高加速寿命试验(HALT)与高加速应力筛选(HASS)设备设计分析

李一鹏

（苏州东菱振动试验仪器有限公司，苏州 215163）

前言

高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS)是可靠性环境试验的两种试验方法。高加速寿命试验多针对设计过程验证，HASS主要针对生产过程，多用于电子产品的缺陷筛选及寿命测试。早期HALT&HASS主要针对美国军方产品的设计验证与产品筛选，现在该方式已成为很多公司新产品上市前必需通过的验证， 同时也成为美国电子类产品的标准验证方式。

一方面，产品在量产后所承受的环境应力，与传统模拟试验所设计的环境应力相当，最多在考核产品耐环境试验时，适当提高一个试验裕度。通过这种思路及方法验证过的产品，按理说应该很少出故障，其环境适应性和可靠性可以令人满意，但实际情况却是：许多产品顺利通过了设计鉴定试验和生产验收试验， 其返修率及失效率依然很高，使得产品得不到充分的环境模拟验证及可靠性保障。

另一方面，随着社会对产品可靠性要求越来越高，其可靠性验证所花费的时间也将会越来越长。从而导致研发周期的加长，同时也增加了研发成本，最终引起产品竞争力下降。表1为HALT与传统模拟试验的比较。

可见， HALT&HASS是一种先行作用的，用于寻找改进产品可靠性的方法，而大多数传统方法的目的是测量产品可靠性，而不是改进产品可靠性。使用HALT 的好处包括：迅速获得成熟的产品，加快投产速度，更高的产品质量裕度等。使用HASS的好处包括：快速筛选产品缺陷，降低产品故障率，明显提高用户满意度等。

1 HALT&HASS 的主要工作内容

HALT&HASS的主要几项工作流程图如图1。

这几项工作中，为了更好地完成HALT&HASS过程，前6项工作是必须完成的，而第7项工作可以为未来的产品带来长期的改进。这几项主要工作大致内容介绍如下：

表1 HALT 与传统模拟试验比较

1.1 初期设定的预应力值与应力控制过程：预应力应设定在产品设计规范规定的应力裕度内，一旦确定在该应力条件下不能激出产品缺陷，应该适当提高施加的应力裕度，使其接近产品的破坏裕度上限。在某些高要求的产品试验中，甚至允许适当超出产品的破坏裕度。

1.2 析出：即是将潜在的缺陷变为明显的或可检测的缺陷。析出通常是在HALT中或析出筛选中完成的。

1.3 检测和故障分析： 检测和故障分析意味着确定故障位置，并确定故障产生原因。例如，在PCB板焊点出现问题时，我们需要确定出现焊点故障的原因。如果进行HALT&HASS试验，该焊点会因热膨胀系数匹配不良而产生极值应力，从而析出故障点并确定解决措施。

1.4 纠正措施及纠正措施验证： 纠正措施意味着更改相应的设计及工艺，使未来不再发生故障，从而达到设计目的。而纠正措施验证意味着出现的问题可浮现，如果缺陷得到多次复现确认，相应的故障就有了不再发生的可能性。同时，将试验得到的数据存入数据库，不但可以从该数据库中获得宝贵的知识，还能避免未来产品再次发生类似事件。

图1 HALT&HASS 主要工作流程图

2 HALT&HASS 应力源设计分析

现阶段常用的HALT&HASS试验系统主要由两大应力源构成，即振动压力源和温度应力源，下面我们分别讨论这两种应力源的基本设计原理及过程。

2.1 振动应力源的设计分析

常用的振动应力源包括机械振动台、电动振动台、液压振动台、压电式振动台等，其通用特性比较如表2。

通过表2可知，机械振动系统是在一个频率上激励一个方向，在HALT&HASS应用中，这几乎是一个无用的系统，因为这种振动台建立的振动概率密度不会超过2倍的Grms量值的平方根。

液压振动台具有大功率，大位移的优点。但频响低的特点限制了其在HALT&HASS试验系统中的应用面，现多用于针对大推力，低频响类HALT&HASS试验的振动激励源，例如，重卡的极端道路试验验证。

表2 振动应力源比较

电动振动台有很多优点，包括良好的谱型控制，但这在HALT&HASS试验中是不必要的，其缺点是成本高，长时间运行可靠性较差以及振动台附近磁场较高等，一般不用做HALT&HASS试验系统的振动应力源。

HALT&HASS试验系统一般使用气动冲击激励式全轴向振动台(简称气动式振动台)作为其振动应力源，其可以产生高的加速度峰值，频率响应达到上万Hz，且成本低廉。下面我们来讨论气动振动台的设计。如图2，气动式振动台一般有振动子系统，控制子系统，辅助设备三部分组成。

振动子系统包括气锤和台板，由接地弹簧支撑，台板下方多个位置分别从不同角度安装气锤，当给气锤通入一定压力的气体时，气锤将产生原始激励信号并激励上部台板，最终在台板上表面得到试件的振动激励。由此可知，该设备振动激励的能谱优化与气锤及台板的动力优化设计关系密切。

国外常用的气锤有以下三种：等轴式活塞气锤、阶梯式活塞气锤以及浮动式随机振动气锤，见图3。

等轴式活塞气锤具有结构简单，易于工程实现的特点，但需求的工作压力较高；阶梯式活塞气锤的能谱特性较优于等轴式，需求气压低，是目前普遍采用的气锤类型之一；浮动式随机振动气锤的原始激励信号的能谱特性较前者有改善，但结构复杂，易出现卡死现象，还需要继续优化。

台板动力特性的优化可以更好地解决其动力学传递特性。目前，某公司选用先进的合金材料，设计加工了系列结构新台面，见图4。该公司的例行测试表明，该类加筋夹层台板具有良好的动力学传递特性。

控制子系统一般由PLC（可编程逻辑控制器）、电气比例阀、加速度传感器、信号分析仪以及控制计算机组成。该部分的主要功能是对台面上的振动激励进行控制以满足振动强化试验要求。辅助系统包括空压机，气路转换接头，分配器以及辅助管路等，该部分的主要功能是为气锤的正常工作提供动力。如图5所示。

从图中可知，控制计算机通过脉冲或者模拟式控制接口，给PLC发送一个目标控制量级(即一个目标控制加速度均方根值)，PLC根据该量级调节电气比例阀的开口大小，控制压缩空气进入气锤的气压大小，从而控制台面上的振动激励量级。通过加速度传感器实时采集台面的振动信号后，送入信号分析仪进行归一化处理，接着计算该信号的均方根值并将该均方根值提供给PLC，以此逐步调整台面的实际振动量级与目标控制量级之间的差异，最终达到实际振动量级与目标控制量级之差小于预先给定的容差范围。

图2 气动式振动台示意图

图3 (从左到右)分别为等轴式, 阶梯式,浮动式气锤

图4 某公司台板

图5 气动式振动应力源工作原理图

2.2 温度应力源的设计分析

常用的温度应力源有两种类型：压缩机(机械制冷)冷却和液氮冷却配合电加热。机械制冷一般包括家用空调，温度环境试验箱等，该类温度应力源具有温度稳态性能好的特点，但是其温度变化速率有限，单位温度变化速率的制冷成本高，且可靠性没有液氮制冷好。当要求高速率的热循环时，一般采用液氮冷却配合电加热的形式。这两种类型的温度应力源特性比较见表3。

液氮冷却配合电加热形式的温度应力源其温度变化速率目前已经达到了200℃/min，可以满足绝大部分温度变换速率敏感类缺陷的要求。该类型温度应力源的控制框图如图6所示。

从图中可知道，整个温度应力源均以PLC为控制核心。安装了安全泄放回路的液氮源通过安全电磁阀及调压阀后，作用到HALT&HASS试验箱。同时电加热源经过加热控制装置控制电加热丝的加热温度，该加热丝也作用于HALT&HASS试验箱。PLC通过试验要求进行逻辑控制，从而确定以下3方面控制要求：1)通过调节加热控制器斩波比实现加热升温的控制。2)通过调节调压阀的开口比例及开口比例变化率，控制降温及降温的变化快慢。3)协调系统进行升降温的安全控制，并根据试验条件，决定什么时候需要升温，什么时候需要降温。

表3 温度应力源比较

图6 气动式温度应力源工作原理图

3 前景分析

HALT&HASS试验系统可以帮助用户快速找到产品缺陷及提高研发周期。相关的HALT&HASS试验设备在国内才起步不久，谈不上大面积推广应用，而国外已有多家公司的HALT&HASS试验系统用于实际产品的寿命试验与缺陷筛选。而国外的这方面重大设备长期对中国禁运，所以，加快HALT&HASS试验设备的研制以及理论研究已是当务之急。另外从市场角度出发，基于中国产品质量的现状以及广大的市场应用面， HALT&HASS试验设备必将在国内有一个大的需求增长期。

同样， HALT&HASS试验设备在多行业的推广应用也将推动该类试验设备的快速发展， 提出新的要求，大量的新型应用技术也会应用与该类型设备，从而对HALT&HASS试验设备的理论研究与设备设计工作起到促进的作用。

[1]祝耀昌，环境适应性设计与高加速寿命试验[J].航空标准化与质量，2012.1.

[2]祝耀昌.高加速应力筛选(HASS)的基本概念和原理[J].军用标准化，2012.2.

[3]( 美)Gregg K.Hobbs 著，丁其伯 译.高加速寿命试验与应力筛选[M].北京：航空工业出版社，2012.

[4]蒋培，张春华，陈循，温熙森.超高斯随机振动环境的疲劳强化机理[N]国防科技大学学报，2004,3.