高加速应力筛选剖面设计与评估方法研究
时间：2023-06-04 08:55:19 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
邓建国
（南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）
为了提前发现产品在设计和工艺中的缺陷，1979年美国海军（NAVMAT）的首席代表Willoughby W J先生开始提出环境应力的筛选方法，使用温度循环和随机振动的方式去筛选制造和工艺方面的缺陷。然而随着产品对强度和可靠性的要求越来越高，一般的可靠性试验逐渐无法满足产品的需求。20世纪80年代末，Hobbs GK，Gray K A和Condra L W等人研究并提出了2种新的试验方法：高加速寿命试验（HALT）和高加速应力筛选（HASS），其中高加速应力筛选作为一种新的环境筛选手段，通过人为施加超过实际使用环境的激发应力，快速暴露产品潜在缺陷，从而达到提高可靠性的目的。
从高加速应力筛选技术提出至今，迅速在各工业部门推广应用。国外航天、汽车、通信、商用飞机等领域已经大量应用高加速应力筛选技术，并形成了行业规范。美国、日本、新加坡等国家已经成规模的开展高加速应力筛选技术研究和应用。国外的工程经验表明，高加速应力筛选过程可有效地暴露产品的潜在缺陷和提高产品的可靠性水平。
高加速应力筛选在国内航天、航空领域已有应用，并总结了型号规范，但未有国家级标准或行业标准出台。在筛选方面，国内应用最广的是GJB 1032-1990《电子产品环境应力筛选方法》和GJB/Z 34-1993《电子产品定量环境应力筛选指南》。
高加速应力筛选仅适用于研制阶段已经过高加速寿命试验或可靠性强化试验找出其工作极限和破坏极限的产品的批生产过程。目前国内尚未制定国家标准，只有部分企业标准。
1.1 高加速应力筛选的基本原理
高加速应力筛选，GJB 451A-2005《可靠性维修性保障性术语》中给出的定义是为了加速筛选进度并降低成本，参照高加速应力试验得到的应力极限值，以既能充分激发产品的缺陷又不过量消耗其使用寿命为前提，对批量产品进行的筛选。
高加速应力筛选是在高加速寿命试验（HALT）的基础上发展起来的一种新的筛选方法，一般是使用温度循环和振动的综合应力，其特点是使用的应力大，需要的循环数少、时间短。高加速应力筛选一般应用于产品的生产阶段，通过对研制阶段可靠性强化试验（RET）数据的利用，大大增加了生产过程的筛选效率，并同时降低了筛选的费用和时间。国内的高加速应力筛选是在常规环境应力筛选和可靠性强化试验基础上发展起来的，是一种高效率剔除批生产过程引入产品内潜在缺陷的筛选方法。
高加速应力筛选的理论依据是故障物理学。产品中有缺陷部位易发生应力集中现象，在环境应力的作用下，有缺陷部位将产生比其它部位大得多的应力而产生疲劳损伤和破坏。高加速应力筛选把失效或故障作为分析的主要对象，通过激发故障、分析故障和故障整改达到提高产品可靠性的目的。高加速应力筛选试验基于以上原理，在筛选过程中对被试品施加超过正常条件下的环境应力，从而快速激发出被试品的潜在缺陷，提高筛选试验的效率。
根据试验数据统计，快速温度变化与随机振动是诱发产品故障的最佳应力。因此，高加速应力筛选使用随机振动与快速温度变化作为其筛选的应力。
1.2 高加速应力筛选的优势
从高加速应力筛选的基本原理、特点及与其它常用筛选方法比较不难得出，高加速应力筛选相对于传统环境应力筛选（ESS）具有下列优势：
（1）以最低成本和最短时间将相关潜在缺陷变为明显缺陷。
（2）以最低总成本和最短时间检测尽可能多的缺陷，以缩短反馈延迟并降低成本。
（3）通过降低发往现场的故障总数，提高使用可靠性。
（4）降低生产筛选维修和保证期的总成本。
但高加速应力筛选在应用中也存在技术方案制定难度大、投入大，所需产品信息多，筛选剖面通用性不足，需要特殊的试验设备等困难，对于大批量、高可靠的产品，高加速应力筛选的经济性更好，应用意义更大。
典型的高加速应力筛选设计过程包括初始剖面设计、筛选验证（POS）和筛选试行3个阶段，其中筛选验证（POS）过程用于确认筛选效果和确定筛选不会引入缺陷或严重影响产品寿命。典型的高加速应力筛选设计过程如图1所示。
高加速应力筛选剖面制定一般流程为：
（1）以可靠性强化试验（RET）等得到的产品工作极限和破坏极限结果为基础，建立高加速应力筛选的初始剖面。
（2）使用初始剖面对产品进行筛选，验证剖面的有效性。
（3）采用通过有效性验证的高加速应力筛选剖面进行产品剩余有效寿命影响分析。
（4）形成高加速应力筛选的最终剖面，用于筛选实施。
高加速应力筛选剖面制定流程如图2所示。
由于选择了较高应力，高加速应力筛选的效率通常比传统环境应力筛选高出很多，因此可以不进行有效性验证，简化筛选剖面制定过程，但对于组成复杂或冷却方法特殊的产品，应当开展有效性验证。如果有相关数据或技术文件能够说明筛选初始剖面对于不会对产品有效寿命产生不可接受 的影响，则可以不进行剩余有效寿命影响分析，简化筛选剖面制定过程，但对于温度快速变化或振动应力敏感的产品，应当开展剩余有效寿命影响分析。
2.1 工作极限及破坏极限的确定方法
对于高加速应力筛选，需要获得具体产品的高低温工作极限和（或）破坏极限，据此来确定高加速应力筛选的温度循环应力初始值。这就需要研究温度工作极限及破坏极限应力的确定方法。在工程实践中，产品的高（低）温工作极限和破坏极限一般结合可靠性强化试验或步进应力试验得到：
（1）高（低）温工作极限的确定：对筛选产品从常温开始，施加步进应力逐步升高（降低）温度，筛选产品在某一温度台阶下工作特性不再满足技术条件的要求，但温度应力强度降低后，筛选产品仍能恢复正常工作特性，则使得筛选产品工作特性不再满足技术条件要求的温度台阶应力，为筛选产品的高（低）温工作极限。
（2）高（低）温破坏极限的确定：对筛选产品从常温开始，施加步进应力逐步升高（降低）温度，筛选产品在某一温度台阶下工作特性不再满足技术条件的要求，但温度应力强度降低后，筛选产品不能恢复正常工作特性，则该温度台阶应力为筛选产品的高（低）温破坏极限。
如果能够直接找到筛选产品的高（低）温破坏极限，则将上一台阶作为高（低）温工作极限。必要时，如果筛选产品的某一部分可以采取局部温度保护或箱外隔离等保护措施继续试验时，可按上述确定筛选产品温度工作极限或破坏极限的原则来确定筛选产品非保护部分的温度工作极限或温度破坏极限。
步进应力施加可按照图3（以低温步进为例）的方式进行，在每个温度台阶下，对产品进行功能性能测试，以检验是否能够耐受该温度应力。
2.2 高加速应力筛选的应力选择和确定方法
根据工程经验和应力环境效应，一般将温度循环和振动应力作为高加速应力筛选的典型应力。虽然湿度可以诱发部分故障，考虑为达到理想的筛选效果，使用了HALT试验系统，该系统主要施加温度和振动应力，因此不再施加湿度，本项目研究时也不考虑湿度应力。从试验设备、试验成本和筛选方法的普适性等方面考虑，高加速应力筛选工程实践中不采用低气压、霉菌、盐雾、电磁、太阳辐射、防水、砂尘、抗风、冲击、积冰/冻雨等环境应力。因此，高加速应力筛选剖面中涉及到的参数因素包括：最高和最低温度值、温度变化速率、最高和最低温度持续时间、温度循环的次数、振动谱和量值、振动持续时间。
要得到初始剖面中的上述参数，需要产品充分地进行可靠性强化试验或者高加速寿命试验，准确掌握产品的温度和振动方面的破坏极限和工作极限，也就需要试验项目组具有很强的产品故障分析能力，以及在试验过程中通过施加步进应力逐步、耐心地摸清产品耐受环境底数。高加速应力筛选的应力是高于产品设计规范极限，低于破坏极限。图4标明了高加速应力筛选和传统环境应力筛选的应力范围。
2.3 筛选有效性验证
筛选有效性是高加速应力筛选剖面是否适用的判定标准。有效的环境应力筛选在筛选过程需要满足以下条件：
（1）环境应力筛选过程中，所施加的各种应力、应力施加的时间和应力的大小应能够快速、有效、经济地激发出产品的潜在缺陷；
（2）环境应力筛选过程中不引入新的失效机理或产生新的缺陷，也不会过度消耗产品的使用寿命。
筛选的有效性是指高加速应力筛选剖面能够激发出产品中潜在缺陷的能力。筛选的有效性验证可以通过将正常的试件和有制造缺陷的试件同时放入到试验设备中，按照所选择的剖面进行高加速应力筛选试验，对试验中发现的故障进行失效分析，并判断失效的原因是由于经受了过应力造成的，还是由于制造缺陷或疲劳诱发的，从而判定该环境应力筛选剖面所选择的应力、施加时间、应力量级是否正确。
若失效是因为在高加速应力筛选过程中经受了过应力，则需相应减小环境应力筛选试验剖面中的应力值，再选用新的试件按照上述方法重新验证筛选有效性；
若事先注入试件的缺陷未能够在筛选过程中被激发，则可通过增加高加速应力筛选试验剖面的应力值或循环周期来增强筛选强度。
本文开展了高加速应力筛选剖面设计与评估方法研究，先后提出高加速应力筛选剖面设计方法、高加速应力极值摸底方法以及筛选有效性验证方法，确定高加速应力筛选的主要步骤，可以指导高加速应力筛选剖面设计、评估方法制定。
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