鄧建國(guó)

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

為了提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和工藝中的缺陷，1979年美國(guó)海軍（NAVMAT）的首席代表Willoughby W J先生開(kāi)始提出環(huán)境應(yīng)力的篩選方法，使用溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)的方式去篩選制造和工藝方面的缺陷。然而隨著產(chǎn)品對(duì)強(qiáng)度和可靠性的要求越來(lái)越高，一般的可靠性試驗(yàn)逐漸無(wú)法滿足產(chǎn)品的需求。20世紀(jì)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(yàn)方法：高加速壽命試驗(yàn)（HALT）和高加速應(yīng)力篩選（HASS），其中高加速應(yīng)力篩選作為一種新的環(huán)境篩選手段，通過(guò)人為施加超過(guò)實(shí)際使用環(huán)境的激發(fā)應(yīng)力，快速暴露產(chǎn)品潛在缺陷，從而達(dá)到提高可靠性的目的。

從高加速應(yīng)力篩選技術(shù)提出至今，迅速在各工業(yè)部門推廣應(yīng)用。國(guó)外航天、汽車、通信、商用飛機(jī)等領(lǐng)域已經(jīng)大量應(yīng)用高加速應(yīng)力篩選技術(shù)，并形成了行業(yè)規(guī)范。美國(guó)、日本、新加坡等國(guó)家已經(jīng)成規(guī)模的開(kāi)展高加速應(yīng)力篩選技術(shù)研究和應(yīng)用。國(guó)外的工程經(jīng)驗(yàn)表明，高加速應(yīng)力篩選過(guò)程可有效地暴露產(chǎn)品的潛在缺陷和提高產(chǎn)品的可靠性水平。

高加速應(yīng)力篩選在國(guó)內(nèi)航天、航空領(lǐng)域已有應(yīng)用，并總結(jié)了型號(hào)規(guī)范，但未有國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。在篩選方面，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣的是GJB 1032-1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》和GJB/Z 34-1993《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》。

高加速應(yīng)力篩選僅適用于研制階段已經(jīng)過(guò)高加速壽命試驗(yàn)或可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)找出其工作極限和破壞極限的產(chǎn)品的批生產(chǎn)過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)尚未制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，只有部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 高加速應(yīng)力篩選的基本原理及優(yōu)勢(shì)

1.1 高加速應(yīng)力篩選的基本原理

高加速應(yīng)力篩選，GJB 451A-2005《可靠性維修性保障性術(shù)語(yǔ)》中給出的定義是為了加速篩選進(jìn)度并降低成本，參照高加速應(yīng)力試驗(yàn)得到的應(yīng)力極限值，以既能充分激發(fā)產(chǎn)品的缺陷又不過(guò)量消耗其使用壽命為前提，對(duì)批量產(chǎn)品進(jìn)行的篩選。

高加速應(yīng)力篩選是在高加速壽命試驗(yàn)（HALT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的篩選方法，一般是使用溫度循環(huán)和振動(dòng)的綜合應(yīng)力，其特點(diǎn)是使用的應(yīng)力大，需要的循環(huán)數(shù)少、時(shí)間短。高加速應(yīng)力篩選一般應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，通過(guò)對(duì)研制階段可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）數(shù)據(jù)的利用，大大增加了生產(chǎn)過(guò)程的篩選效率，并同時(shí)降低了篩選的費(fèi)用和時(shí)間。國(guó)內(nèi)的高加速應(yīng)力篩選是在常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選和可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是一種高效率剔除批生產(chǎn)過(guò)程引入產(chǎn)品內(nèi)潛在缺陷的篩選方法。

高加速應(yīng)力篩選的理論依據(jù)是故障物理學(xué)。產(chǎn)品中有缺陷部位易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在環(huán)境應(yīng)力的作用下，有缺陷部位將產(chǎn)生比其它部位大得多的應(yīng)力而產(chǎn)生疲勞損傷和破壞。高加速應(yīng)力篩選把失效或故障作為分析的主要對(duì)象，通過(guò)激發(fā)故障、分析故障和故障整改達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性的目的。高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)基于以上原理，在篩選過(guò)程中對(duì)被試品施加超過(guò)正常條件下的環(huán)境應(yīng)力，從而快速激發(fā)出被試品的潛在缺陷，提高篩選試驗(yàn)的效率。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，快速溫度變化與隨機(jī)振動(dòng)是誘發(fā)產(chǎn)品故障的最佳應(yīng)力。因此，高加速應(yīng)力篩選使用隨機(jī)振動(dòng)與快速溫度變化作為其篩選的應(yīng)力。

1.2 高加速應(yīng)力篩選的優(yōu)勢(shì)

從高加速應(yīng)力篩選的基本原理、特點(diǎn)及與其它常用篩選方法比較不難得出，高加速應(yīng)力篩選相對(duì)于傳統(tǒng)環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）具有下列優(yōu)勢(shì)：

（1）以最低成本和最短時(shí)間將相關(guān)潛在缺陷變?yōu)槊黠@缺陷。

（2）以最低總成本和最短時(shí)間檢測(cè)盡可能多的缺陷，以縮短反饋延遲并降低成本。

（3）通過(guò)降低發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)的故障總數(shù)，提高使用可靠性。

（4）降低生產(chǎn)篩選維修和保證期的總成本。

但高加速應(yīng)力篩選在應(yīng)用中也存在技術(shù)方案制定難度大、投入大，所需產(chǎn)品信息多，篩選剖面通用性不足，需要特殊的試驗(yàn)設(shè)備等困難，對(duì)于大批量、高可靠的產(chǎn)品，高加速應(yīng)力篩選的經(jīng)濟(jì)性更好，應(yīng)用意義更大。

2 高加速應(yīng)力篩選剖面設(shè)計(jì)及有效性驗(yàn)證

典型的高加速應(yīng)力篩選設(shè)計(jì)過(guò)程包括初始剖面設(shè)計(jì)、篩選驗(yàn)證（POS）和篩選試行3個(gè)階段，其中篩選驗(yàn)證（POS）過(guò)程用于確認(rèn)篩選效果和確定篩選不會(huì)引入缺陷或嚴(yán)重影響產(chǎn)品壽命。典型的高加速應(yīng)力篩選設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

高加速應(yīng)力篩選剖面制定一般流程為：

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

（2）使用初始剖面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行篩選，驗(yàn)證剖面的有效性。

（3）采用通過(guò)有效性驗(yàn)證的高加速應(yīng)力篩選剖面進(jìn)行產(chǎn)品剩余有效壽命影響分析。

（4）形成高加速應(yīng)力篩選的最終剖面，用于篩選實(shí)施。

高加速應(yīng)力篩選剖面制定流程如圖2所示。

由于選擇了較高應(yīng)力，高加速應(yīng)力篩選的效率通常比傳統(tǒng)環(huán)境應(yīng)力篩選高出很多，因此可以不進(jìn)行有效性驗(yàn)證，簡(jiǎn)化篩選剖面制定過(guò)程，但對(duì)于組成復(fù)雜或冷卻方法特殊的產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)開(kāi)展有效性驗(yàn)證。如果有相關(guān)數(shù)據(jù)或技術(shù)文件能夠說(shuō)明篩選初始剖面對(duì)于不會(huì)對(duì)產(chǎn)品有效壽命產(chǎn)生不可接受 的影響，則可以不進(jìn)行剩余有效壽命影響分析，簡(jiǎn)化篩選剖面制定過(guò)程，但對(duì)于溫度快速變化或振動(dòng)應(yīng)力敏感的產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)開(kāi)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(duì)于高加速應(yīng)力篩選，需要獲得具體產(chǎn)品的高低溫工作極限和（或）破壞極限，據(jù)此來(lái)確定高加速應(yīng)力篩選的溫度循環(huán)應(yīng)力初始值。這就需要研究溫度工作極限及破壞極限應(yīng)力的確定方法。在工程實(shí)踐中，產(chǎn)品的高（低）溫工作極限和破壞極限一般結(jié)合可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)或步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)得到：

（1）高（低）溫工作極限的確定：對(duì)篩選產(chǎn)品從常溫開(kāi)始，施加步進(jìn)應(yīng)力逐步升高（降低）溫度，篩選產(chǎn)品在某一溫度臺(tái)階下工作特性不再滿足技術(shù)條件的要求，但溫度應(yīng)力強(qiáng)度降低后，篩選產(chǎn)品仍能恢復(fù)正常工作特性，則使得篩選產(chǎn)品工作特性不再滿足技術(shù)條件要求的溫度臺(tái)階應(yīng)力，為篩選產(chǎn)品的高（低）溫工作極限。

（2）高（低）溫破壞極限的確定：對(duì)篩選產(chǎn)品從常溫開(kāi)始，施加步進(jìn)應(yīng)力逐步升高（降低）溫度，篩選產(chǎn)品在某一溫度臺(tái)階下工作特性不再滿足技術(shù)條件的要求，但溫度應(yīng)力強(qiáng)度降低后，篩選產(chǎn)品不能恢復(fù)正常工作特性，則該溫度臺(tái)階應(yīng)力為篩選產(chǎn)品的高（低）溫破壞極限。

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

步進(jìn)應(yīng)力施加可按照?qǐng)D3（以低溫步進(jìn)為例）的方式進(jìn)行，在每個(gè)溫度臺(tái)階下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能性能測(cè)試，以檢驗(yàn)是否能夠耐受該溫度應(yīng)力。

2.2 高加速應(yīng)力篩選的應(yīng)力選擇和確定方法

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)力環(huán)境效應(yīng)，一般將溫度循環(huán)和振動(dòng)應(yīng)力作為高加速應(yīng)力篩選的典型應(yīng)力。雖然濕度可以誘發(fā)部分故障，考慮為達(dá)到理想的篩選效果，使用了HALT試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要施加溫度和振動(dòng)應(yīng)力，因此不再施加濕度，本項(xiàng)目研究時(shí)也不考慮濕度應(yīng)力。從試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)成本和篩選方法的普適性等方面考慮，高加速應(yīng)力篩選工程實(shí)踐中不采用低氣壓、霉菌、鹽霧、電磁、太陽(yáng)輻射、防水、砂塵、抗風(fēng)、沖擊、積冰/凍雨等環(huán)境應(yīng)力。因此，高加速應(yīng)力篩選剖面中涉及到的參數(shù)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(xù)時(shí)間、溫度循環(huán)的次數(shù)、振動(dòng)譜和量值、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

要得到初始剖面中的上述參數(shù)，需要產(chǎn)品充分地進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)或者高加速壽命試驗(yàn)，準(zhǔn)確掌握產(chǎn)品的溫度和振動(dòng)方面的破壞極限和工作極限，也就需要試驗(yàn)項(xiàng)目組具有很強(qiáng)的產(chǎn)品故障分析能力，以及在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)施加步進(jìn)應(yīng)力逐步、耐心地摸清產(chǎn)品耐受環(huán)境底數(shù)。高加速應(yīng)力篩選的應(yīng)力是高于產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范極限，低于破壞極限。圖4標(biāo)明了高加速應(yīng)力篩選和傳統(tǒng)環(huán)境應(yīng)力篩選的應(yīng)力范圍。

2.3 篩選有效性驗(yàn)證

篩選有效性是高加速應(yīng)力篩選剖面是否適用的判定標(biāo)準(zhǔn)。有效的環(huán)境應(yīng)力篩選在篩選過(guò)程需要滿足以下條件：

（1）環(huán)境應(yīng)力篩選過(guò)程中，所施加的各種應(yīng)力、應(yīng)力施加的時(shí)間和應(yīng)力的大小應(yīng)能夠快速、有效、經(jīng)濟(jì)地激發(fā)出產(chǎn)品的潛在缺陷；

（2）環(huán)境應(yīng)力篩選過(guò)程中不引入新的失效機(jī)理或產(chǎn)生新的缺陷，也不會(huì)過(guò)度消耗產(chǎn)品的使用壽命。

篩選的有效性是指高加速應(yīng)力篩選剖面能夠激發(fā)出產(chǎn)品中潛在缺陷的能力。篩選的有效性驗(yàn)證可以通過(guò)將正常的試件和有制造缺陷的試件同時(shí)放入到試驗(yàn)設(shè)備中，按照所選擇的剖面進(jìn)行高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行失效分析，并判斷失效的原因是由于經(jīng)受了過(guò)應(yīng)力造成的，還是由于制造缺陷或疲勞誘發(fā)的，從而判定該環(huán)境應(yīng)力篩選剖面所選擇的應(yīng)力、施加時(shí)間、應(yīng)力量級(jí)是否正確。

若失效是因?yàn)樵诟呒铀賾?yīng)力篩選過(guò)程中經(jīng)受了過(guò)應(yīng)力，則需相應(yīng)減小環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)剖面中的應(yīng)力值，再選用新的試件按照上述方法重新驗(yàn)證篩選有效性；若事先注入試件的缺陷未能夠在篩選過(guò)程中被激發(fā)，則可通過(guò)增加高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)剖面的應(yīng)力值或循環(huán)周期來(lái)增強(qiáng)篩選強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展了高加速應(yīng)力篩選剖面設(shè)計(jì)與評(píng)估方法研究，先后提出高加速應(yīng)力篩選剖面設(shè)計(jì)方法、高加速應(yīng)力極值摸底方法以及篩選有效性驗(yàn)證方法，確定高加速應(yīng)力篩選的主要步驟，可以指導(dǎo)高加速應(yīng)力篩選剖面設(shè)計(jì)、評(píng)估方法制定。