道路车辆 电工电子设备高加速应力筛选和稽核

许 毅，杨 弋，黄燕秋，易顺希，陈水鑫，卢兆明,

（1.上海市质量监督检验技术研究院，上海 200233； 2.苏州广博力学环境实验室有限公司，苏州 215129）

前言

通过高加速寿命试验(Highly Accelerated Life Testing,HALT)能够快速有效地确定受试样品的工作极限。HALT也是高加速应力筛选和稽核(Highly Accelerated Stress Screening and Aud iting, HASS/HASA)的前导试验。HALT的试验结果将被用于HASS/HASA选择或定义筛选器参数的依据。

在试验程序上HASS/HASA是HALT的缩减版，应用在产品上市前的量产。HALT应力能高效地发现因在元件结构的运行变化或生产过程中的降级而出现的突发性缺陷。典型的HASS/HASA筛选仅需要施加30min至1h的应力。当然还需对受试样品的连续监视过程和制订有效且安全的筛选器曲线。

1 确定HASS/ HASA的参数

每个样品对温度变化率的任何敏感性都应加以注明。这些参数应在3个不同样品上进行评价，而每个样品的每个主要参数包括：上限温度工作限值、下限温度工作限值，以及振动量级极限，进行量化限定。应算出每个参数的三个值的平均值（Xbar）和样本标准偏差。采用统计学的方法，为筛选器的3个主要的参数确定起始点。统计学方法将解释样品间的工作极限的差异。多种行业经验建议使用平均工作极限限值的80%，不考虑其差异性。对筛选器的每个参数使用置信区间中较低的70%值的80%作为估算平均值，增加样品间的差异将减弱筛查的力度，没有差异则等效为平均值。

较低的70%置信区间的计算：将与2个自由度关联的T分数（T-s core）值用于计算，定义一个估算平均值的单边70%下界置信区间。2个自由度的T分数值（适用于样本数3）是：0.617。相同的T分数值可用于3个参数。估算平均值的70%下界的计算如下 式：

此下限估值是为3个参数的 每一个计算的。这里“s”值是受试样品的标准差。以下例子 使用“超常 规精确度”，确保 计算过程可复制。

下限工作温度的下限估算值比下限工作温度的平均值要大（在正数方向），该值记为LOL……。例如3个受试样品标 称的下限工作温度为：- 45℃、-40℃、-50℃。Xbar是-45℃，样本标准差为5℃。-43.220℃值代表对Xbar下 界的保守估算。缩减此值的80%为安全界限。

上限工作温度 的下界估算值比上限工作温度的平均值要小，该值记为UOL……。例如3个受试样品标称的上限工作温度为：+70℃、+85℃、+80℃。Xbar是+78.33℃，样本标准差为7.63℃。+75.640℃值代表对Xbar下界的保守估算。缩减此值的80%为安全界限。

鉴于温度是不累积的工作指标，振动引入疲劳累积损伤的概念。归因于疲劳累积现象，筛选器将采用工作限值的较小百分比数（较大的安全边界）。仅用下界估算的50%计算平均。首先，70%置信区间下界估算的平均值必须被计算。该值记为OL……。例如3个受试样品标称的振动工作极限为：30 Grms、40 Grms、35Grms。Xbar是35 Grms，样本标准差为5 Grms。33.22 Grms值代表对Xbar下界的保守估算。缩减此值的50 %为 安全界限。

这3个值将被记录用于下面的最 终计 算。所有用于推导这些值的计算均须记录 在案。

1）安全范围取80%和50%计算。确定HASS/HASA应力参数值的起始点的通用规则是采用温度工作范围的80%和振动工作极限的50%。一般来讲这是适宜的近似选择，而单个样品间的工作极限值 有显著差异时例外。80%安全边界计算将被应用于3个主要筛查参数平均值的70%下界置信 区间。总的期望温度范围使用温度工作极限的置信区间差进行计算。上限工作温度值减去此范围的 10%，同时下限工作温度值也减去（趋向于正数方向）此范围的10%。振动工作极限50%安全范围将被应用到较低的70%置信度。

例：下限温度工作限值的下界是：-43.22℃；上限温度工作限值的下界是：+75.640℃。总的温度范围是+75.64℃ - (-43.22℃) = 118.86℃。其10%是11.88℃。

上限工作温度值减去这个10%的值，给出如下：

高温80%值可参照 (UOL……)的计算。

下式中，下限工作温度值也减去这个 10%的值，低温80%值可参照计算。

振动工作限值下界的50%给出如下：

HASS/HASA筛选器参数的起始值由上述系列计算获得。

2）HASS试验是使用HALT应力进行100%筛选。HASS适合于生产上升试点期的理想试验；这个时期内产率低，因此100%筛选容易实现。对非常关键的产品，HASS可以在正规生产期内连续进行。 然而，大部分公司发现在稽核的基础上运作HASS才是有效果也是花费有效的，由此给出了HASA。过渡期将最初HASS活动与最终的HASA活动联系起来。这个过渡期被称为滑行路径时段（Glide Path Period）。

3）HASA筛选试验使用HALT应力进行低于100%的筛选。HASA过程与HASS相同，而非100%。HASA的抽样率是可变的。通常使用产量的5%至10%，然而，在高产率的情况下，抽样频率可降至产量的0.3%。

2 HASS/HASA 试验准备

2.1 连续监视

对受试产品组中每个样品的适当功能进行连续监视是必要的，这是因为连续监视能够尽可能地揭示在筛选过程中不断变化的产品问题。筛子被设计沉淀随后探查出使用HALT多种混合应力作用时的缺陷。造成任何一个缺陷的应力的准确混合在试验前是未知的，因此需要连续监视。监视的覆盖范围和有效性应在筛选开发过程开始之前进行优化。监视过程应有助于根本原因分析。

2.2 筛选器的建立

本过程从一个基本的筛查模版开始，且开发过程应定义模版的各项参数。高温或低温工作极限，温度变化敏感率以及振动的所有参数。筛选器的开发还包括热量均衡和振动的校准。图1所示是筛子的通用模版，演示了基本的沉淀和检出图形。所示的量值取自前面章节的示例。筛的前半部分包含快速温度转换，是沉淀部分。筛的后半部分包括缓慢转换，是检出部分。

2.2.1 筛查参数的起始点。筛选器的应力参数来源于“2 HASS/HASA 试验准备”描述的 步阶所采用的数据。

图1 HASS 循环沉淀和检出异常的描述

2.2.2 筛选器的有效性验证是让一小组部件经受在同一筛选参数下重复进行4次，查看在筛选器首次应用过后是否会发生任何问题。所有问题均应在筛选器首次使用时就被发现，且在筛选器第2、3、4次重复应用时不再出现问题。筛子有效性验证应对第一组用于建立HASS/HASA 设置的部件上运行。这一小组部件不应出售。“HASS安全性”过程之后也应验证几次。被用以验证筛子有效性的部件，若是“HASS安全性”证实它们可以承受至少20次筛查，则即使经受了这4次筛查后，仍可以被出售。

3 HASS/HASA 试 验

3.1 热电偶和加速度计应贴在用于筛查设置的首组产品上

热电偶和加速度计的附件应按HA LT中的描述运行。对各种产品内部的印制电路板的温度测量应考虑箱体提供气流的温度调节。伪样品也应被标记且其热电偶参与试验箱运行的产品控制。振动的测量将定义偏移值，用于设置台面的输入振动量级。

3.2 伪样品

HALT试验箱基于受试样品温度的测量来控制进入空气流的温度。热电偶不应被贴在用于销售的产品上，可用一个与真实产品的热激励表现相同的侍服产品。这个侍服产品可能是一个真实产品被筛选多次但决不可销售，或者也可以是非产品，位于箱内的某个地方。在夹具的位置上可更加接近于产品的热反应，这个位置应可被选用。

4 HASS的安全设置

HASS的安全设置要求在完成全部试验箱设定的程序之后进行: 稳定连续的监视过程，热均衡，输入振动的校准和筛选器的开发。

一组样 品（一个夹具装满量产部件）将经受预设的筛选20次。并不期望这些样品在这20次筛选过程中就出现问题。HASS安全的最终成功是指所有部件完成所有20次筛选无状况出现。这是基于筛子剔除了产品至少5%寿命的概念，这样重复进行20次时，不会导致产品功能的缺失。需要考虑几个重要的决定，因为这20次的概念有某种程度的任意选择。

“没有出现状况”指没有出现主要的失效。客户和承包商应在进行该步骤之前协商并给出“没有出现状况”的明确定义。下列决策要点需要斟酌：

1）若产品在10次筛选迭代之前就失效，则 该筛选器设置过于严酷，必须被减轻。注释导致失效的原因，并减轻对应失效机制（温度或振动）的力度。

2）若产品失效发生在10次与15次的筛选器迭代过程之间，则需要进行客户咨询和小组决议。该筛选器是可以被使用，还是 要降低其严酷度，在充分的筛选严酷度和可能存在的产品损伤之间达成平衡的基础上方能决定。

3）如果在过15次筛选器迭代之后未出现问题，则这个筛选器设置是可以接受的。

完成20次筛选迭代而无状况发生，说明了存在一个强大的设计余量，也给制造商更多信心可安全地补充进行再筛选。

5 运行HASS/HASA

5.1 HASS的运行

连续的产品流从生产线上卸下，紧接着进行所有功能检查操作后被转移到HASS/HASA设施所在的区域（最好是在同一建筑内）。受试样品被安装在筛选的夹具上，进行电气连接、适当功能的测试和筛选、可接受的单元返回生产流水线。对所有失效产品都将追溯原因，在量产之前接受非常规范的改进过程。在整个生产期间持续进行100%筛选的情况，其改进过程应直接作为控制图表 的过程反馈出来。HASS代表了一个机会去解决所有的制造商/供应商的问题而不将问题传递给客户，同时保证一定的生产率。当问题都被解决，生产率提升后，HASS就预期演化为HASA。

5.2 从HASS到HASA的滑行路径

从HASS到HASA间会有一个过渡期。这个过渡期的持续时间和转化点受生产率增长或受问题解决率的支配。

应该用断然的措施解决隐藏的问题，有利于提高生产效率。可以确定满产的5%至10%参与筛选。要过计算预先准备试验箱和安装夹具。如有需要，则应准备第2套夹具。如 果问题均得到了及时的解决，滑行路径将仅由生产增长率决定。应设置满产点的5%到10%筛选比例为指标。需要的试验箱体和夹具应提前计算好以确保按计划执行进程。这样做有助于帮助指导，如要求多备一套夹具的情况。

5.3 HASA的运行

滑行路径应聚合到一个筛选稽核过程。一个产品试样将被周期性地从生产线上卸下，紧接着进行所有功 能检查操作后被转移到HASS/HASA设施所在的区域。受试样品应安装在筛选的夹具上，进行电气连接、适当功能的测试和筛选、可接受的单元返回生产流水线。筛选操作随时间的产出可使用控制图表理论绘出。控制图表应直接指示出作用、反馈，产出图线值。一个改善的产出率随时间的预期值应驱动一个连续的改进过程。对超出控制的积点的反馈应迅速，并接通所有资源进行。超出控制的积点表示了日间噪声存在一个清晰信号。应对这些信号进行正当的反应。对于控制极限（噪 声）范围内的变化应根据变量的理解进行适度反应，不应干扰到连续改进的方向。统计上的重大走向在控制极限范围内的应严肃地进行直接反应。这些趋势在质量控制规范中多有定义。

6 质量控制图表

6.1 HASS/HASA质量控制图表

筛选过程的本质是最适合用于使用属性控制图如NP图和P图。P图由于可以适应样本量的微小变化则更为适宜。这种图表需要大量的样本量以绘制每个图线节点。建议每个图 线节点使用40个至50个作为样本数。若任一样品图线上发生失效的数量是4个或更多，则较少的样本数是可以接受的。笔者认为保持控制图线应与筛选操作同样重要，这些图标将指导作用与反作用，并为基于数据作出的决议提供合理依据。建议对控制图标进行独立研究，许多质量控制规范（Quality Control textbooks）对此都有说明。

6.2 用帕累托图（Pareto Charts）解决问题

帕累托图（Pareto charts）提供了更多关注的问题的相关等级索引。这是从“多而锁碎”中分离出“少而重要”的过程。这种简单的柱状图，以降序排列，可指导解决某些问题，这些问题指摘了所有出现的问题的近80%。应考虑帕累托图的三种形式：在多模块试验中，哪种类型的模块是问题的成因？什么是造成这些主要问题根本的物理的或化学的原因？在筛选图形的哪个部分发现这些问题？

7 定期再运行HALT（Re-HALT）

1）定期Re-HALT程序被设计用以保证设计余量，筛选过程正是基于此，保证设计余量不会随时间而降级。这些余量的大幅降格可能会给筛选过程带来危险，因为前面所证明的“HASS的安全”将会无效。

2）Re-HALT评估方法：采用HALT中描述的所有三个工作极限参数，对取自生产过程一个样品的两个 部件进行评估。对每个参数，将这些工作极限与平均值的95%置信区间下界进行比较。在称为“为HASS/HASA准备的HALT”的章节中，70%的置信区间被计算，现在，T分数值必须增加到95%确定度。95%置信度的T分数值是2.92。例：续前例假设上限工作温度的Xbar量值为+78.33℃，且标准差为7.63℃。此例中95%置信区间的下限是：

在产品的2个样品上进行Re-HALT，得到上限温度工作极限的平均值为+70℃。需要标注Re-HALT并没有造成了大幅降，+70℃量值大于下限+65.47℃。如果Re-HALT期间测得平均上限温度工作限值低于+65.47℃，那该试验揭露了大幅降格已经发生。类似分析也可用于下限温度工作极限和振动工作极限。

3）退化设计余量：如果Re-HALT的3个筛选参数值均超过了工作极限的95%下界区间，就要努力查找原因，并恢复缺失的设计余量。如果在这些设计余量上不存在改进可能，则应重新审查筛选操作的参数，并可能地降低力度。这必须由合同承包制造商与客户共同作出决定。

4）进行Re-HALT的频率：Re-HALT过程应在将 近每9个月到1年内进行一次。然而，如果持续出现筛选量降低的趋势，Re-HALT应更频繁地发生。

8 结论

高加速应力筛选(HASS)和稽核(HASA)是在高加速寿命试验(HALT)基础上跟进的生产商提高产品使用极限的活动。客观上可以在较短的时间使用验证周期和实验代价，结合产品的改进，有效提高产品的耐用性。

[1]王德言.环境技术与可靠性技术的发展动向[J].环境技术, 2013,12增刊: 01-06.

[2]卢兆明.道路车辆 电气及电子设备的环境试验方法和要求[M].北京：中国标准出版社, 2011.

[3]GMW 8287 Highly Accelerated Life Testing (HALT) Highly Accelerated Stress Screening and Auditing[S].

[4][美]葛瑞格·K·霍布斯.加速可靠性工程：高加速寿命试验与高加速应力筛选[M].丁其伯,译.北京：航空工业出版社, 2012.

[5]Jack A. Collins. Failure of Materials in Mechanical Design :Analysis, Prediction, Prevention[M]. Wiley-Interscience, 1993.