——兩種卓越的可靠性試驗(yàn)技術(shù)
Mike Silverman, CRE, Ops A La Carte, LLC
于曉偉 編譯 曾天翔 校對
高加速壽命試驗(yàn)(HALT)和加速壽命試驗(yàn)(ALT) 是產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中運(yùn)用的最有效的兩種可靠性試驗(yàn)技術(shù)。高加速壽命試驗(yàn)適合用于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，確定失效機(jī)理，描述產(chǎn)品裕度。當(dāng)主要失效機(jī)理不是由于耗損原因引起時(shí)，最好用高加速壽命試驗(yàn)。而加速壽命試驗(yàn)適用于描述由磨損造成的失效機(jī)理，通常用來檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在超出用戶預(yù)期和超出擔(dān)保期的情況下產(chǎn)生的失效情況。
在多數(shù)情況下，這兩種方法最好結(jié)合起來使用。因?yàn)槊糠N方法適用于揭示不同類型的失效機(jī)理。兩種方法的適當(dāng)結(jié)合，為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)提供了一套完整全面的試驗(yàn)手段。
引言
高加速壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)是兩種最有效的可靠性試驗(yàn)方法。但是，人們卻經(jīng)常對它們的應(yīng)用時(shí)機(jī)和應(yīng)用范圍感到困惑。本文將討論這兩種技術(shù)的運(yùn)用時(shí)機(jī)和何時(shí)這兩種技術(shù)一起應(yīng)用。高加速壽命試驗(yàn)高加速壽命試驗(yàn)是在極短的時(shí)間內(nèi)（通常是幾小時(shí)或幾天），對產(chǎn)品施加步進(jìn)應(yīng)力，直到產(chǎn)品失效，找出設(shè)計(jì)缺陷，并加以改進(jìn)，以提高產(chǎn)品可靠性的試驗(yàn)過程。高加速壽命試驗(yàn)適用于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，通常用于整個(gè)系統(tǒng)，但也可用于部件。當(dāng)產(chǎn)品存在耗損機(jī)理時(shí)，最好不采用高
加速壽命試驗(yàn)。高加速壽命試驗(yàn)用于揭示產(chǎn)品設(shè)計(jì)和零件選擇中的潛在缺陷，而這些缺陷通過傳統(tǒng)的鑒定試驗(yàn)方法卻難以發(fā)現(xiàn)。該過程是將對手試產(chǎn)品施加步進(jìn)應(yīng)力，包括環(huán)境應(yīng)力（如溫度和振動）、電應(yīng)力（如電壓極限和載荷變化）以及這些應(yīng)力的組合，激發(fā)內(nèi)在缺陷。而且，高加速壽命試驗(yàn)著力于使產(chǎn)品達(dá)到失效，以便評定超出其計(jì)劃使用范圍的設(shè)計(jì)健壯性和超過規(guī)定工作極限的設(shè)計(jì)裕度。
高加速壽命試驗(yàn)的一個(gè)基本組成部分是根因分析，以及為確保產(chǎn)品完整性的糾正措施的確定和執(zhí)行，從而提高產(chǎn)品的可靠性和設(shè)計(jì)健壯性。只有發(fā)現(xiàn)和確定了產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，我們才能達(dá)到提高裕度的目的。根因分析也許是高加速壽命試驗(yàn)最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)闉榱舜_定產(chǎn)品在試驗(yàn)中暴露出的潛在問題，接著需要分析這些問題在現(xiàn)場使用中是否會發(fā)生？或是它僅僅是由于試驗(yàn)過程中超出了產(chǎn)品技術(shù)要求或改變了失效機(jī)理而已。做出這種決定要求具備預(yù)先規(guī)劃和產(chǎn)品知識 、經(jīng)驗(yàn)和較好的根因分析技能。通常我們認(rèn)為，試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效是非關(guān)聯(lián)的，因?yàn)槲覀兊脑囼?yàn)確實(shí)改變了失效機(jī)理。這種試驗(yàn)通常是加速壽命試驗(yàn)的被選試驗(yàn)。
加速壽命試驗(yàn)
加速壽命試驗(yàn)是在相對較短的時(shí)間內(nèi)（通常幾周或幾月）通過加速使用環(huán)境確定產(chǎn)品可靠性的過程。加速壽命試驗(yàn)也適用于揭示產(chǎn)品主要的失效機(jī)理。該試驗(yàn)通常在組件上進(jìn)行，而不是在整個(gè)系統(tǒng)上進(jìn)行。當(dāng)產(chǎn)品存在耗損時(shí)，經(jīng)常使用加速壽命試驗(yàn)。
為了進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，我們必須確定一系列參數(shù)。參數(shù)包括（但不限于）：試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、樣本數(shù)量、試驗(yàn)?zāi)康摹⒁蟮闹眯哦�、需求的精度、費(fèi)用、加速因子、外場環(huán)境、試驗(yàn)環(huán)境、加速因子計(jì)算、威布爾分布斜率或β參數(shù)（β<1表示早期故障，β>1表示耗損故障）。
為了用加速壽命試驗(yàn)方法確定產(chǎn)品壽命，一個(gè)關(guān)鍵因素就是確定加速因子，而有時(shí)這是最困難的。我們可用兩種方法：1)現(xiàn)有模型（沒有大量研究，不是非常精確）2)通過試驗(yàn)確定的模型（需大量試驗(yàn)樣本和時(shí)間）。
利用現(xiàn)有模型確定加速因子
現(xiàn)有模型有：
Arrhenius模型、Coffin-Manson模型和Norris-Lanzberg模型等。使用現(xiàn)有模型比起用試驗(yàn)方法來確定加速因子節(jié)省時(shí)間，并且所需樣本少。但不是很精確，而且模型變量的賦值較復(fù)雜。需要注意的是，采用無鉛焊料的轉(zhuǎn)變將導(dǎo)致所有這些量值改變（目前我們?nèi)圆恢浪鼈儗⑷绾巫兓?
通過試驗(yàn)確定加速因子
如果沒有合適的加速模型用于你的產(chǎn)品和環(huán)境，那就需要通過試驗(yàn)導(dǎo)出加速因子。先將樣本分成三個(gè)應(yīng)力級別：高應(yīng)力、中應(yīng)力、低應(yīng)力。然后，制定試驗(yàn)計(jì)劃確保在每一個(gè)應(yīng)力級別上產(chǎn)生相同的失效機(jī)理。這是確定加速因子較精確的方法，但需要較長時(shí)間和較多樣本。
通常的程序是在低應(yīng)力和高應(yīng)力兩個(gè)數(shù)值下，使用最易獲得的信息和假設(shè)來估計(jì)失效率。這些值主要用于計(jì)算樣本數(shù)量，目的是使被試產(chǎn)品歷經(jīng)充分足夠多的失效（通常至少5次），以便使數(shù)據(jù)分析更有效。
對于定點(diǎn)的值，選擇高應(yīng)力的目的是，更快地加速被試裝置到失效狀態(tài)（縮短試驗(yàn)時(shí)間），而且激發(fā)出與使用條件下出現(xiàn)相同的失效機(jī)理。選擇低應(yīng)力設(shè)定點(diǎn)接近于使用條件，而且其應(yīng)力值高到足以在期望的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)能激發(fā)至少五次失效。然后，我們選擇這兩個(gè)應(yīng)力數(shù)值之間的第 三個(gè)應(yīng)力點(diǎn)，以便能夠?qū)铀贁?shù)據(jù)進(jìn)行健壯的統(tǒng)計(jì)擬合，以提供外推到使用條件的能力。此試驗(yàn)稱作4:2:1分配方案，因?yàn)槲覀儗Ρ辉囇b置的低、中、高應(yīng)力的分配分別為4/7、2/7、1/7。然后計(jì)算加速因子。當(dāng)加速因子不能確定時(shí)，我們只有加速工作循環(huán)。例如，我們能提高按鈕使用的頻率和裝置使用的次數(shù)。然而，要通過提高工作循環(huán)這一方式，我們必須確信不改變?nèi)魏纹渌鼌?shù)。我們有時(shí)發(fā)現(xiàn)如果工作循環(huán)提高得太高，就會增高裝置的內(nèi)部溫度，因?yàn)樵趦纱窝h(huán)間就沒有時(shí)間冷卻。
適用于加速壽命試驗(yàn)的產(chǎn)品有：移動電話、風(fēng)扇、硬驅(qū)、汽車電子設(shè)備、機(jī)器人和輸液泵等。高加速壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的比較高加速壽命試驗(yàn)不用于確定產(chǎn)品的壽命。因?yàn)槲覀冴P(guān)心的是使產(chǎn)品盡可能提高可靠性，可靠性量值的測定并不重要。然而，對于具有耗損時(shí)間的機(jī)械產(chǎn)品，盡可能準(zhǔn)確地知道其壽命是非常重要的。高加速壽命試驗(yàn)比起加速壽命試驗(yàn)來，一個(gè)重要優(yōu)勢就是在找尋影響外場使用的缺陷方面的速度較快。完成一個(gè)典型的高加速壽命試驗(yàn)僅需2-4天，而且我們找尋的最終將變成外場使用問題的缺陷的成功率非常高。加速壽命試驗(yàn)比起高加速壽命試驗(yàn)的一個(gè)優(yōu)勢是，我們不需要任何環(huán)境設(shè)備。通常，臺架上試驗(yàn)就足夠了。并且許多情況下，在用戶的設(shè)施上就能進(jìn)行該試驗(yàn)。另一個(gè)好處就是試驗(yàn)?zāi)芡瑫r(shí)確定產(chǎn)品的壽命，而這一點(diǎn)對高加速壽命試驗(yàn)來說卻做不到。圖1 表示出了兩種試驗(yàn)方法的區(qū)別。
圖1 高加速壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的比較
聯(lián)合使用高加速壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)通常，我們先對整個(gè)產(chǎn)品做高加速壽命試驗(yàn)，然后對其組件進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，獲得主要耗損機(jī)理，因?yàn)閷τ谥饕膿p機(jī)理做高加速壽命試驗(yàn)不太合適。
在圖2中，我們在裝置級上進(jìn)行高加速壽命試驗(yàn)。對于大多數(shù)組件來說，這是尋找缺陷的合適級別。但對于風(fēng)扇裝置，我們不能施加長時(shí)
間應(yīng)力來激發(fā)其主要失效機(jī)理。因而，我們在進(jìn)行整個(gè)裝置的高加速壽命試驗(yàn)后，再進(jìn)行組件本身的加速壽命試驗(yàn)，并且通過加速壽命試驗(yàn)，找出主要失效機(jī)理。
圖2 風(fēng)扇裝置在進(jìn)行裝置級的HALT后，再進(jìn)行組件級的ALT在另外一些情況下，我們在高加速壽命試驗(yàn)極限的基礎(chǔ)上，開發(fā)了加速壽命試驗(yàn)。使用相同應(yīng)力類型，但減少應(yīng)力值，以便使加速因子處于可測量的水平。
在圖3中，我們在電源組件上先進(jìn)行高加速壽命試驗(yàn)，以便發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)力極限。然后進(jìn)行幾次設(shè)計(jì)改進(jìn)，再進(jìn)行驗(yàn)證性高加速壽命試驗(yàn)，
以顯示設(shè)計(jì)裕度的提高。電源組件在進(jìn)行完高加速壽命試驗(yàn)后，再進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，測定產(chǎn)品的壽命。
圖3 電源組件進(jìn)行完HALT后，再進(jìn)行ALT
結(jié)論：高加速壽命試驗(yàn)(HALT)和加速壽命試驗(yàn)(ALT)都是卓越的可靠性試驗(yàn)技術(shù)，關(guān)鍵是掌握它們的應(yīng)用時(shí)機(jī)和應(yīng)用范圍。
