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淺談HALT試驗(yàn)在可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 

高楊

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇 江陰 214405

摘要：本文主要介紹HALT（高加速壽命篩選試驗(yàn)）在可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以安科瑞電氣股份有限公司（300286.SZ）的ACR220E多功能電力儀表為例，通過(guò)建立HALT試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑹┘油獠凯h(huán)境應(yīng)力進(jìn)行缺陷篩選，從而達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：HALT試驗(yàn)；可靠性設(shè)計(jì)；ACR多功能電力儀表；環(huán)境應(yīng)力篩選

0.引言

目前國(guó)內(nèi)的可靠性方面的標(biāo)準(zhǔn)體系還不完善，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要是側(cè)重于產(chǎn)品質(zhì)量的驗(yàn)收，測(cè)試的結(jié)論都是合格/不合格，都是屬于后期的驗(yàn)收，對(duì)于提高產(chǎn)品的可靠性存在滯后性。

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可靠對(duì)產(chǎn)品的使用壽命具有很大的影響，而設(shè)計(jì)缺陷是無(wú)法通過(guò)后期的生產(chǎn)工藝來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)的，因此設(shè)計(jì)的可靠性非常重要。HALT試驗(yàn)是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性的重要手段，通過(guò)施加相應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力來(lái)加速暴露產(chǎn)品的缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品缺陷暴露在設(shè)計(jì)階段，再針對(duì)暴露的缺陷進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，從而達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性的目的。

1.HALT試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

HALT試驗(yàn)稱之為高加速壽命篩選，它不是合格與否的測(cè)試，而是一種發(fā)現(xiàn)缺陷的手段，一般在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，提供設(shè)置逐級(jí)遞增的加嚴(yán)的環(huán)境應(yīng)力來(lái)加速暴露試驗(yàn)樣品的設(shè)計(jì)缺陷和薄弱點(diǎn)。HALT試驗(yàn)一般是在超出規(guī)范極限以外進(jìn)行，因此具有很高的試驗(yàn)效率。

美國(guó)國(guó)防部可靠性分析中心發(fā)布的《產(chǎn)品可靠性藍(lán)皮書(shū)》指出飛行機(jī)載設(shè)備有52%以上是由環(huán)境因素引起的，其中溫度因素占42%，振動(dòng)因素占27%，濕度因素占19%；因此對(duì)產(chǎn)品可靠性影響最大的環(huán)境應(yīng)力是溫度、振動(dòng)、濕度，一般可靠性試驗(yàn)提出采取這3種應(yīng)力。對(duì)于一些特殊的產(chǎn)品如使用在高海拔地區(qū)的產(chǎn)品還應(yīng)增加低氣壓（真空度）應(yīng)力、電應(yīng)力（試驗(yàn)時(shí)對(duì)產(chǎn)品通電工作）等。

注1：濕度應(yīng)力應(yīng)真實(shí)地模擬產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用的環(huán)境濕度情況，除特殊情況外，一般只有預(yù)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)使用者會(huì)遇到冷凝、結(jié)霜、結(jié)冰的試驗(yàn)階段，才會(huì)向試驗(yàn)空間噴入水蒸氣來(lái)提高產(chǎn)品試驗(yàn)環(huán)境的濕度來(lái)模擬產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用的環(huán)境，試驗(yàn)的其他階段一般對(duì)濕度無(wú)要求。

一般推薦的HALT試驗(yàn)流程如下圖1：

圖1  HALT試驗(yàn)流程圖

2.HALT試驗(yàn)    

   以電氣股份有限公司（300286.SZ）的ACR220E多功能電力儀表為例，正常工作范圍見(jiàn)表1：       表1：ACR220E多功能電力儀表工作范圍

溫度	濕度	振動(dòng)	海拔
-10～55℃	≤95%RH，不結(jié)霜	0～55Hz，位移1.59mm，加速度0.5g	≤2000m

2.1 低溫應(yīng)力試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：從穩(wěn)定的-10℃開(kāi)始以10℃/min的溫度步進(jìn)增量降溫，每個(gè)溫度點(diǎn)保持20min使產(chǎn)品溫度與環(huán)境溫度一致，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能監(jiān)測(cè)，直至產(chǎn)品功能下降/喪失或到達(dá)指定試驗(yàn)溫度，記錄產(chǎn)品的工作限和損壞限，低溫試驗(yàn)步進(jìn)圖見(jiàn)圖2，其中紅色表示實(shí)際溫度曲線，藍(lán)色表示目標(biāo)溫度曲線。試驗(yàn)結(jié)果該產(chǎn)品在-40℃開(kāi)始功能下降，-60℃功能喪失，即ACR220E多功能電力儀表低溫工作限為-40℃，低溫?fù)p壞限為-60℃。

   

圖2 低溫步進(jìn)試驗(yàn) 

    低溫應(yīng)力激發(fā)的缺陷主要為：元器件參數(shù)漂移、環(huán)路穩(wěn)定性、焊接不良、塑料件脆裂等。

2.2 高溫應(yīng)力試驗(yàn) 

試驗(yàn)方法：從穩(wěn)定的20℃開(kāi)始以10℃/min的溫度步進(jìn)增量增溫，每個(gè)溫度點(diǎn)保持20min使產(chǎn)品溫度與環(huán)境溫度一致，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能監(jiān)測(cè)，直至產(chǎn)品功能下降/喪失或到達(dá)指定試驗(yàn)溫度，記錄產(chǎn)品的工作限和損壞限，高溫試驗(yàn)步進(jìn)圖見(jiàn)圖3，其中紅色表示實(shí)際溫度曲線，藍(lán)色表示目標(biāo)溫度曲線。試驗(yàn)結(jié)果該產(chǎn)品在80℃開(kāi)始功能下降，100℃功能喪失，即ACR220E多功能電力儀表高溫工作限為80℃，高溫?fù)p壞限為100℃。

圖3 高溫步進(jìn)試驗(yàn)

    高溫應(yīng)力激發(fā)的缺陷主要有：粘貼不牢、電解電容漏液、元器件參數(shù)漂移、環(huán)路穩(wěn)定性、焊接不良、絕緣能力下降、機(jī)械缺陷、塑料件軟化等。

2.3 溫度循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：溫度循環(huán)范圍為下工作限與上工作限之間，溫度步進(jìn)30℃/min，循環(huán)次數(shù)5次，每個(gè)溫度點(diǎn)保持20min使產(chǎn)品溫度與環(huán)境溫度一致，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能監(jiān)測(cè)。溫度循環(huán)試驗(yàn)步進(jìn)圖見(jiàn)圖4，其中紅色表示實(shí)際溫度曲線，藍(lán)色表示目標(biāo)溫度曲線。

圖4 溫度循環(huán)步進(jìn)試驗(yàn)

快速溫度循環(huán)應(yīng)力激發(fā)的缺陷主要有：參數(shù)漂移和電路穩(wěn)定、PCB板異常、元器件異常、焊接質(zhì)量異常、連接異常、粘貼異常、機(jī)械故障、密封故障等。

2.4 振動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：參比溫度條件23℃，從5g加速度開(kāi)始以5g的步進(jìn)增量提高加速度，每個(gè)點(diǎn)保持20min對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能監(jiān)測(cè)，直至產(chǎn)品功能下降/喪失或到達(dá)指定試驗(yàn)加速度，記錄產(chǎn)品的工作限和損壞限，振動(dòng)試驗(yàn)步進(jìn)圖見(jiàn)圖5，其中紫色表示實(shí)際振動(dòng)曲線，粉色表示目標(biāo)振動(dòng)曲線。試驗(yàn)結(jié)果該產(chǎn)品在15g加速度出現(xiàn)共振現(xiàn)象，20g加速度時(shí)功能喪失，即ACR220E多功能電力儀表振動(dòng)工作限為10g，振動(dòng)損壞限為20g。

圖5 振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)

振動(dòng)應(yīng)力激發(fā)的缺陷主要有：電路板連接開(kāi)路、元器件引腳斷裂、元器件脫落、接插件連接松動(dòng)、焊接異常、緊固件松動(dòng)、機(jī)械不良等。

2.5 溫度+振動(dòng)綜合應(yīng)力試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：溫度循環(huán)與振動(dòng)應(yīng)力同時(shí)施加，溫度循環(huán)范圍為下工作限與上工作限之間，溫度步進(jìn)30℃/min，循環(huán)次數(shù)5次，振動(dòng)從5g加速度開(kāi)始以5g的步進(jìn)增量提高加速度，每個(gè)點(diǎn)保持20min對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能監(jiān)測(cè)，直至產(chǎn)品功能下降/喪失或到達(dá)指定試驗(yàn)限。試驗(yàn)步進(jìn)圖見(jiàn)圖6，綜合的應(yīng)力使試驗(yàn)環(huán)境更加接近實(shí)際的使用環(huán)境，可以暴露更多的設(shè)計(jì)缺陷。

圖6 溫度+振動(dòng)綜合步進(jìn)試驗(yàn)

2.6 改進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn)

    在每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后，如果樣品發(fā)生失效，需要查找原因進(jìn)行改進(jìn)，并重新施加相同量級(jí)的應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，保證不發(fā)生同樣的失效，同時(shí)也不要有新的失效模式產(chǎn)生，其目的是驗(yàn)證改進(jìn)的有效性和改進(jìn)沒(méi)有引入新的薄弱環(huán)節(jié)。然后在此基礎(chǔ)上繼續(xù)試驗(yàn)，直到滿足結(jié)束條件為止。

注2：改進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn)可根據(jù)實(shí)際情況確定是否進(jìn)行。

 

4.結(jié)束語(yǔ)

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段引入HALT試驗(yàn)，可以最大程度的將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，避免了以往產(chǎn)品的缺陷通過(guò)客戶的使用來(lái)暴露的問(wèn)題，降低了客戶使用過(guò)程中的產(chǎn)品失效率，對(duì)產(chǎn)品在客戶群中的質(zhì)量口碑能夠得到極大地提高，降低了服務(wù)、維修、更換的成本。

通過(guò)建立HALT試驗(yàn)的模型，開(kāi)展HALT試驗(yàn)，積累設(shè)計(jì)過(guò)程中的異常及異常改進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)今后的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)起到很好的指導(dǎo)作用，對(duì)新產(chǎn)品的快速推出、迅速成熟有者不可估量的作用。

 

參考文獻(xiàn)

[1].陸廷孝. 《可靠性設(shè)計(jì)與分析》  國(guó)防工業(yè)出版社.  1995

[2].姜同敏  李曉陽(yáng)等編著. 《可靠性試驗(yàn)技術(shù)》. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2012

[3].任致程 周中. 《電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南》. 中國(guó)電力出版社. 2007. 4

 

作者簡(jiǎn)介：

高楊（1990-），女，本科，就職于江蘇安科瑞電器制造有限公司測(cè)試中心，致力于于氣候環(huán)境試驗(yàn)、機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)、材料的阻燃耐熱試驗(yàn)等試驗(yàn)研究。