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01單板可靠性試驗開展現(xiàn)狀

長期以來，電子設(shè)備的可靠性試驗與測試的對象都集中在器件和整機這兩個環(huán)節(jié)。而對設(shè)備可靠性影響最大的產(chǎn)品狀態(tài)--單板卻很少開展這方面的試驗與測試工作。即使有部分企業(yè)開展了一些這方面的工作，但試驗方法、流程體系、試驗數(shù)據(jù)分析也都沿襲了基于器件可靠性或者整機可靠性的體系和方法，并沒有針對單板可靠性特點做有針對性的調(diào)整，這也造成了試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果與設(shè)備實際應(yīng)用中產(chǎn)生的可靠性問題之間往往存在偏差，使得板級可靠性試驗與測試工作的開展飽受詬病。

由于產(chǎn)品研制流程或者體系標準的需要，即是普遍開展的器件與整機可靠性試驗與測試結(jié)果與產(chǎn)品實際情況相差甚遠（試驗開展難度大、試驗設(shè)計復(fù)雜，一般企業(yè)也缺乏對試驗結(jié)果的分析能力）。但板級可靠性試驗與測試由于上述的原因，在產(chǎn)品研制環(huán)節(jié)開展的情況并不盡如人意。

從作者及業(yè)界常年以來的電子設(shè)備失效情況分析來看，主流器件由于多年來實施卓有成效的可靠性控制措施，器件本身的可靠性問題已經(jīng)越來越少，電子設(shè)備的失效大部分發(fā)生在板級。如果能夠針對電子設(shè)備開展板級可靠性試驗與測試，在試驗設(shè)計、試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析方面進行較好的控制，完全能夠暴露出電子裝備的可靠性短板和問題，并針對性進行改正與提升。

02單板可靠性試驗主要內(nèi)容

關(guān)于可靠性試驗的定義，相關(guān)標準都有明確的說明，即“可靠性試驗是對產(chǎn)品進行評價、驗證的各種試驗。如增長、篩選、驗收、鑒定、統(tǒng)計等”。可靠性試驗有不同的分類標準，通常根據(jù)在不同的階段實施將可靠性試驗分為統(tǒng)計試驗和工程試驗。

工程試驗通常在產(chǎn)品的開發(fā)階段進行，如環(huán)境應(yīng)力篩選、可靠性增長試驗。其目的主要是暴露產(chǎn)品的設(shè)計或者工程缺陷，以便進行改進。而統(tǒng)計試驗則是在產(chǎn)品的批量生產(chǎn)階段進行，主要是為了對產(chǎn)品進行驗證，如可靠性鑒定試驗和可靠性驗收試驗。統(tǒng)計試驗需要統(tǒng)計師、可靠性工程師、產(chǎn)品保障工程師、試驗工程師、技術(shù)專家等不同崗位和職責(zé)的人員在不同階段分工負責(zé)。任何一個環(huán)節(jié)的缺失都有可能造成試驗結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。而單板的可靠性試驗并不涉及如此多的環(huán)節(jié)。

本章所描述的單板可靠性試驗是指可靠性工程試驗。由于單板是裝備或系統(tǒng)的組成部分，而可靠性統(tǒng)計試驗通常是針對產(chǎn)品或者系統(tǒng)整體進行的，所以單板一般不進行可靠性統(tǒng)計試驗，而主要是通過可靠性工程試驗來對設(shè)計、器件、工藝等進行可靠性驗證。

在設(shè)備研發(fā)流程的工程樣機或者小批量階段，就需要進行相應(yīng)的可靠性工程試驗了。在這個階段，樣本或者樣機的量都非常小，試驗結(jié)果的概率分布是很離散的，因此采用統(tǒng)計分析也沒有什么意義。更多的是從失效結(jié)果去分析失效產(chǎn)生的原因，暴露產(chǎn)品在器件選型和應(yīng)用、單板可靠性設(shè)計等各個維度存在的不足，確定針對性的解決方案，從而增強單板和產(chǎn)品的可靠性。

在這個階段進行的可靠性試驗與測試主要包括單板老化試驗（Burn-in Test）、高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Testing，簡稱HALT）、可靠性增長試驗（Reliability Growth Test，簡稱RGT）和單板可靠性測試，單板可靠性測試包含功能測試（黑盒測試）與信號質(zhì)量測試（白盒測試）。

老化試驗（Burn-in Test）最初是應(yīng)用在元器件領(lǐng)域，其目的是篩選出總體中的次等元器件。在單板中的應(yīng)用一直存在一些質(zhì)疑的聲音，主要是因為在單板老化試驗中通常不施加標準之上的應(yīng)力，只是比正常的工作條件稍微嚴格一些，試驗的時間也相對較短。這樣做的結(jié)果是耗費大量的資源進行單板老化試驗，但篩選出的失效品非常少，且與產(chǎn)品實際應(yīng)用時發(fā)生的失效并不存在強相關(guān)性。因此一個優(yōu)化的老化試驗應(yīng)該考慮最小的制造成本及用戶能夠承受的總成本，進而設(shè)計出有針對性的老化應(yīng)力實施方案。老化試驗設(shè)計要考慮的主要因素是試驗的時間成本和檢測出每個失效樣品的成本。

高加速壽命試驗（HALT）的目的是為了極大縮短老化試驗和壽命試驗的時間，并不對樣品可靠度的真實值進行評估，而是以通過確定樣本在失效前能承受的極限應(yīng)力來改進產(chǎn)品設(shè)計為目標。當HALT作用于產(chǎn)品時，它由包括用于揭示缺陷的單一應(yīng)力和多種應(yīng)力組成。通過分析試驗后出現(xiàn)的缺陷的根本原因采取糾正措施。當然，相對于ESS（環(huán)境應(yīng)力篩選）而言，HALT的成本是巨大的，因為每一個被試驗對象都會在極限應(yīng)力條件下做到失效，而且這種失效通常是不可逆的。因此選擇什么樣的應(yīng)力施加，制定什么樣的試驗方案，建立什么樣的試驗?zāi)Ｐ?，以及對于試驗完成后如何針對失效進行分析，都是HALT試驗的關(guān)鍵點。

可靠性增長試驗（RGT）的目標是在設(shè)計階段為產(chǎn)品提供持續(xù)的可靠性改進。試驗在正常工作狀態(tài)下進行，通過分析試驗結(jié)果驗證產(chǎn)品是否達到了預(yù)期的產(chǎn)品可靠性指標。一般來講，即使是很成熟的產(chǎn)品和方案，在初始設(shè)計階段，也不太可能完全達到設(shè)計目標要求，尤其是可靠性目標。因此可以通過一系列設(shè)計的試驗將設(shè)計缺陷暴露出來，這些試驗也不是一次性的就能將所有設(shè)計缺陷都暴露出來，而是通過設(shè)計-試驗-改進-糾正措施和設(shè)計改進-再試驗-再改進等多次的迭代過程，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性提升?？煽啃栽鲩L試驗就是上述迭代過程中的重要一環(huán)。

單板的可靠性試驗通常是借助外加應(yīng)力來驗證單板的健壯性和可靠性。同時，針對單板自身而言，需要借助一定的測試手段，來驗證單板的功能和性能是否滿足實際工作環(huán)境的需要，這就是單板可靠性測試。

單板的功能性測試基本上在工程樣機階段就會進行。但是根據(jù)作者多年的經(jīng)驗來看，很多電子產(chǎn)品研制廠家對功能測試（黑盒測試）流于形式，只會根據(jù)產(chǎn)品功能列表逐一核對。對于功能測試的完備性缺乏認識，沒有從產(chǎn)品角度設(shè)計測試方案和測試用例。這就導(dǎo)致在開發(fā)階段測出的功能性問題與最終市場上出現(xiàn)的產(chǎn)品問題不具備強相關(guān)性，從而更加忽略功能測試的重要性，最終形成惡性循環(huán)。

就目前行業(yè)現(xiàn)狀，在產(chǎn)品開發(fā)階段進行單板的信號質(zhì)量測試（白盒測試）的更是寥寥無幾，而白盒測試是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程中的可靠性問題的最重要的手段之一。近年來，現(xiàn)代的單板電路在信號端呈現(xiàn)越來越多的變化，具體體現(xiàn)在：主頻越來越高、速率越來越快、芯片集成度越來越高、信號電壓幅度越來越小、單端信號逐步向差分信號轉(zhuǎn)變、低速并行總線逐步向高速串行總線轉(zhuǎn)變等等。所有的這些轉(zhuǎn)變對單板的信號完整性分析帶來越來越大的挑戰(zhàn)，使得信號的接收端越來越難以呈現(xiàn)信號發(fā)送端的“完整”的信號。而一些重大的可靠性問題，在沒有顯現(xiàn)之前，其實都會有一些蛛絲馬跡呈現(xiàn)出來，如反射(reflection)、振鈴(ringing)、開關(guān)噪聲(switching noise)、地彈(ground bounce)、衰減(attenuation)、串擾(cross talk)、容性負載(capacitive load)等。通過對這些線索的分析，能夠深入了解硬件系統(tǒng)設(shè)計的核心，認識到單板設(shè)計和生產(chǎn)過程的薄弱環(huán)節(jié)以及有可能造成的可靠性隱患。比起需要對產(chǎn)品施加外部應(yīng)力、長時間高強度刺激暴露產(chǎn)品可靠性問題，白盒測試的性價比要高很多。

需要說明的是，上述的可靠性試驗和測試，并不是所有的產(chǎn)品都需要完成，而是要根據(jù)產(chǎn)品的可靠性指標、應(yīng)用環(huán)境等條件進行綜合設(shè)計?？煽啃栽囼灢⒉皇亲龅迷蕉嘣胶茫┘拥膽?yīng)力也并不是越大、越嚴苛越能暴露產(chǎn)品的不足。我們需要在可靠性需求、時間、人力和資源成本上取得一個平衡。