HALT/HASS试验综述

  • 1. 引言

    近年来,可靠性加速试验中的高加速应力试验(HAST,highly accelerated stress test)及极限应力试验(Limil test)技术不断发展,为考核产品质量和可靠性,快速暴露产品的设计和制造缺陷,提高其可靠性提供了强有力的工具。

    高加速寿命试验(HALT,Highly accelerated life test)与高加速应力筛选(Hass,Highly acceler-ated stress screen)是由美国Hobbs工程公司总裁Gregg K Hobbs博士首先提出来的,90年代HALT和HASS获得推广应用,以HALT和HASS为主的HAST的大特点是时间上的压缩,即在短短的几天内模拟一个产品的整个寿命期间可能遇到的情况,HALT与传统试验有所不同,其目的是激发故障,即把产品的潜在缺陷激发成可观察的故障,采用人为施加步进应力,在远大于技术条件规定的极限应力下快速地进行试验,找出工作极限甚至损坏极限,然后根据HALT确定的极限来制定HASS试验应力,通过HASS可以快速剔除早期潜在的缺陷,保障产品的使用可靠性。

    极限应力试验(Limittest)是HAST中的一种,这种方法规定了确定或评价微电子器件大能力的方法,这些能力包括大额定值(从中可推出安全设计极限值)、在不引起退化的前提下筛选或试验时可以施加的大应力,对不引起退化的特殊筛选或试验的敏感性,以及与之有关的失效模式和机理。

    对研制产品来说,HALT与HASS是一个整体,均属于HAST的范畴。HALT针对产品的设计过程,HASS则针对产品的生产过程,从上世纪90年代至今,HAST技术相继在各工业部门推广应用。无一例外地取得了较大成功,美国国防部微电子试验标准MIL-STD-883E中给出了微电路进行limit test的基本方法(见表1),由于商业竞争与军工保密的原因,许多先进的HAST和limit test的试验技术仍未解密发表,以下仅列出部分试验研究的成果供参考。

                               

    2. HAST和Limit test要点

    2.1 层次性要求

        在HAST和Limit test过程中只有按照由低到高的层次关系进行试验,才能充分暴露产品中的缺陷,更准确地分析产生这些缺陷的根本原因,确定下一层次试验的试验方案,达到优秀的试验效果,从而使产品的可靠性从根本上得到保障。

    2.2 样品选择

    为了保证试验的有效性,HAST和limit test必须在能够代表设计、元件、材料和制造工艺都已落实的样品上进行,这样才能充分地发现设计的薄弱环节,更准确地分析产生这些缺陷的根本原因。

    2.3 所需资源

    要进行HAST和limit test,除一般的高效率试验设备外,还需要一个试验技术小组,它包括产品设计、制造加工、可靠性试验和失效分析等各类型的技术人员,为产品的试验提供全面的技术支持,其主要任务是制定试验方案,安排试验进程,检测试验中产品失效形式,分析试验结果,确定修正的优先级和修正方案,并决定产品是否需要进一步做HASS试验。

    2.4 破坏性试验

    经过HAST或Limit test后的产品已失效,不能另作他用。

    3. HALT & HASS 可靠性测试的应用

         HALT& HASS是由美国军方所延伸出的设计质量验证与制造质量验证的试验方法,现已成为美国电子业界的标准产品验证方法。它将原需花费6个月甚至1年的新产品可靠性试验缩短至一周,且在这一周中所发现的产品问题几乎与客户应用后所发现的问题一致,故HALT & HASS的试验方式已成为新产品上市前所必需通过的验证。在美国之外,许多国际的3C电子产品大厂也都使用相同或类似的手法来提升产品质量。 
        HALT是一种通过让被测物承受不同的应力,进而发现其设计上的缺限,以及潜在弱点的实验方法。HALT的主要目的是通过增加被测物的极限值,进而增加其坚固性及可靠性。HALT利用阶梯应力的方式加诸于产品,能够在早期发现产品缺陷、操作设计边际及结构强度极限的方法。其加诸于产品的应力有振动、高低温、温度循环、电力开关循环、电压边际及频率边际测试等。利用该测试可迅速找出产品设计及制造的缺陷、改善设计缺陷、增加产品可靠性并缩短其上市周期,同时还可建立设计能力、产品可靠性的基础数据及日后研发的重要依据。 
         简单地说,HALT是以连续的测试、分析、验证及改正构成了整个程序,关键在于分析所有故障的根本原因。
    HALT 的主要测试功能如下: 
    * 利用高环境应力将产品设计缺陷激发出来,并加以改善; 
    * 了解产品的设计能力及失效模式; 
    * 作为高应力筛选及稽核规格制定的参考; 
    * 快速找出产品制造过程的瑕疵; 
    * 增加产品的可靠性,减少维修成本; 
    * 建立产品设计能力数据库,为研发提供依据并可缩短设计制造周期。

    HALT应用于产品的研发阶段,能够及早发现产品可靠性的薄弱环节。其所施加的应力要远远高于产品在正常运输﹑贮藏﹑使用时的应力。 
    HALT包含的如下内容: 
    * 逐步施加应力直到产品失效或出现故障; 
    * 采取临时措施,修正产品的失效或故障; 
    * 继续逐步施加应力直到产品再次失效或出现故障,并再次加以修正; 
    * 重复以上应力-失效-修正的步骤; 
    * 找出产品的基本操作界限和基本破坏界限。

    HASS应用于产品的生产阶段,以确保所有在HALT中找到的改进措施能够得已实施。HASS还能够确保不会由于生产工艺和元器件的改动而引入新的缺陷。 
    HASS包含如下内容: 
    * 进行预筛选,剔除可能发展为明显缺陷的隐性缺陷; 
    * 进行探测筛选,找出明显缺陷; 
    * 故障分析; 
    * 改进措施。

    4. HALT & HASS 可靠性测试的步骤
    4. 1 HALT 

    HALT共分为4个主要试程,即: 
    * 温度应力; 
    * 高速温度传导; 
    * 随机振动; 
    * 温度及振动合并应力。 
        在HALT试验中可找到被测物在温度及振动应力下的可操作界限与破坏界限。此实验所用设备为QualMark公司所设计的综合环境试验机(OVS Combined StressSystem),温度范围为-100℃~+200℃,温度变化大速率为60℃/min,大加速度可到60Grms,而且振动机与温度箱合二为一的设计可同时对被测物施加温度与振动应力。以下就四个试程的一般情况分别加以说明: 
    (1)温度应力 
        此项试验分为低温及高温两个阶段应力。首先执行低温阶段应力,设定起始温度为20℃,每阶段降温10℃,阶段温度稳定后维持10min,之后在阶段稳定温度下执行至少一次的功能测试,如一切正常则将温度再降10℃,并待温度稳定后维持10min再执行功能,依此类推直至发生功能故障,以判断是否达到操作界限或破坏界限;在完成低温应力试验后,可依相同程序执行高温应力试验,即将综合环境应力试验机自20℃开始,每阶段升温10℃,待温度稳定后维持10min,而后执行功能测试直到发现高温操作界限及高温破坏界限为止。 
    (2)高速温度传导 
        此项试验将先前在温度阶段应力测试中所得到的低温及高温操控界限作为此处的高低温度界限,并以每分钟60℃的快速温度变化率在此区间内进行6个循环的高低温度变化。在每个循环的最高温度及低温度都要停留10min,并使温度稳定后再执行功能测试。检查待测物是否发生可回复性故障,寻找其可操作界限。在此试验中不需寻找破坏界限。 
    (3)随机振动 
        此项试验是将G值自5g开始,且每阶段增加5g,并在每个阶段维持10min后在振动持续的条件下执行功能测试,以判断其是否达到可操作界限或破坏界限。 
    (4)温度及振动合并应力 
        此项试验将高速温度传导及随机振动测试合并同时进行,使加速老化的效果更加显着。此处使用先前的快速温变循环条件及温变率,并将随机振动自5g开始配合每个循环递增5g,且使每个循环的最高及低温度持续10min,待温度稳定后执行功能测试,如此重复进行直至达到可操作界限及破坏界限为止。 
        对在以上四个试程中被测物所产生的任何异常状态进行记录,分析是否可由更改设计克服这些问题,加以修改后再进行下一步骤的测试。通过提高产品的可操作界限及破坏界限,从而达到提升可靠性的目的。
    4.2 HASS 
        应用HASS的目的是要在极短的时间内发现批量生产的成品是否存在生产质量上的隐患,该试验包括三个主要试程: 
    * HASS Development (HASS试验计划阶段); 
    * Proof-of-Screen(计划验证阶段); 
    * Production HASS(HASS执行阶段)。 
    以下就一般电子产品的测试过程分别加以说明: 
    (1)HASS Development 
        HASS试验计划必须参考前面HALT试验所得到的结果。一般是将温度及振动合并应力中的高、低温度的可操作界限缩小20%,而振动条件则以破坏界限G值的50%做为HASS试验计划的初始条件。然后再依据此条件开始执行温度及振动合并应力测试,并观察被测物是否有故障出现。如有故障出现,须先判断是因过大的环境应力造成的,还是由被测物本身的质量引起的。属前者时应再放宽温度及振动应力10%再进行测试,属后者时表示目前测试条件有效。如无故障情况发生,则须再加严测试环境应力10%再进行测试。 
    (2)Proof-of-Screen 
        在建立HASS Profile(HASS程序)时应注意两个原则:首先,须能检测出可能造成设备故障的隐患;其次,经试验后不致造成设备损坏或"内伤"。为了确保HASS试验计划阶段所得到的结果符合上述两个原则,必须准备3个试验品,并在每个试品上制作一些未依标准工艺制造或组装的缺陷,如零件浮插、空焊及组装不当等。以HASS试验计划阶段所得到的条件测试各试验品,并观察各试品上的人造缺陷是否能被检测出来,以决定是否加严或放宽测试条件,而能使HASS Profile达到预期效果。 
        在完成有效性测试后,应再以新的试验品,以调整过的条件测试30~50次,如皆未发生因应力不当而被破坏的现象,此时即可判定HASS Profile通过计划验证阶段测试,并可做为Production HASS之用。反之则须再检讨,调整测试条件以求获得优秀的组合。 
    (3)Production HASS 
        任何一个经过Proof-of-Screen考验过的HASS Profile皆被视为快速有效的质量筛选利器,但仍须配合产品经客户使用后所回馈的异常再做适当的调整。另外,当设计变更时,亦相应修改测试条件。

    5.HALT和HASS试验设备要求

    使用液氮降温 
    快速的温变速率,产品上的温度变率可达到60℃/min。 
    温度操作范围为 -100℃到+200℃。 
    ●反复冲击式振动 
    6自由度, 
    3轴&转向同时施力。同时要达成三轴(X,Y,Z)旋转(转,抛,偏),能快速将设计缺陷显示出来。 
    涵盖频率范围广(2-5KHz)。 
    ●复合应力环境 
    温度和振动。 
    ●低环境噪音 
    <73dba。

    6. HASS技术总结
    1, 高加速寿命试验是针对产品设计上的根因分析,确定失效机理,描述产品裕度,可靠性健壮试验;加速寿命试验针对产品由于耗损问题产生的失效分析,作出产品可靠性评价。
    2, 应力包括环境应力,机械应力,电应力。 
    3, 环境应力筛选目的是利用环境应力使电子硬品在制造过程中较弱的零部件,不良工序等因素造成的非设计问题提早暴露并被检测出来,进而可以采取修改行动或将之剔除,以提高产品质量,使之满足当初的设计要求。
    4, 环境试验是在实验室内利用试验设备模拟环境条件,检测产品抵抗环境应力的耐用能力,按试验的理论基础和模拟环境的特色,可分为自然环境试验和动力环境试验。按照施加的环境应力项目可分为单一环境试验和综合环境试验。
    5, 热特性环境试验,主要测试试件的热传特性,产品达到温度稳定所需的时间;振动特性试验,主要确定产品动态结构特性,自然频率,振动模式,阻尼系数等
    6, 环境试验设备能按各种标准或用户要求进行高温,低温,温度冲击,温度循环,浸渍,低气压,高低温低气压,恒定湿热,交变湿热,高压蒸煮,沙尘,耐爆炸,盐雾腐蚀,气体腐蚀,霉菌,淋雨,太阳辐射,光老化等测试。
    7, 制冷原理:利用冷媒在压缩机,冷凝器,膨胀阀(节流阀),蒸发器中压力和状态的变化达到制冷效果。 
    老化发展阶段:静态老化,动态老化,老化过程中测试