(xì)記錄，包括故障模式，發(fā)生時(shí)的時(shí)間，應(yīng)力強(qiáng)度及其他各種參數(shù)，試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行也伴隨著試驗(yàn)應(yīng)力的不斷升高，產(chǎn)品將完全喪失功能或出現(xiàn)可恢復(fù)的故障，或者達(dá)到試驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)力極限，這時(shí)試驗(yàn)可以暫時(shí)停止。試驗(yàn)結(jié)束后將得到故障模式和記錄故障數(shù)據(jù)，以及產(chǎn)品的工作和破壞應(yīng)力極限。

對(duì)大多數(shù)產(chǎn)品來(lái)講，溫度往往是影響其可靠性的重要因素，因此常常將溫度作為加速試驗(yàn)的應(yīng)力變量。如果有條件也可以加入振動(dòng)，電應(yīng)力，紫外光，低氣壓等環(huán)境應(yīng)力，或者與具體實(shí)際相關(guān)的化學(xué)應(yīng)力，當(dāng)然，這些應(yīng)力的施加需要對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為支撐，不然具體的操作也是需要耗費(fèi)大量的試驗(yàn)區(qū)摸索。

在實(shí)際的HALT實(shí)驗(yàn)中，為了進(jìn)行高效的潛在性故障激發(fā)就必須使用較高的應(yīng)力值，應(yīng)力得選取要結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際敏感度，并且具體的應(yīng)力值也要選擇恰當(dāng)，溫度應(yīng)力一般根據(jù)阿列紐斯模型選擇，振動(dòng)應(yīng)力有對(duì)應(yīng)的模型，其他應(yīng)力模型就要根據(jù)實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)去定義，并且同一種應(yīng)力在不同的產(chǎn)品和系統(tǒng)上面也會(huì)存在應(yīng)力激發(fā)的差異性，所以對(duì)應(yīng)具體不同的產(chǎn)品模型要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚脱a(bǔ)償。

HALT試驗(yàn)的目的是為了改善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成熟度，它能快速地使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就滿足成熟設(shè)計(jì)的要求，因此與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比它極大的縮短了設(shè)計(jì)試驗(yàn)周期，提高了工作效率，能更快速地向市場(chǎng)投放成熟和可靠的產(chǎn)品，同時(shí)提供了有效的應(yīng)力選擇依據(jù)，使高效的可靠性設(shè)計(jì)變得可信與可行。

如圖1至圖5所示，通過(guò)低溫、高溫和振動(dòng)的步進(jìn)試驗(yàn)，高低溫的瞬變?cè)囼?yàn)，以及振動(dòng)溫度復(fù)合試驗(yàn)五個(gè)階段性試驗(yàn)，產(chǎn)品的缺陷基本會(huì)被激發(fā)出來(lái)。這個(gè)過(guò)程中施加的應(yīng)力大小，以及應(yīng)力施加的順序也有關(guān)系，這些都需要在具體實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行總結(jié)和歸納。另外，不同的元件和產(chǎn)品的頻率敏感點(diǎn)也是不一樣的，如果能夠逐漸總結(jié)出敏感頻段或者頻率點(diǎn)，可以采取具體的定頻隨機(jī)振，這樣效果會(huì)更好，節(jié)省時(shí)間，更重要的是非敏感頻率點(diǎn)對(duì)待測(cè)品的破壞性會(huì)大大降低，減少了對(duì)待測(cè)品不需要的損傷。

圖1 低溫步進(jìn)曲線Fig. 1 Low temperature step curve

圖2 高溫步進(jìn)曲線Fig.2 High temperature step curve

圖3 高低溫瞬變曲線Fig.3 High and low temperature transient curve

此外在選擇固定夾具塊的時(shí)候也需要注意，不同材質(zhì)的夾具塊頻率敏感點(diǎn)是不同的，選擇時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行測(cè)定，如角形鋁塊在450HZ～900HZ頻率范圍內(nèi)，其對(duì)輸入振動(dòng)有放大作用，最低放大15dB，最高放大41dB。而膠木塊的一階固有頻率為31177HZ，固有頻率較大，且剛度較大，所以一般建議最好采用膠木塊固定待測(cè)品，保證能量傳遞率接近于1，無(wú)損耗。

圖4 振動(dòng)步進(jìn)曲線Fig.4 Vibration step curve

圖5 綜合應(yīng)力曲線Fig. 5 Comprehensive stress curve

2 HALT實(shí)驗(yàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

普通的高低溫試驗(yàn)、高低溫交變?cè)囼?yàn)，高低溫循環(huán)試驗(yàn)僅能起到模擬實(shí)際環(huán)境的PASS/Fail試驗(yàn)，即使測(cè)試時(shí)產(chǎn)品留有一定的Margin，但由于一般的溫變速率在5℃以內(nèi)，很難快速激發(fā)出產(chǎn)品的潛在性缺陷。如霍博思博士就強(qiáng)化應(yīng)力對(duì)金屬試件的疲勞壽命的影響效果進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力提高一倍，疲勞壽命降低為原來(lái)的1/1000，這個(gè)時(shí)候如果針對(duì)產(chǎn)品上的缺陷部件，故障點(diǎn)處的應(yīng)力可提高2-3倍，在如此高應(yīng)力情況下，缺陷即可快速的暴露出來(lái)，相對(duì)于普通的應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)，缺陷的激發(fā)時(shí)間會(huì)大大縮短，由于所有應(yīng)力試驗(yàn)都會(huì)縮短產(chǎn)品壽命，高加速應(yīng)力試驗(yàn)縮短了應(yīng)力施加時(shí)間，所以對(duì)產(chǎn)品破壞性較小，由于其對(duì)產(chǎn)品失效率浴盆曲線的前端缺陷做到了較好激發(fā)[4]，從而降低了產(chǎn)品失效率，提高了可靠性，而通過(guò)高加速應(yīng)力篩選后的產(chǎn)品是可以直接出貨的。同時(shí)，霍博思博士也研究出，在加速和強(qiáng)化應(yīng)力情況下激發(fā)出產(chǎn)品缺陷的有效性和激發(fā)出產(chǎn)品的缺陷與正常使用環(huán)境下所暴露出的產(chǎn)品故障問(wèn)題具有較高的一致性。

目前已經(jīng)有了MIL-HDBK-217、GJB299、SR332等標(biāo)準(zhǔn)[5]，可以覆蓋一般的電力電子和通信電路的電子元件及常用模塊電路，提供產(chǎn)品預(yù)計(jì)可靠性評(píng)估參考，為在項(xiàng)目雛形及方案階段和設(shè)計(jì)階段的DFR提供了有力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，而當(dāng)評(píng)估結(jié)果不滿足可靠性要求，產(chǎn)品需要進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)時(shí)，借助普通的試驗(yàn)手段或者客戶驗(yàn)收試驗(yàn)的反饋情況進(jìn)行改善，是很難滿足客戶的可靠性要求的；而高加速應(yīng)力試驗(yàn)作為很好的可靠性增長(zhǎng)方法，可以在短期內(nèi)快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷[6]，從而快速高效的提高產(chǎn)品可靠性的目的。

3 HALT驗(yàn)證案例

圖6為測(cè)試樣品的布置和安裝加持圖，在樣品架設(shè)時(shí)需要考慮外接設(shè)備的引線和固定方式，保證系統(tǒng)剛性固定，引線強(qiáng)弱電分離，冷風(fēng)管出風(fēng)口盡量靠近和正對(duì)功率器件[7]，達(dá)到最佳的溫度變化率設(shè)置。圖7為系統(tǒng)各振動(dòng)傳感器布置點(diǎn)的振動(dòng)能量測(cè)試值，為了保證系統(tǒng)各個(gè)部分得到一致的均勻振動(dòng)應(yīng)力刺激，夾具和系統(tǒng)固定需要特備布置，而振動(dòng)能量曲線越一致代表各振動(dòng)布置點(diǎn)之間的振動(dòng)能量差異越小[8]，通過(guò)布置最終測(cè)試得到的結(jié)果整理如表1所示，得到了樣品的各個(gè)限值和對(duì)應(yīng)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過(guò)本次試驗(yàn)，對(duì)于車載信息系統(tǒng)的工作限值，操作限值，破壞限值等得到了具體的試驗(yàn)值，驗(yàn)證了產(chǎn)品規(guī)格，對(duì)后續(xù)系統(tǒng)工作可靠性范圍有了界定，并且對(duì)相關(guān)項(xiàng)目的可靠性設(shè)計(jì)裕量有了參考值，避免了可靠性過(guò)度設(shè)計(jì)。

圖6 整機(jī)測(cè)試布置Fig. 6 Dut test arrangement

圖7 測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)譜Fig. 7 Vibration spectrum of test point

表1 車載信息系統(tǒng)測(cè)試限值表Tab.1 Test limit table for vehicle information system

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Application of HALT Technology in Industrial System

WANG Lei1,2, LIN Shi-mei1,2
(1.EVOC Intelligent technology co., LTD, Shenzhen, Guangdong 518057, China; 2.National Special Computer Engineering Technology Research Center, Shenzhen, Guangdong 518057, China)

The origin and the technical background of the HALT technology, and its evolution and path were firstly introduced in this paper. Then a specifi c method was conducted to decide the exact stress imposed order, the necessity of carrying out this experiment and its technical advantages. Finally the practical case was used to describe and verify the above result.

HALT; Stress imposed; Limits

王雷，林詩(shī)美.HALT技術(shù)在工業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（10）：86-89.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.10.013

: WANG Lei, LIN Shi-mei. Application of HALT Technology in Industrial System[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10)： 86-89.

王雷（1982-），男，工學(xué)碩士研究生，研究方向：可靠性成熟度模型、APQP、CMMI等；林詩(shī)美（1975-），女，本科，電子專業(yè)，研究方向：電子信息、可靠性分析以及計(jì)算機(jī)