諸 戈，湯 杰，漆 斌，郭 森，姚永超

（1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

0 引 言

隨著可靠性試驗(yàn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的不斷發(fā)展和推廣，高加速應(yīng)力篩選［1］（highly accelerated stress screening，HASS）技術(shù)也開(kāi)始進(jìn)入我國(guó)的研究領(lǐng)域［2-3］。但是，目前HASS在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，應(yīng)用領(lǐng)域有限，沒(méi)有形成設(shè)計(jì)、制造、使用各方共同研發(fā)的局面，導(dǎo)致HASS的推廣出現(xiàn)一定的困難。在HASS試驗(yàn)理論發(fā)展方面，國(guó)內(nèi)方面主要研究工作還著重于跟蹤國(guó)外文獻(xiàn)資料，尚沒(méi)有形成完全自主創(chuàng)新的試驗(yàn)理論和技術(shù)體系。目前在HASS領(lǐng)域針對(duì)產(chǎn)品的試驗(yàn)要求僅規(guī)定了固化的一般要求、環(huán)境和設(shè)備要求以及一般性流程［4-6］，偏向于理論依據(jù)，僅為高加速篩選試驗(yàn)涉及到的概念與技術(shù)進(jìn)行了定性的約束［7-10］，但無(wú)法確切地給出定量要求。

本文在已有的理論基礎(chǔ)上通過(guò)具體的電子產(chǎn)品試驗(yàn)進(jìn)行定量化條件探索，給出電子產(chǎn)品高加速應(yīng)力篩選的一般性篩選剖面條件，不僅可以增強(qiáng)篩選的針對(duì)性，還可以大幅度縮減篩選時(shí)間、顯著提升篩選效果，從而有效保障了產(chǎn)品的研制進(jìn)度及交付產(chǎn)品的可靠性。

1 HASS剖面的一般性要求

1.1 剖面組成

試驗(yàn)剖面圖由缺陷剔除周期和無(wú)故障檢測(cè)周期共同構(gòu)成［7］，如圖1所示：① 缺陷剔除周期目的是盡可能激發(fā)品缺陷；② 無(wú)故障檢測(cè)周期目的是驗(yàn)證篩選的有效性。

圖1 HASS剖面組成Fig.1 HASS profile composition

篩選剖面要求為：

a）篩選剖面應(yīng)依據(jù)高加速壽命試驗(yàn)結(jié)果以及產(chǎn)品性能測(cè)試所需要時(shí)間、產(chǎn)品篩選過(guò)程中所施加的特殊應(yīng)力和產(chǎn)品產(chǎn)量等進(jìn)行選擇和確定；

b）篩選剖面由數(shù)個(gè)在兩個(gè)極限溫度之間的振動(dòng)等環(huán)境應(yīng)力綜合作用的循環(huán)周期構(gòu)成，一般單個(gè)循環(huán)時(shí)間在30～200 min之間。

1.2 剖面設(shè)計(jì)流程

篩選剖面設(shè)計(jì)一般應(yīng)經(jīng)過(guò)初始剖面設(shè)計(jì)、剖面驗(yàn)證和剖面更改，高加速應(yīng)力篩選剖面設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。

圖2 高加速應(yīng)力篩選剖面設(shè)計(jì)流程Fig.2 HASS profile design process

1.3 剖面驗(yàn)證

為確保HASS 能夠達(dá)到預(yù)期的效果，需要對(duì)篩選產(chǎn)品進(jìn)行有效性和安全性測(cè)試［11-13］。其中：

a）有效性，在每個(gè)篩選產(chǎn)品上植入具有代表性的制造缺陷，應(yīng)用所確定的HASS條件進(jìn)行HASS，通過(guò)測(cè)試這幾個(gè)篩選產(chǎn)品決定是否加嚴(yán)或放寬篩選條件；

b）安全性，評(píng)價(jià)篩選產(chǎn)品經(jīng)HASS 后的殘余有效壽命，并判斷其是否過(guò)度消耗產(chǎn)品的有效壽命，如消耗大于產(chǎn)品有效壽命的10%，則需要對(duì)剖面進(jìn)行修正后再繼續(xù)驗(yàn)證。

1.4 剖面優(yōu)化

一般采用預(yù)先植入缺陷的樣本制定和優(yōu)化HASS篩選方案。

a）將仿真計(jì)算得到且再次經(jīng)過(guò)高加速壽命試驗(yàn)（highly accelerated life testing，HALT）所測(cè)得篩選的程序的極限值降低作為初始HASS 篩選剖面圖的應(yīng)力極限，然后按照該剖面圖反復(fù)驗(yàn)證并且保證產(chǎn)品不出現(xiàn)失效。當(dāng)在篩選過(guò)程中有失效情況發(fā)生時(shí)，可降低篩選量級(jí)，再重新選擇好的樣件反復(fù)驗(yàn)證，直到?jīng)]有失效發(fā)生。

b）按照HASS 篩選剖面圖對(duì)有植入缺陷的樣本進(jìn)行篩選，當(dāng)篩選過(guò)程中充分暴露這些人為植入的缺陷時(shí)，確定此時(shí)的篩選應(yīng)力量級(jí)作為篩選剖面以保證最后具有足夠的篩選效率。

2 電子產(chǎn)品HASS剖面設(shè)計(jì)

2.1 失效類型

通過(guò)電子產(chǎn)品樣件的故障模式、影響和危害性分析（failure modes，effect and criticality analysis，F(xiàn)MECA）可知，失效類型主要有4類，分別為：焊點(diǎn)裂紋及脫落、螺釘連接松動(dòng)、接插件脫落、引腳斷裂。他們是電子產(chǎn)品樣件的薄弱環(huán)節(jié)，由此可確定電子產(chǎn)品樣件在HASS試驗(yàn)載荷分析及剖面制定時(shí)的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)，為HASS剖面的制定奠定基礎(chǔ)并可為HASS試驗(yàn)有效性驗(yàn)證提供缺陷植入的依據(jù)。

2.1.1電子產(chǎn)品樣件的仿真建模

用有限元仿真軟件對(duì)電子產(chǎn)品樣件進(jìn)行建模與仿真，考慮到研究對(duì)象體型較小，內(nèi)部構(gòu)造較復(fù)雜，采用三維軟件進(jìn)行建模，通過(guò)仿真軟件接口導(dǎo)入完成整個(gè)實(shí)體模型建立［14-15］。

電子產(chǎn)品樣件由計(jì)算機(jī)電路板、慣導(dǎo)電路板、引信電路板、電源控制電路板和電氣控制電路板等部分組成。因此，對(duì)相應(yīng)的電路板依次進(jìn)行有限元模型的建立，如圖3所示。

圖3 電路板有限元模型Fig.3 Finite element model of circuit boards

艙段幾何模型如圖4所示，主要由各電路板組成，各電路板與結(jié)構(gòu)體之間通過(guò)螺栓等連接，再通過(guò)螺釘與面板連接，最后通過(guò)螺釘與艙壁連接形成艙段級(jí)樣件。

圖4 艙段模型Fig.4 Section model

2.1.2電子產(chǎn)品樣件的仿真結(jié)果分析

基于上述有限元模型，施加一定的綜合環(huán)境應(yīng)力剖面進(jìn)行仿真分析，艙段整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大等效Mises應(yīng)力位于電器控制板的引腳和焊點(diǎn)的接合處，如圖5所示。低溫時(shí)的最大應(yīng)力213.25 MPa，高溫時(shí)的最大應(yīng)力301.59 MPa，其主要原因可能是由于焊點(diǎn)與引腳的熱膨脹系數(shù)相差較大，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。芯片引腳和焊點(diǎn)接合處是整個(gè)艙段的薄弱環(huán)節(jié)位置，如圖6所示。

圖5 艙段最大等效Mises應(yīng)力分布Fig.5 Maximum equivalent Mises stress distribution of section

圖6 載荷下最大Mises應(yīng)力位置Fig.6 Maximum Mises stress position with load

針對(duì)艙段樣件利用有限元軟件進(jìn)行熱振耦合載荷仿真分析，可以得出以下結(jié)論：艙段中的電子產(chǎn)品在HASS 試驗(yàn)載荷條件下的變形及應(yīng)力最大應(yīng)力響應(yīng)點(diǎn)位于樣件的電感引腳以及OP封裝的焊點(diǎn)處。

2.2 HASS剖面建立

基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，確定應(yīng)力與可靠性指標(biāo)之間的關(guān)系，為HASS 試驗(yàn)剖面工作應(yīng)力極限的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。假設(shè)應(yīng)力δ和強(qiáng)度S分別服從某種概率類型的隨機(jī)變量分布，且相互獨(dú)立，它們的概率密度函數(shù)分別記為f(δ)和f(S)，在坐標(biāo)系中的表示如圖7 所示。強(qiáng)度與應(yīng)力概率分布曲線干涉區(qū)的面積可用于表示零件失效的概率，其面積越小，零件試驗(yàn)可靠度越高。可以看出，由于強(qiáng)度與應(yīng)力間干涉的存在，任何產(chǎn)品都有出現(xiàn)故障或失效的可能。通過(guò)分析產(chǎn)品的應(yīng)力和強(qiáng)度的分布規(guī)律，就能通過(guò)可靠性分析方法，得到產(chǎn)品的失效（故障）發(fā)生的概率。

圖7 應(yīng)力-強(qiáng)度干涉圖Fig.7 Stress-intensity interference diagram

假定相交的區(qū)域表示結(jié)構(gòu)可能發(fā)生失效的概率，設(shè)Z=δ-S，Z為功能函數(shù)，則試驗(yàn)可靠度表示為R=P(S-δ)>0=P(S>δ)。

若 已 知 工 作 應(yīng) 力δ～N(μδ，σδ)，材 料 強(qiáng) 度S～N(μS，σS)，則試驗(yàn)可靠度計(jì)算式可表達(dá)為

式中：μδ和σδ分別為應(yīng)力δ服從正態(tài)分布的均值及方差；μS和σS分別為強(qiáng)度S服從正態(tài)分布的均值及方差；β為可靠性指標(biāo)，可表達(dá)為

在計(jì)算完試驗(yàn)可靠度指標(biāo)后，該R值可通過(guò)查閱標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得到。

加載低溫步進(jìn)應(yīng)力工作剖面：常溫下開(kāi)始施加應(yīng)力，然后溫度以每步10 ℃往下降，每步停留10 min，保持期間對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試，直到確定產(chǎn)品的工作溫度下限。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電感管腳的應(yīng)力值最大，采用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論計(jì)算其不同溫度條件下最大應(yīng)力結(jié)果對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)可靠度如表1所示。由表1中可知，管腳在-90 ℃時(shí)的應(yīng)力為290.48 MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的可靠度指標(biāo)為0.885，依據(jù)樣件的可靠度指標(biāo)要求，采用可靠度0.9 為閾值，因此選擇-80℃為低溫工作極限。同理，根據(jù)表2 所示，選擇130 ℃為高溫工作極限。

表1 低溫載荷加載應(yīng)力及對(duì)應(yīng)可靠度值Tab.1 Corresponding reliability value of low-temperature load stress

表2 高溫載荷加載應(yīng)力及對(duì)應(yīng)可靠度值Tab.2 Corresponding reliability value of high-temperature load stress

表3為快速溫變加載應(yīng)力值及對(duì)應(yīng)試驗(yàn)可靠度值，以低溫工作極限溫度+5 ℃和高溫工作極限溫度-5 ℃對(duì)應(yīng)工作應(yīng)力為上下限，溫變率以實(shí)際試驗(yàn)箱的最快溫變率為準(zhǔn)，仿真過(guò)程中可逐漸調(diào)整溫度范圍。由表3 可知，管腳在125 ℃時(shí)的應(yīng)力為267.39 MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)可靠度指標(biāo)為0.908，當(dāng)可靠度低于0.9 時(shí)，可認(rèn)為樣件易發(fā)生失效，因此確定快速溫變工作極限的范圍為：-75℃～125℃，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定溫變率為

表3 快速溫變加載應(yīng)力值及對(duì)應(yīng)試驗(yàn)可靠度值Tab.3 Corresponding reliability value of fast-temperature-change load stress

60 ℃/min。

結(jié)合溫度循環(huán)載荷試驗(yàn)仿真分析得到的最大應(yīng)力結(jié)果，基于試驗(yàn)可靠度計(jì)算結(jié)果，根據(jù)表4，取可靠度0.9 對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)作為HASS 剖面中的溫度循環(huán)次數(shù)，即確定快速溫變應(yīng)力剖面的循環(huán)次數(shù)為4次。

表4 循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)可靠度Tab.4 Corresponding reliability value of cycle numbers

表5為振動(dòng)加載應(yīng)力值?；诳煽慷扔?jì)算結(jié)果分析，管腳最大應(yīng)力為212.89 MPa，對(duì)應(yīng)的可靠度值為0.885，低于0.9的可靠度指標(biāo)要求，因此依據(jù)可靠度指標(biāo)要求，取大于等于0.9 的振動(dòng)量級(jí)為振動(dòng)工作極限，即振動(dòng)工作極限為40 Grms。

表5 振動(dòng)加載應(yīng)力值Tab.5 Vibration load stress value

根據(jù)上述確定的溫度工作極限和振動(dòng)工作極限，參考HASS 試驗(yàn)國(guó)際行業(yè)通行方法確定初始剖面參數(shù)，如圖8示。

圖8 初始HASS剖面Fig.8 Initial profile of HASS

溫度參數(shù)：溫度范圍為溫度上下工作極限的80%，因此，溫度循環(huán)的范圍為-60 ℃～100 ℃，起始溫度為室溫20 ℃，溫變率為60 ℃/min，循環(huán)次數(shù)為4次，高、低溫滯留時(shí)間為10 min。

振動(dòng)參數(shù)：振動(dòng)量級(jí)為振動(dòng)工作極限的50%，因此，隨機(jī)振動(dòng)的初始量級(jí)為2 Grms，振動(dòng)量級(jí)為20 Grms，滯留時(shí)間為整個(gè)溫度剖面的時(shí)間。

2.3 HASS優(yōu)化確定

在初始HASS 剖面的綜合應(yīng)力條件下，經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析得到電感管腳在初始HASS 剖面下的試驗(yàn)可靠度為0.895，鑒于試驗(yàn)可靠度值低于試驗(yàn)可靠度閾值，進(jìn)一步對(duì)HASS試驗(yàn)剖面進(jìn)行優(yōu)化。

電感管腳的可靠度較低，影響因素主要是溫度范圍，可進(jìn)一步調(diào)整溫度范圍為-50 ℃～90 ℃，振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)為20 Grm。進(jìn)一步對(duì)其試驗(yàn)可靠度進(jìn)行計(jì)算，在優(yōu)化HASS 剖面的溫度范圍下，電感管腳在初始HASS剖面下的試驗(yàn)可靠度為0.908，試驗(yàn)可靠度值滿足試驗(yàn)可靠度指標(biāo)要求，因此確定最終的振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)為20 Grms，溫度范圍為-50 ℃～90 ℃，溫變率為60 ℃/min，循環(huán)次數(shù)為4次。

綜上所述，確定電子產(chǎn)品樣件的最終HASS 試驗(yàn)剖面如圖9所示。

圖9 HASS試驗(yàn)剖面Fig.9 Test profile of HASS

2.4 安全性/有效性驗(yàn)證

在完成測(cè)試后，應(yīng)當(dāng)再更換新的篩選產(chǎn)品，應(yīng)用調(diào)整過(guò)的篩選條件反復(fù)驗(yàn)證，如皆未發(fā)生因應(yīng)力不當(dāng)而被破壞的現(xiàn)象，即可判斷篩選剖面有效；反之，則應(yīng)繼續(xù)調(diào)整篩選方案以獲得最佳的HASS篩選剖面。

HASS試驗(yàn)的有效性是指HASS試驗(yàn)剖面能夠激發(fā)電子產(chǎn)品的潛在缺陷。在該部分的研究中將對(duì)已知制造缺陷按照所選擇的HASS 試驗(yàn)剖面進(jìn)行試驗(yàn)，充分說(shuō)明試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)的有效性和合理性；同時(shí)將HASS 試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有ESS 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定HASS 試驗(yàn)可激發(fā)電子產(chǎn)品存在的潛在深層缺陷，表明HASS試驗(yàn)的優(yōu)越性。之前確定的主要故障模式包含焊點(diǎn)失效、接觸不良、接插件連接失效、螺釘連接松脫等，最終確定植入10 個(gè)缺陷，利用所確定的最終HASS試驗(yàn)剖面，經(jīng)過(guò)30次驗(yàn)證篩選試驗(yàn)，每次植入上述的10個(gè)缺陷（共計(jì)300個(gè)缺陷），篩選試驗(yàn)共暴露277個(gè)缺陷，故缺陷檢出率為277/300=0.923 3。實(shí)際的篩選試驗(yàn)結(jié)果表明驗(yàn)證剖面對(duì)于所植入的缺陷具有很好的激發(fā)性，同時(shí)也說(shuō)明設(shè)計(jì)的HASS剖面的有效性。

HASS試驗(yàn)剖面的安全性不僅要保證試驗(yàn)樣件在經(jīng)過(guò)HASS 篩選之后有充分的剩余壽命，而且要保證試驗(yàn)樣件自身的功能不受影響，因此對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行電性能測(cè)試來(lái)驗(yàn)證HASS 試驗(yàn)剖面的安全性。通過(guò)分析HASS 剖面下的可靠性模型為指數(shù)威布爾模型，在HASS 試驗(yàn)之后產(chǎn)品的剩余壽命百分?jǐn)?shù)p=0.991 4，認(rèn)為HASS 試驗(yàn)剖面是安全的。且在HASS試驗(yàn)后，對(duì)樣件進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查，檢測(cè)結(jié)果顯示產(chǎn)品經(jīng)過(guò)HASS篩選試驗(yàn)后，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯損傷，證明了HASS試驗(yàn)剖面的安全性。對(duì)比HASS 試驗(yàn)前后試驗(yàn)樣件的電性能，試驗(yàn)后試驗(yàn)樣件電壓信號(hào)穩(wěn)定、無(wú)畸變，電性能相差較小，可證明HASS試驗(yàn)剖面的安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在已有的高加速應(yīng)力篩選定性理論的基礎(chǔ)上，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、試驗(yàn)、驗(yàn)證等步驟給出一套適用于電子產(chǎn)品的可量化的高加速應(yīng)力篩選剖面的試驗(yàn)條件，該量化的篩選剖面條件對(duì)指導(dǎo)高加速應(yīng)力篩選操作具有實(shí)際意義，符合航天各領(lǐng)域型號(hào)高加速應(yīng)力篩選的現(xiàn)狀和需求。