某航空电子设备的HALT方案设计与实施

李贤灵，李高生

（中电科航空电子有限公司，成都 610000）

LI Xian-ling,LI Gao-sheng

(China Electronics Technology Group CorporationAvionics(CETCA),Chengdu,610000,China)



某航空电子设备的HALT方案设计与实施

李贤灵，李高生

（中电科航空电子有限公司，成都 610000）

目的 研究针对某民用航空机载电子设备的HALT方案与实施，以此提高该设备的固有可靠性。方法 基于环境应力和失效的统计分布关系，结合某民用航空机载电子设备的特点，设计针对性的HALT方案，并实施HALT实验。结果 发现多个设计缺陷，并完成整改，极大地提高了该民用航空机载电子设备的可靠性。结论 通过设计针对性HALT方案与实施，发现设计缺陷，并进行设计改进，可以有效提高设备的可靠性。

航空电子设备；可靠性；HALT；HASS

LI Xian-ling,LI Gao-sheng

(China Electronics Technology Group CorporationAvionics(CETCA),Chengdu,610000,China)

可靠性差是导致我国航空电子产品相对国外同类产品差距的一个主要因素，我国航空电子产品可靠性差的主要原因除我国电子工业基础产品（即电子元器件）的可靠性差外，还包括我国航空电子产品的可靠性设计经验欠缺等因素[1]。

20世纪80年代开始，以美国Gregg K.Hobbs为代表，提出了高加速寿命试验（HALT）和高加速应力筛选（HASS）技术，该技术通过使用高于现场环境的应力，暴露产品技术设计和工艺设计的缺陷和薄弱环节，并通过失效分析，采取设计改进措施不断增加产品的健壮性，最终提高产品的可靠性[2]。目前，在国外HALT技术已经成为用于指导设计人员进行健壮设计的成熟技术，成为每个电子产品研制流程中必不可少的一个环节[3]。在国内HALT技术也在通讯、能源、航空和航天等领域逐步开展，但由于国内可靠性领域对HALT技术的研究起步较晚，且无标准可循，HALT技术的应用基本处于跟踪和典型产品的初步应用状态[4]。

文中对国内某民用航空机载电子设备，基于环境应力和失效的关系统计分布，结合该设备设计、工艺及结构等特点，设计了针对性的HALT方案，进行HALT试验，暴露设计缺陷，完成设计改进，并根据HALT结果制定了该设备HASS剖面，极大地提高了该设备的可靠性。

1　环境应力和失效因素的关系

对许多电子设备故障的调查表明，大多数电子设备的故障（失效）在本质上属于机械故障。通常，它们包括焊点、引线、器件、电路板、气密密封、黏结面、连接器和电缆的破裂；在制造工艺粗糙、设计实践欠佳和维修不当的条件下，这些故障常常是由综合的热、振动、冲击、湿气等环境的各种组合引起[5]。

由图1中数据可见[6]，在各种应力影响之中，温度和振动环境应力所引发的失效占所有环境应力引发失效的约68%左右，温度和振动应力已表现为电子设备故障的主要环境应力。

图1　环境应力和失效因素的关系Fig.1　Relationship between environmental stress and failure factors

HALT技术正是通过对试验设备系统地施加步进或综合应力（温度应力和振动应力），同时附加电源周期通断应力来快速激发设备的设计缺陷，暴露薄弱环节，从而在短期内为设备改进设计提供信息，提高设备的固有可靠性［7—15］。

2　HALT方案设计

2.1产品特点分析

该民用航空电子设备装备于民用大型飞机电子设备舱，工作环境恶劣（寿命期间内需频繁经历高低温环境、快速温度变化和剧烈振动等环境应力），且该设备可靠性要求高，同时是国内首次研制，设计师的设计经验和产品制造的工艺设计水平都是未知数。

在设计上该设备使用了大量表面安装无引线陶瓷芯片载体器件（如陶瓷电容、晶振等），这些器件安装在环氧玻璃纤维PCB上有可能是不可靠的。统计表明，温度是导致产品失效的最主要因素。在热循环条件下，PCB与安装在 PCB上的各种元器件之间热膨胀系统的差别能够产生偏移差，这些偏移差在元器件本体、引线、引线中的焊点，可能产生很高的应力。由于材料的热膨胀之差将大到足以在焊点中产生高的应变和应力，从而可能导致许多焊点故障。

该设备还有直接购买的部分功能模块，其内部还有射频连接器、SIM卡槽等容易发生故障的机械结构。PCB设计和产品制造加工采用外协的方式，其设计和制造工艺水平需进行评估。此外，为开拓国际民机市场，还需同国外成熟的产品进行竞争，这就要求该设备在保证功能、性能的前提下，具备更高的可靠性。

2.2需HALT评估环节

通过以上对该民用机载航空电子设备的产品特点分析，采用HALT技术对该设备的以下因素进行评估，以保证其可靠性。

1）确定设备的性能裕度：电应力规范极限；低温工作极限；高温工作极限；振动工作极限；低温破坏极限；高温破坏极限；振动破坏极限。

2）工艺和结构设计水平：设备整体环境设计性能评估；射频连接器和SIM卡槽的振动环境工作性能评估；PCB工艺设计水平；外购模块设计和外协工艺水平。

3）设备的薄弱环节和潜在缺陷：确定设备薄弱环节的失效模式；寻找设备的潜在缺陷；确定失效对应的失效应力；快速发现产品的设计裕度。

2.3HALT项目

为评估以上因素，基于HALT的通用试验项目，结合设备试验需求和产品特点，针对性地设计了以下的HALT方案：

2.3.1基本环境电应力试验

目的：确定设备是否满足设计工作环境规范要求（高低温工作环境、电应力工作环境），若设备失效，则必须闭环整改，同时确定设备的高低温温度稳定时间，用于确定后续试验中高低温温度保持时间，其试验剖面如图2和图3所示。

为保证试验的准确性，采用热电偶对试验件内部关键发热器件和质量相对大的器件温度进行测量，依此分别确定高低温温度稳定时间。

图2　高低温环境工作性能检测Fig.2　High and Low temperature performance test

图3　基本电应力性能检测Fig.3　Basic electrical stress test

2.3.2低温步进工作极限试验

目的：检测设备在低温下的性能退化特性，并确定产品的低温工作极限，激发产品在低温工作环境下的潜在缺陷，评估产品的低温工作裕度，其试验剖面如图4所示。其中每个步进低温温度保持时间数据来自“基本环境电应力试验”。

图4　低温步进工作极限试验Fig.4　Low temperature working limit step test

2.3.3高温步进工作极限试验

目的：检测设备在高温下的性能退化特性，并确定产品的高温工作极限，激发产品在高温工作环境下的潜在缺陷，评估产品的高温工作裕度，其试验剖面如图5所示。其中每个步进高温保持时间数据来自“基本环境电应力试验”。

图5　高温步进工作极限试验Fig.5　High temperature working limit step test

2.3.4振动步进工作极限试验

目的：检测设备在振动环境下的性能退化特性，并确定产品的振动工作极限，激发产品在振动工作环境下的潜在缺陷，评估产品的振动工作裕度，其试验剖面如图6所示。振动步进保持时间最少10 min，可根据故障检测所需的时间而适当延长。

图6　振动步进工作极限试验Fig.6　Vibration working limit step test

2.3.5低温步进破坏极限试验

目的：检测设备在低温下的性能退化特性，并确定产品的低温破坏极限，进一步激发产品在低温工作环境下的潜在缺陷，评估产品的低温工作破坏裕度，其试验剖面如图7所示。其中每个步进低温保持时间数据来自“基本环境电应力试验”，低温工作极限数据来自“低温步进工作极限试验”。

图7　低温步进破坏极限试验Fig.7　Low temperature destruction limit step test

2.3.6高温步进破坏极限试验

目的：检测设备在高温下的性能退化特性，并确定产品的高温破坏极限，进一步激发产品在高温工作环境下的潜在缺陷，评估产品的高温工作破坏裕度，其试验剖面如图8所示。其中每个步进高温保持时间数据来自“基本环境电应力试验”，高温工作极限数据来自“高温步进工作极限试验”。

图8　高温步进破坏极限试验Fig.8　High temperature destruction limit test

2.3.7振动步进破坏极限试验

目的：检测设备在振动环境下的性能退化特性，并确定产品的振动破坏极限，进一步激发产品在振动工作环境下的潜在缺陷，评估产品的振动工作破坏余量，其试验剖面如图9所示。振动步进保持时间最少10 min，可根据故障检测所需的时间而延长，振动工作极限数据来自“振动步进工作极限试验”。

图9　振动步进破坏极限试验Fig.9　Vibration destruction limit step test

2.3.8快速温度循环应力试验

目的：暴露由于设备所用器件材料热膨胀系数不同而引起的尺寸变化，以及伴随而来的材料特性和密闭性的变化；评估产品的抗剧烈温变能力，以及产品工艺设计的薄弱环节，若发生故障，需闭环整改，其试验剖面如图10所示。以至少50℃/min的变化速率（或更大）执行温度循环，高温温度为“高温工作极限-10℃”，低温温度为“低温工作极限+5℃”，其高低温温度保持时间数据来自“基本环境电应力试验”。

在升温阶段，设备通电并以最大功率工作，保证设备内部的升温速率；在降温阶段，设备断电，使设备的热量尽快散发，保证设备内部的降温速率。受试设备六个面开通风孔，在试验过程中需将HALT箱体提供的可调节活动风管引至试验设备通风孔正上方5 cm处，使设备内部与试验环境进行充分的热交换，达到规定的温度变化速率。

图10　快速温度循环应力试验Fig.10　Fast temperature cycling stress test

2.3.9综合环境应力试验

目的：通过将快速温变的试验剖面结合随机振动环境同时进行，提高加速应力的效果。评估设备的抗综合环境能力，以及设备工艺设计的薄弱环节，若发生故障，需闭环整改，其试验剖面如图11所示。温度循环应力剖面参数同“快速温度循环应力试验”参数一致；振动应力步长重复5个循环，以振动工作极限的20%为增量来增加，驻留时间为15 min。

图11　综合环境应力试验Fig.11　Comprehensive environmental stress test

2.4HALT试验件

考虑到经济性和产品研制成本，采用两台试验件进行试验，其中一台用以评估产品的功能性能设计水平和设计裕度，另一台用以评估产品的工艺设计及产品制造水平。结合产品特点以及所确定的HALT项目，根据各个试验项目的目的和所要揭发故障的特点，对试验样件进行HALT项目分配，见表1。

表1　HALT试验顺序和样件分配Table 1　HALT test sequence and sample distribution

文中假定单台试验的可靠性水平可以反映该设备的整体可靠性水平。由于产品元器件质量层次不齐和加工制造等因素导致个别产品提前失效和可靠性水平不一致的问题，由该设备的制造符合性检查（如元器件符合性检查、工艺和工艺过程符合性检查）和ESS/HASS来保证。研究通过HALT技术来提高该设备的整体可靠性水平。

3　HALT实施要求

1）温度系统要求：温度精度 ±2℃；温度范围至少覆盖-80℃～+130℃；温度控制方式为产品控制和出风口控制；温度过冲小于5℃；能够提供出风口活动风管。

2）振动系统要求：能够提供10～5000 Hz的宽频带随机振动；同时提供3轴6自由度的随机振动（如图12所示）；最大加速度不低于50g；能够同时提供温度和振动的综合环境条件。

图12　三轴六自由度的随机振动Fig.12　Random vibration of three axis and six degree

4　HALT试验实施

HALT试验选取QualMark Typhoon 4.0试验箱进行，该试验箱能够满足HALT方案的实施要求。该振动台的台面是弹性支撑，台面下多个气锤按不同角度产生随机振动，合成6个自由度的随机振动，如图13所示。

图13　振台台结构Fig.13　Structure of vibration table

5　HALT结果数据

通过HALT试验，共发现软件设计故障5项，硬件故障4项，工艺设计缺陷1项，薄弱环节4处，并提出合理化改进建议3项。对故障进行失效分析和设计改进，在基本技术极限范围内提高了设备的设计工作裕度，低温工作极限提高10℃，高温工作极限提高15℃，振动工作极限提高12.5g，一定程度上提高了该设备的可靠性。

6　HASS初始程序

通过对该设备的薄弱环节、潜在缺陷和边界裕度进行评估和改善，增加了该设备的工作极限和破坏极限裕度，提高了设备的可靠性。同时根据HALT确定的工作极限数据和破坏裕度制定初步的HASS程序[16]，如图14所示。低温应力强度取低温工作极限+5℃，高温应力强度取高温工作极限-10℃。

图14　HASS初始程序Fig.14　HASS initial program

在执行HASS之前，还需要对“HASS初始筛选程序的有效性和安全性”进行验证评估。通常将初步的HASS程序重复运行直至设备失效，统计筛选剖面的重复运行次数来评估此HASS程序的执行是否会过多地消耗产品的实际寿命。

7　结语

基于环境应力和失效的关系统计，针对国内某民用航空机载电子设备，结合其设计、工艺及结构等特点，设计了针对性的HALT方案。通过对该设备实施HALT试验，在短时间内获得了设备的高低温及振动的工作极限应力值，同时暴露了该设备在其他可靠性试验中不易暴露的潜在故障。通过对HALT试验中暴露的软硬件故障、工艺设计缺陷和薄弱环节进行设计改进，提高了该设备的可靠性。此外，根据该设备HALT数据制定了HASS剖面，从而为HALT技术在民用航空电子设备的工程实施提供了一种示例，为国内电子设备进行HALT方案设计和试验实施提供了一种参考，对提高国内航空电子设备的可靠性具有一定的应用和参考价值。

[1]张友兰.电子产品可靠性设计分析与系统级验证试验评价技术[D].北京:北京电子学会质量管理委员会, 2015.

ZHANGYou-lan.ReliabilityDesignAnalysisof Electronic Products and System Level Verification Test Evaluation Technology[D].Beijing:Beijing Institute of Electronics Quality Management Committee,2015.

[2]GREGG K Hobbs(美).高加速寿命试验和高加速应力筛选[M].北京:航空工业出版社,2012.

GREGG K Hobbs.High Accelerated Life Testing and High Acceleration Stress Screening[M].Beijing:Aviation Industry Press,2012.

[3]刘柳,周林,邵将.电子产品故障物理模型研究与应用进展[J].装备环境工程,2015,12(2):54—58.

LIU Liu,ZHOU Lin,SHAO Jiang.Progress in Research and Application of Failure Physical Model for Electronic Products[J].Equipment Environmental Engineering,2015, 12(2):54—58.

[4]董澍,石士进,李树桢,等.高加速寿命试验在航天产品中的应用展望[J].质量与可靠性,2010(增刊):258—262.

DONG Shu,SHI Shi-jin,LI Shu-zhen,et al.Application of HALT in Aerospace Products in the Prospect of[J]. Quality and Reliability,2010(s):258—262.

[5]DAVE S Steinberg(美).电子设备热循环和振动故障预防[M].北京:航空工业出版社,2012.

DAVE S Steinberg.Thermal Cycling and Vibration Fault Prevention of Electronic Equipment[M].Beijing:Aviation Industry Press,2012.

[6]邬宁彪.温度、湿度应力在电气·电子产品失效中的作用[J].印制电路信息,2005(2):14—20.

WU Ning-biao.Action of Temperature and Humidity on theElectrical-ElectronicProductsFailure[J].Printed Circuit Information,2005(2):14—20.

[7]肖敏,周漪,杨万均.典型环境中三种自然环境加速试验方法的环境强化效果分析[J].装备环境工程, 2014(2):26—31.

XIAO Min,ZHOU Yi,YANG Wan-jun.Analysis on EnhancedEnvironmentalEffectofThreeDifferent Natural Environmental Accelerated Test Methods in TypicalEnvironment[J].EquipmentEnvironmentalEngineering,2014(2):26—31.

[8]姜海勋,叶建华,李志强.可靠性强化试验技术在全压智能探头研制中的应用[J].装备环境工程,2013,10(6): 140—145.

JIANG Hai-xun,YE Jian-hua,LI Zhi-qiang.Application of Reliability Enhancement Testing in the Development of Airborne Pressure Probe[J].Equipment Environmental Engineering,2013,10(6):140—145.

[9]谢章用,李晓阳,姜同敏,等.可靠性强化试验在暴露产品故障中的应用[J].装备环境工程,2013,10(3): 96—99.

XIE Zhang-yong,LI Xiao-yang,JIANG Tong-min,et al. ApplicationofReliabilityEnhancementTestingin Revealing Product Faults[J].Equipment Environmental Engineering,2013,10(3):96—99.

[10]蒋瑜,陈循,陶俊勇.HALT试验高效率振动剖面的建立[J].宇航学报,2006,27(3):531—535.

JIANG Yu,CHEN Xun,TAO Jun-yong.High Efficiency Vibration Profile Establishment of HALT[J].Journal of Astronautics,2006,27(3):531—535.

[11]褚卫华,陈循,王考,等.HALT试验高效率温度剖面图的建立[J].宇航学报,2006,25(2):195—200.

ZHUWei-hua,CHENXun,WANGKao,etal. Establishment of a High Efficiency Temperature Profile for HALT[J].Journal of Astronautics,2006,25(2):195—200.

[12]罗晓武.电子产品整机高加速寿命试验(HALT)技术应用[J].信息科技,2013(1):210—211.

LUO Xiao-wu.The Application of High Accelerated Life Testing(HALT)of Electronic Products[J].Information Technology,2013(1):210—211.

[13]石庆国,翁榕,范秋涛.电子产品的高加速寿命试验[J].环境适应性和可靠性,2013(2):37—39.

SHI Qing-guo,WENG Rong,FAN Qiu-tao.The HALT Application for Electronic Products[J].Environmental Adaptability and Reliability,2013(2):37—39.

[14]遇今,刘碌炜.多环境强化应力试验(MEOST)-高效的可靠性试验[J].质量和可靠性,2013(2):9—14.

YU Jin,LIU Luwei.Multi Environment Enhanced Stress Testing(MEOST)-Efficient Reliability Test[J].Quality and Reliability,2013(2):9—14.

[15]黄义龙,徐红波.高加速寿命试验HALT与高加速环境应力筛选HASS[J].电子质量,2006(1):28—30.

HUANG Yi-long,XU Hong-bo.High Accelerated Life Test(HALT)and High Acceleration Stress Screening (HASS)[J].Electron Mass,2006(1):28—30.

[16]单军勇,宋晓燕.ESS试验温度循环次数确定方法研究[J].装备环境工程,2013,10(4):12—15.

SHANJun-yong,SONGXiao-yan.Determination MethodofESSTestTemperatureCycleIndex[J]. EquipmentEnvironmentalEngineering,2013,10(4): 12—15.

Design and Implementation of HALT Scheme for an Avionics

Objective To study the HALT scheme and the implementation of a civil aviation airborne electronic equipment and improve the reliability of the equipment.Methods Targeted HALT scheme was designed based on the statistical distribution of environmental stress and failure and in combination with the characteristics of a civil aviation airborne electronic equipment, and HALT test was carried out.Results After discovering several design defects and making rectifications thereof,the reliability of the airborne electronic equipment of the civil aviation was greatly improved.Conclusion Through the design of targeted HALT scheme and the implementation thereof,we have found the design defects and made improvements accordingly,with which the reliability of the equipment can be effectively improved.

avionics;reliability;HALT;HASS

2016-03-30；Revised：2016-04-07

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.019

TJ02

A

1672-9242(2016)04-0117-07

2016-03-30；

2016-04-07

李贤灵（1984—），男，山西平遥人，工程师，主要研究方向为机载电子设备可靠性和测试性。

Biography：Xianling Li(1984—),Male,from Pingyao,Shanxi,Engineer,Research focus:reliability and testability of airborne electronic equipment.