MTBF高加速壽命測試及應力篩選
可靠性試驗是對產品的可靠性進行調查、分析和評價的一種手段,其目的在于通過試驗,取得大量的試驗數據,以便確定產品在各種試驗條件下工作或儲存時的可靠性特征量,一方面掌握產品的固有可靠性水平,為產品設計提供可靠性信息,另一方面通過對產品在試驗中所發生的故障進行分析,暴露產品在設計、原材料、工藝以及管理方面存在的問題,實施有效的糾正措施,以不斷提高產品的可靠性水平。
高加速壽命試驗(HALT,highly accelerated life test)和高加速應力篩選(HASS,highly accelerated stress test)是近年來不斷發展起來的可靠性新技術,為考核產品質量和可靠性、快速暴露產品的設計和制造缺陷,提高其可靠性提供了強有力的工具。
一、 HALT/HASS技術的特點
基本原理
傳統的可靠性試驗的原理就是模擬現場工作條件和環境條件,將各種工作模式以及各種應力按照一定的時間比例、一定的循環次序反復施加到受試產品上,經過對受試產品的失效分析與處理,將得到的質量信息反饋到設計、工藝、制造、采購等部門,并進行持續的改進,以提高產品的固有可靠性;同時依據試驗的結果對產品的可靠性作出評估。
HALT/HASS可靠性技術不同于傳統的可靠性試驗,它是利用高機械應力和高變溫率來實現高加速的,因為具有很高的效率,能夠將原來需要花費6個月甚至1年的新產品可靠性試驗縮短至一周,并且在這一周中所發現的產品質量問題幾乎與顧客應用后所發現的問題一致,使得經過HALT/HASS試驗的產品使用故障率大大降低。簡單地說,有缺陷器件(如焊點有氣泡,元器件引線有劃痕等)之所以容易失效是由于有缺陷部件的應力集中系數高達2-3倍,這樣其疲勞壽命就相應降低了好幾個數量級,使得有缺陷與無缺陷器件在相同的應力作用下疲勞壽命拉大了檔次,導致有缺陷器件迅速暴露而無缺陷器件損傷甚小。許多類型的應力所引起故障失效加速因子是與應力呈指數級增加關系,而不是呈等比例增加關系,所以提高應力能加速產品失效。溫度循環屬熱疲勞性質,S.A.Smithson在1990年環境科學學會年會發表的論文中給出的數據表明,變溫率5度/MIN下進行400個66MIN/次的溫度循環與變溫率40度進行1個8MIN/次循環的效果是一樣的,這也說明高變溫速率是如何在HALT/HASS試驗中實現高加速的。
試驗目的
傳統的可靠性試驗的目的是為確定產品是否能夠經受外場實際環境的模擬試驗,即是一個通過與否的試驗:如果“通過”就交付使用,如果“未通過”就查找產品失效的原因,并確保產品“通過”,這在一定程度上起到提高產品可靠性水平的作用。
HALT/HASS的試驗則不同于傳統的可靠性試驗。HALT通過系統地設置逐級遞增的環境應力,來加速暴露試驗樣品的缺陷和薄弱點,而后對所暴露的缺陷和故障從設計、工藝和材料等方面進行分析和改進,以達到提升產品可靠性的目的,最大的特點是設置高于產品設計運行極限的環境應力,這不僅使暴露故障的時間大大短于正常可靠性應力條件下的所需時間,還能得于產品的工作極限和使用極限,為HASS的應力類型和應力量級的選擇提供依據;HASS主要應用于產品的生產階段,以發現零部件和組裝中存在的缺陷并實施必要的改進措施,實現剔除有缺陷的部件或元器件,達到保證產品的可靠性的目的。
應力要求
傳統的可靠性試驗通常被作為一種產品預期要經受外場實際環境的模擬試驗,研制產品時把技術要求中所規定的應力極限值作為鑒定或考核產品的條件。這種試驗存在著以下幾個問題:一是費用昂貴,試驗時間過長,有的長達幾個月甚至超過1年;二是大量產品使用時可靠性差,平均故障間隔時間(MTBF)短,外場返修頻繁,造成擔保費用、維修費用居高不下,導致顧客不滿意,嚴重損害企業的信譽;三是產品在設計與批量生產的試驗應力要求是一致的;四是不同產品的試驗應力與基本相同。
HALT/HASS試驗技術是一個整體,HALT是進行HASS的前提,只有完成了適當的HALT,并且將所發現的質量問題都解決后,才允許進行HASS。HALT采用步進應力的方法進行試驗,其試驗過程就是以步進方式對產品施加一系統單應力(如溫度、高速溫度循環、多軸隨機振動)或溫度與振動綜合應力,在HALT過程中對發生的每一個失效都進行根本原因分析(Root Cause Analysis),不斷進行試驗、分析、驗證和改進,并且得到產品的確良工作極限和損壞極限;HASS試驗依據HALT得于的工作極限和損壞極限,來制訂HASS方案,確定HASS的量級,以保證篩選所消耗的疲勞壽命的量是可以接受的,這是因為不管采用什么篩選方法,篩選過程總要消耗產品的一部分疲勞壽命,如果使用應力和損款應力之間的余量很小,就根本不能運用任何應力篩選方法進行篩選。不同產品有不同的工作極限和損環極限,并且不同產品的篩選的應力類型也是不一樣的。因為,對所在地有產品不存在統一的HALT/HASS試驗應力,通常根據產品各自的特點,選擇產品最敏感的應力進行篩選。