可靠性强化试验的实施方法

任德洁， 崔杰， 钱思宇， 王文岳

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所, 江苏 苏州 215011）

0 引言

可靠性强化试验 （ RET: Reliability Enhancement Test） 也被称为高加速极限试验（HALT: Highly Accelerated Limit Test）, 是一种通过逐步地增强施加在试验产品上的试验应力（如温度、 振动、 快速温变和振动综合应力等）, 确定产品的耐受应力极限的试验[1]。 在施加步进应力过程中, 各种量级的应力大大地超出技术规范极限, 从而可以快速地激发和暴露产品的潜在缺陷。在试验过程中, 对出现的所有失效进行故障分析,并通过试验、 分析、 改进和验证的试验方法, 以提高产品的固有可靠性。

HALT 通常被认为是Highly Accelerated Life Test （高加速寿命试验） 的缩写。 但这种试验技术是一种定性的加速试验, 用于评估产品的强度极限, 而不能评估产品的可靠性或某种特定环境下的使用寿命, 因此, 被称为高加速极限试验更为合适[2]。

1 试验流程

1.1 分析敏感点

实验前分析产品对应力的敏感点是开展RET的重要环节, 可以从以下2 个方面进行。

a） 开展失效模式与影响分析（FMEA: Failure Mode and Effects Analysis）, 在产品设计阶段和过程设计阶段, 对产品的子系统、 组件（电子、 机械元件和连接件等）, 对构成过程的各个工序（电路设计、 装配技术和焊接工艺等） 逐一进行分析,评估所有潜在的失效模式, 并分析其可能的后果,提前准备替代或修复措施。

b） 对于改进或升级产品, 可以从原产品的现场使用反馈信息中得到数据, 如产品已有故障、失效机理和关联的应力类型。 若已在相似产品中开展过RET, 其试验过程和结果对新试验有很大的参考价值, 如产品的规范值、 极限值和材料特性。

结合预测分析、 现场反馈和试验结果的信息,综合分析并确定产品的薄弱点、 关联的失效机理、施加的应力类型和最可能激发失效的应力量级。

1.2 制定试验方案

完善的试验方案应该包含开展试验所需的一切信息和参考, 主要有以下几点:

1） 试验样品的状态, 包括尺寸、 重量和产品工作规范值等；

2） 潜在的失效模式；

3） 相关标准和文件；

4） 试验中产品的监测点；

5） 产品功能正常描述；

6） 试验流程和应力剖面图, 包括应力施加顺序、 每阶段应力的类型和量级、 持续时间和终止条件等。

1.3 试验相关准备

1.3.1 可靠性强化试验系统

a） 液氮快速制冷温箱

采用大功率阻性电热元件和液氮制冷技术, 实现快速升降温速率, 温变速率可达40～60 ℃/min； 极限温度范围达-100～+200 ℃； 温度控制精度为±1 ℃。振动系统: 采用气锤式三轴六自由度振动台, 输出非高斯带宽随机振动。 振动频率范围为20～5 000 Hz；最大加速度量级为60 Grms； 加速度控制精度为±1 Grms。 此外, 如果试验中需对产品施加电应力, 则需要准备合适的产品工作电源。

1.3.2 试验产品的准备

一般来说, 试验过程应按照由低到高的层次进行试验, 这样能充分地暴露产品的缺陷, 准确地找到失效的根本原因, 容易且低成本地采取纠正措施, 得到最佳的试验效果。 试验产品一般不少于3 组, 每组3～4 个。

试验过程中应尽量地使用镂空机箱或去掉试验产品的外壳, 以提高产品的热传导速率, 使产品可以快速地响应温度变化, 如图1 所示。 在振动步进和综合应力试验中, 应使用真实的机箱,但尽量地去掉不承力的顶盖。 此外, 通常还要禁止试验产品的过热保护功能, 但保留其他保护装置, 如过压保护、 短路保护和过流保护等[1]。

1.3.3 夹具的设计

振动夹具是动圈和试验产品的连接装置, 振动应力能否通过夹具正确地传递到产品, 关系到试验的成败和试验结果的可信度。 由此可见, 夹具的设计是十分重要的。 电子设备实际所处的振动环境的频率一般在2 000 Hz 以下, 据统计分析,印制电路板组件的疲劳失效主要是由电路板前几阶共振模态特别是第一阶共振模态引起的（多数电路板组件的一阶固有频率范围为200～300 Hz）[3],如果夹具的刚度不足, 一阶谐振频率低, 会导致传递性能较差。 试验通常选取比刚度（模量/密度）大的材料, 镁合金是做夹具的理想材料[4], 具有加工效率高, 阻尼性能好的优点。 同时, 产品夹具应具有一定的通用性, 具有同时装载多件产品或其他相似产品的能力。 振动步进和综合应力试验中试验产品的夹具如图2 所示。

1.3.4 数据监测

试验过程中, 应对试验产品的各个关键部位的表面温度进行监测和记录, 为分析实验结果提供有用的数据, 如将温度传感器黏贴在发热量大的组件或对温度敏感的电子元器件上。 HALT 中常用的温度传感器为热电偶传感器, 其响应特性应满足试验的要求, 如在-100～+200 ℃的温变范围内有稳定的温度感应特性。 同样, 也应对产品各个关键部位的振动响应进行监测和记录, 如将加速度传感器安装在PCB 的中心位置。 传感器应为小型的三轴加速度传感器, 具有体积小、 重量轻的特点, 对监测位置的振动响应无明显的影响。 同时, 加速传感器在要求温度范围内应保持良好的工作特性, 响应频率范围和加速度测量范围应大于振动系统所能提供的最大量级。

1.4 试验项目实施

1.4.1 常温性能测试在规定的环境条件下检查产品的功能, 测量其性能指标是否正常。

1.4.2 温度步进试验

温度步进试验包括低温步进试验和高温步进试验, 应力曲线图如图3 所示。 试验可从室温环境（20～30 ℃） 开始, 也可从试验产品的设计规范值开始, 比如从-30 ℃开始低温步进, 从70 ℃开始高温步进。 温度步进值一般为5～10 ℃, 每步阶停留时间应视试验产品的结构体积大小而定, 以便产品上各个测量部位与周围环境达到平衡状态。在某一步阶若产品出现功能或性能参数不正常,应降低温度应力, 观察产品功能或性能参数是否恢复正常以确认产品的工作极限。 确定工作极限后, 继续应力步进试验, 直至确定产品的破坏极限为止。 若在试验过程中, 试验温度达到了预期目标值, 则试验可终止。

对于温度敏感的元部件, 可采取微环境保护装置来提供局部加热或局部降温, 保护其应有性能, 防止其在温度步进过程中过快失效而影响试验。 具体保护措施有安装纯阻性电阻进行通电发热、 用导风管定向导吹冷气[1]。

1.4.3 温度快速循环试验

温度快速循环试验应力示意图如图4 所示,高温温度值为高温工作极限减去5～10 ℃, 低温温度值为低温工作极限加上5～10 ℃。 试验至少执行5 个温度循环周期, 温度变化率尽可能地维持最大； 在高、 低温度值的停留时间应足够长, 以确保试验产品的温度达到所设定的温度值。

1.4.4 振动步进试验

振动步进试验的起始应力为5～10 Grms, 步进值为5 Grms, 每一阶段所维持的时间最少为10 min, 并同时在每个阶段的停留时间进行功能或性能测试。 持续地执行步进应力试验直到试验产品的工作极限被确定。 继续执行步进应力试验, 以每次增加5 Grms 的步骤直到找到破坏极限值或达到预期目标值, 终止试验。 振动步进试验曲线示意图如图5 所示。

同样, 试验人员应对振动敏感的元部件采取振动应力隔离措施, 例如: 在元部件周围安装应力缓冲装置, 或采用加长的端口连接线, 使其置于试验系统外[1]。

1.4.5 综合应力试验

综合应力试验的应力施加如图6所示。 温度应力的施加方法同温度快速循环试验的施加方法, 循环次数不少于5 个, 除非破坏极限在5 个循环前被发现。 将振动工作极限除以5 得到的值作为振动步进的起始振动量级, 每一循环增加相同的振动值, 增加值为起始振动值, 每个振动量级对应一个温度循环周期[6]。 每一阶段的停留时间中都必须执行功能测试, 可根据功能测试内容适当地延长停留时间。

1.5 失效分析及改进措施

在上述5 个阶段中, 要记录试验产品所出现的所有异常状态, 定位缺陷部件, 对其进行失效分析,查明根本原因, 搞清失效机理。 对于在产品规范应力范围内出现的产品缺陷必须改进, 而在产品规范应力范围外出现的产品缺陷, 若能确定是非固有缺陷（extrinsic defect）,原则上也必须改进, 改进措施包括:更换部件、 改进PCB 结构设计和提升生产工艺等。 对于所有的改进措施, 都必须要进行试验验证。 这样不仅可以验证改进措施真的提高了产品的工作/破坏极限, 也可以验证改进措施不会产生新的缺陷[7]。 试验的完成流程如图7 所示。

2 典型案例分析

为了说明强化试验中各个应力激发缺陷效果和采取的改进措施, 列举以下几个典型案例。

a） 在低温-57 ℃应力下, 某电子产品接收机板无法定位, 故障定位于接收机板晶振。 产品使用的晶振的工作温度范围为-40～+70 ℃, 在更换工作温度范围为-75～+115 ℃的晶振后, 系统正常定位的温度极限达到-70 ℃[8-9]。

b） 在高温+65 ℃应力下, 某液晶电视出现黑屏故障。 经分析发现引起该类故障的原因为原电路方案中大反激过流点设置偏小。 改进措施为更换电解电容器取值和大反激电流的检流电阻[10]。

c） 在温度范围为-75～+110 ℃的应力下, 某电子产品薄膜电缆组件焊点多处出现腐蚀发霉, 故障原因为在焊接时采取先焊再剪的工艺, 使焊点顶端未能涂覆三防漆, 在出现凝露时, 焊点被腐蚀。 改进措施为采用先剪后焊, 并在焊接完成后,用硅橡胶保护[8]。

d） 在振动量级为30 Grms 和60 Grms 的应力下, 某直流变流器分别出现了螺丝松动和电压不稳定缺陷, 故障原因为螺丝粘结不牢和虚焊。 在更换胶水和改进焊接工艺后, 缺陷未再出现[2]。

e） 在+80 ℃/18 Grms 和-60 ℃/30 Grms的综合应力下, 某电子产品分别出现短路和电源失效, 故障原因为PCB 固定硬件松脱并造成短路和分析泄流电阻脱落并破损。 前者的改进措施为增加开口环垫圈或螺纹锁紧黏胶, 后者的改进措施为更换泄流电阻[11]。

3 结束语

大量的实践应用证明了RET 能在不改变产品失效机理的前提下, 快速地激发并排除产品的潜在缺陷, 在产品早期的研发设计中提供改进依据, 能低成本地提高产品的固有可靠性和缩短产品研制周期。 为了准确地运用RET 技术, 可靠性工程师应增加对产品特性、 失效机理和试验流程的了解, 提高试验效率。