故障激发试验

梁鹏 王胜 陈思 范学

(比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院)

汽车行业快速发展，行业竞争日趋激烈，如何在保证产品质量和可靠性的情况下以最少的代价抢占市场成为了重中之重，曾有研究表明：产品投产每提前6个月，可以使寿命期获利提高50%。为了加快产品设计开发周期，尽早发现产品缺陷，需要试验快速验证产品性能。高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Test，缩写为HALT）和高加速应力试验（Highly Accelerated Stress Test，缩写为HAST）或其前身设计强化类试验就已经实现了降低现场故障，缩短投放市场的时间，实现成本缩减的目标。在成本、效率和可靠性决定成败的今天，越来越多的民用和军用大纲中明确要求进行HALT和HAST试验，故障激发试验研究势在必行。

1 HALT试验

1.1 HALT试验原理

产品性能受外界应力和自身强度的影响，HALT试验运用应力强度干涉理论，发现工作极限，改变应力和强度干涉范围，改善产品。HALT试验通过逐渐增加的阶段性的环境和严酷的工作应力在产品设计开发阶段就暴露出样件的薄弱环节，在锁定故障位置并分析故障原因和故障机理后对产品进行合理改进，使产品有更高的裕度，进而实现提高产品可靠性的目标和节省成本的目的。

不同的应力类型诱发不同的失效机理。HALT试验主要施加温度和振动应力。要求设备有快速温变能力，温度范围广，能快速有效激发。振动频率高，加速度有效值大，充分发现其缺陷。

1.2 HALT试验设备

HALT试验对设备要求较高，需要同时满足振动和温度2项基本能力。HALT试验设备如图1所示。

图1 HALT试验系统

HALT试验设备由HALT箱、频谱分析仪、温度检测仪、液氮罐和供气系统组成。该设备施加的应力大，调节范围宽，采用3轴6自由度的操作系统，加速度范围0～100 g，振动频率范围0～10000 Hz，施加的温度范围-100～200℃，通过液氮系统冷却，温变速率快，平均可达75℃/min，能快速改变温度，激发产品故障。

1.3 HALT试验流程

HALT试验流程如图2所示，一般包括以下步骤：低温步进应力试验、高温步进应力试验、快速温度循环试验、振动步进应力试验和综合环境应力试验。

图2 高加速寿命试验流程

试验前准备是在试验正式开展之前必须要针对不同的试验产品进行相应的试验评审，以确定样件的试验状态、安装方式、试验温度极限、功能检测内容以及故障判定标准等一系列相关信息，制定相关的试验计划和大纲，以保证试验的正确顺利进行。并且还要进行相关的温度响应调查以及振动响应调查，记录试验结果，为后续主体试验做准备。

回归验证是针对HALT试验后产品暴露的问题进行设计和工艺改进，为验证纠正措施的有效性而进行的验证试验，试验时可根据试验故障发生的时机进行裁剪和简化，例如：在回归验证试验的步进应力试验中，可根据情况增加步进步长，以缩短试验时间，提高试验效率。

1.4 HALT试验应力

HALT试验向产品施加的应力主要是温度和振动，除此之外，必须要考虑在内的还包括在试验期间可以向产品施加的所有可能的应力，比如电压、电流、通电循环等可能激发暴露产品设计或者工艺缺陷的应力。

试验各阶段的相关流程简图如图3所示。

图3 高加速寿命试验应力示意图

1.5 HALT试验故障处理

HALT试验旨在适当提高产品的裕度以使其更为可靠，改进工作并非盲目进行，要由设计研发人员进行工程评估，在保证产品可靠度高的同时具有高“性价比”，以免因盲目追求大裕度而造成人力物力财力的浪费。

HALT试验过程中出现故障时，应按照故障处理流程进行故障处理，确认发生故障后，现场人员应详细记录故障现象、发生试机、试验应力等情况。首先检查试验设备，检查外部线缆线束是否连接正常，夹具是否安装固定正常，测试设备，确认设备运行平稳无误，确认故障是因为样件本身引起，而非试验设备以及相关配件原因后，按照以下步骤进行故障定位和处理。在低温步进、高温步进、振动步进出现故障采用以下流程，如图4所示。

图4 故障排查

确认故障问题后应由研发人员进行故障定位，准确定位故障后采用如局部保温、试验箱外隔离等手段控制故障现象，或者确保故障现象不会因其他部位失效造成混淆的情况下，使用原样件继续试验，如果无法准确定位故障，应保留原样件以便后续分析，更换新样件继续试验。

故障问题必须要进行根因分析，准确定位故障位置，分析查证故障机理，然后对样件寿命和改进成本进行工程评估，确认是改进还是忽略故障问题，并出具相关说明。改进后的产品应进行回归验证，查验产品改进措施的有效性。

1.6 BSC（BYD Safe Control System）系统ECU的HALT试验应用案例

1.6.1 试验背景

BSC系统是公司整车研制开发的安全控制系统，包括电子液压制动、制动回馈、ABS、EBD、TCS、VDC、CDP、HHC等主动安全功能及相关的被动安全功能。BSC系统通过CAN总线与整车其他系统通讯，其中ECU作为BSC系统的电子控制单元，承载着驱动某路电磁阀和某路泵电机、相关信号处理和整车通讯等功能，在BSC系统中发挥着不可替代的作用。故而公司与赛宝合作进行产品的可靠性提升，其中HALT试验作为其中的重要一环，在改进产品性能，提升产品可靠性方面发挥了重要的作用。

1.6.2 试验准备

为使试验顺利进行，试验前需确定样件的试验状态，如图5所示，为使样件能充分暴露在环境下，将ECU开盖处理。高加速寿命试验在试验过程中有温度测试阶段和振动测试阶段，根据试验情况确定其安装方式如图6所示。确定其设计工作温度范围，以便确定试验时施加的温度应力范围。

图5 试验样件

图6 样件安装状态

1.6.3 试验项目及顺序

本次高加速寿命试验按照以下5个项目的顺序完成试验，在试验前进行温度调查和振动调查，以确定温度稳定时间、试验保温时间和产品安装状态下的振动响应情况：

1）低温步进应力试验；

2）高温步进应力试验；

3）快速温度循环试验；

4）振动步进应力试验；

5）综合环境应力试验。

1.6.4 试验结果

试验得到产品的温度工作极限是-50～125℃，振动工作极限是35 g。低温步进试验在-50℃时芯片开始工作异常，轮速信号超差。高温步进试验在125℃时芯片启动高温保护，监控界面参数异常，出现乱码。振动步进试验在40 g时控制界面开始异常，60 g时电感脱落。

1.6.5 回归验证

通过HALT试验，快速暴露出了该产品的诸多薄弱点，在针对各个薄弱点设计人员做了故障机理分析和改进，调整了工艺手段和焊接强度，改进后的产品在进行回归验证时有较好表现，产品的工作温度范围变为-80～125℃，振动工作极限大于65 g并且轮速信号超差问题得到了很好的解决，产品的性能有了很大提高。

2 HAST试验

2.1 HAST试验定义

HAST试验，全称高加速应力试验，是采用高温、高湿以及高压的环境加速湿气对于产品的侵入，以在短时间暴露产品在此方面的缺陷。

传统的高温高湿耐久试验（THB）试验周期较长，而HAST试验应力较高，采用加速试验方法，可以比传统高温高湿试验快得多的速度使产品达到设计和工艺成熟，从而缩短研制过程总时间，得以早日投放市场。HAST试验一般用于开发流程的E1（功能确认）阶段，与E2（产品定型）阶段的THB验证试验有所不同，HAST试验提升应力在于激发产品的故障，挖掘产品的短板，快速暴露产品在高温高湿下的缺陷。

2.2 HAST试验产品

HAST试验只针对非密封电子电工元器件进行，试验时一般仅对电路板施加应力，通过加速测试来确认包括半导体在内的电子电工元件和材料是否由于耐久性（寿命）或环境变化而导致功能失效。所以受试产品在设计、材料、结构与布局及工艺等方面应能基本代表产品的预期功能、性能设计指标、元器件质量和工艺水平等时，仅提供功能电路板进行测试即可，不需完整封装。

2.3 HAST试验原理

采用严酷的温度、湿度和压力，加速水分通过产品外部保护材料（密封剂或密封条）或沿外部保护材料与穿过其金属之间的界面渗透，使产品产生锡须生长、腐蚀坑、电迁移等现象，进一步导致产品失效。这种应力通常与85℃、相对湿度85%稳态湿度寿命试验激活的失效机理一致。

2.4 HAST试验设备

HAST试验设备要求压力室能够连续保持制定的温度和相对湿度，同时在制定的偏置条件下提供与被测试器件的电气连接。测试设备（卡箱、测试板、插座及接线存储容器等）的离子污染应加以控制，以避免污染测试器件。在选择板和插座材料时必须谨慎。尽量减少污染的释放，减少由于腐蚀和其他机理而引起的降解。

2.5 HAST试验方法

2.5.1 试验参数

此试验参数基于劳森模型。劳森模型定义了基于高温和相对湿度的结合因素影响决定的加速试验因数。除非相关规范另有规定，应使用表1中温度和持续时间的组合之一。每一种温度都规定了3种持续时间。在110℃、120℃和130℃时，试验箱应维持蒸汽压力分别约为0.12 MPa、0.17 MPa和0.23 MPa，如表1所示。

表1 试验参数

劳森模型如下：

式中：AT——温度决定的加速因数；

ARH——相对湿度决定的加速因数；

b——常数，5.57×10-4；

EA——激发能量，0.4eV；

K——波尔滋蔓常数，8.617×10-5eV/K；

Ti——绝对开式温度，i=1为试验条件，i=2为工作条件；

RHi——相对湿度，%；i=1为试验条件，i=2为工作条件。

试验周期可由下式得出：

2.5.2 偏压配置

HAST试验过程中样品持续工作，需按产品要求为产品配置偏压。

2.5.3 连续偏置

试验过程中持续给产品施加电压偏置，如图7所示。当器件温度≤10℃时，应选用连续偏置。当器件的散热不超过200 MW时，器件温度未知。如果器件的散热超过200 MW，计算器件温度，超过室温5℃以上，则器件高于室温的温升也应包括在内，因为这会影响失效机理或加速失效。

图7 连续偏置

2.5.4 循环偏置

适用于以适当频率和占空比周期性断电的器件，如图8所示。如果偏置导致温升超过室温10℃，那么在针对特殊类型器件进行优化时，应选择循环偏置。由于能量耗散而产生的加热往往会将水分从器件中带走，从而影响了与水分有关的失效机制。循环偏置允许在器件断电期间在芯片上积水。对于大多数塑料封装的微电路来说，使用50%负载循环偏置是最理想的。对于封装厚度≥2 mm的器件，其应力周期应≤2 h，对于封装厚度＜2 mm的器件，其应力周期应≤30 min。根据已知的热阻和耗散计算出的器件温度，当其超过室温5℃或以上时，应引用该结果。

图8 循环偏置

2.5.5 偏压配置原则

根据以下原则应用偏置：

1）减少功耗；

2）尽可能多的替代引脚偏置；

3）尽量在薄片金属化过程中分布电位差；

4）在工作范围内最大化电压。

2.5.6 试验程序

试验程序分定值测试和程序测试3种，如图9、图10所示。当温湿度达到设定值时开始测试，在降温湿度时停止测试，即试验时间为温湿度设定值持续时间。

图9 定值测试

图10 程序测试

2.6 某车型旋转PAD系统中行车记录仪在E1（功能确认）阶段的HAST试验应用案例

2.6.1 试验参数及试验方法制定

行车记录仪电路板，如图11所示。极限工作温度点为120℃，所以试验温度定为120℃，依据劳森模型，按120℃、相对湿度85%计算试验时间为192 h，较普通高温高湿耐久试验缩短507 h。HAST试验过程中48 h、96 h时需对行车记录仪进行功能检测。试验过程中持续施加14 V偏压。

2.6.2 试验结果

试验进行至96 h，行车记录仪功能检测时出现花屏现象，如图12所示。经排查发现行车记录仪电路板排线弹开，电感出现熔胶现象，如图13所示。

图11 试验前行车记录仪电路板状态

图12 96 h后花屏

图13 排线弹开及电感熔胶

3 结论

文章详细论述了HALT和HAST的试验原理和试验过程，以及试验后的故障处理方法，保证零部件故障激发试验的准确、顺利进行。

以BSC（BYD Safe Control System）系统ECU的HALT试验和某车型旋转PAD系统中行车记录仪在E1（功能确认）阶段的HAST试验为案例进行分析，验证了HALT和HAST能快速激发和暴露产品的薄弱环节，为产品设计开发过程中的对可靠性的要求提供技术支持，缩短开发周期，加速开发进程。