——兩種卓越的可靠性試驗技術
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(HALT)和加速壽命試驗(ALT) 是產品可靠性設計中運用的*有效的兩種可靠性試驗技術。高加速壽命試驗適合用于發現設計缺陷，確定失效機理，描述產品裕度。當主要失效機理不是由于耗損原因引起時，用高加速壽命試驗。而加速壽命試驗適用于描述由磨損造成的失效機理，通常用來檢驗機構在超出用戶預期和超出擔保期的情況下產生的失效情況。
   在多數情況下，這兩種方法結合起來使用。因為每種方法適用于揭示不同類型的失效機理。兩種方法的適當結合，為產品可靠性設計提供了一套完整全面的試驗手段。

引言
高加速壽命試驗和加速壽命試驗是兩種*有效的可靠性試驗方法。但是，人們卻經常對它們的應用時機和應用范圍感到困惑。本文將討論這兩種技術的運用時機和何時這兩種技術一起應用。高加速壽命試驗高加速壽命試驗是在極短的時間內（通常是幾小時或幾天），對產品施加步進應力，直到產品失效，找出設計缺陷，并加以改進，以提高產品可靠性的試驗過程。高加速壽命試驗適用于發現設計缺陷，通常用于整個系統，但也可用于部件。當產品存在耗損機理時，不采用高
加速壽命試驗。高加速壽命試驗用于揭示產品設計和零件選擇中的潛在缺陷，而這些缺陷通過傳統的鑒定試驗方法卻難以發現。該過程是將對手試產品施加步進應力，包括環境應力（如溫度和振動）、電應力（如電壓極限和載荷變化）以及這些應力的組合，激發內在缺陷。而且，高加速壽命試驗著力于使產品達到失效，以便評定超出其計劃使用范圍的設計健壯性和超過規定工作極限的設計裕度。
  高加速壽命試驗的一個基本組成部分是根因分析，以及為確保產品完整性的糾正措施的確定和執行，從而提高產品的可靠性和設計健壯性。只有發現和確定了產品的薄弱環節，我們才能達到提高裕度的目的。根因分析也許是高加速壽命試驗*復雜的一個環節，因為為了確定產品在試驗中暴露出的潛在問題，接著需要分析這些問題在現場使用中是否會發生？或是它僅僅是由于試驗過程中超出了產品技術要求或改變了失效機理而已。做出這種決定要求具備預先規劃和產品知識 、經驗和較好的根因分析技能。通常我們認為，試驗中出現的失效是非關聯的，因為我們的試驗確實改變了失效機理。這種試驗通常是加速壽命試驗的被選試驗。

加速壽命試驗
    加速壽命試驗是在相對較短的時間內（通常幾周或幾月）通過加速使用環境確定產品可靠性的過程。加速壽命試驗也適用于揭示產品主要的失效機理。該試驗通常在組件上進行，而不是在整個系統上進行。當產品存在耗損時，經常使用加速壽命試驗。
   為了進行加速壽命試驗，我們必須確定一系列參數。參數包括（但不限于）：試驗持續時間、樣本數量、試驗目的、要求的置信度、需求的精度、費用、加速因子、外場環境、試驗環境、加速因子計算、威布爾分布斜率或β參數（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方法確定產品壽命，一個關鍵因素就是確定加速因子，而有時這是*困難的。我們可用兩種方法：1)現有模型（沒有大量研究，不是非常精確）2)通過試驗確定的模型（需大量試驗樣本和時間）。

利用現有模型確定加速因子
現有模型有：Arrhenius模型、Coffin-Manson模型和Norris-Lanzberg模型等。使用現有模型比起用試驗方法來確定加速因子節省時間，并且所需樣本少。但不是很精確，而且模型變量的賦值較復雜。需要注意的是，采用無鉛焊料的轉變將導致所有這些量值改變（目前我們仍不知道它們將如何變化）。

通過試驗確定加速因子
如果沒有合適的加速模型用于你的產品和環境，那就需要通過試驗導出加速因子。先將樣本分成三個應力級別：高應力、中應力、低應力。然后，制定試驗計劃確保在每一個應力級別上產生相同的失效機理。這是確定加速因子較精確的方法，但需要較長時間和較多樣本。
通常的程序是在低應力和高應力兩個數值下，使用*易獲得的信息和假設來估計失效率。這些值主要用于計算樣本數量，目的是使被試產品歷經充分足夠多的失效（通常至少5次），以便使數據分析更有效。
對于定點的值，選擇高應力的目的是，更快地加速被試裝置到失效狀態（縮短試驗時間），而且激發出與使用條件下出現相同的失效機理。選擇低應力設定點接近于使用條件，而且其應力值高到足以在期望的試驗時間內能激發至少五次失效。然后，我們選擇這兩個應力數值之間的第 三個應力點，以便能夠對加速數據進行健壯的統計擬合，以提供外推到使用條件的能力。此試驗稱作4:2:1分配方案，因為我們對被試裝置的低、中、高應力的分配分別為4/7、2/7、1/7。然后計算加速因子。當加速因子不能確定時，我們只有加速工作循環。例如，我們能提高按鈕使用的頻率和裝置使用的次數。然而，要通過提高工作循環這一方式，我們必須確信不改變任何其它參數。我們有時發現如果工作循環提高得太高，就會增高裝置的內部溫度，因為在兩次循環間就沒有時間冷卻。

適用于加速壽命試驗的產品有：移動電話、風扇、硬驅、汽車電子設備、機器人和輸液泵等。高加速壽命試驗和加速壽命試驗的比較高加速壽命試驗不用于確定產品的壽命。因為我們關心的是使產品盡可能提高可靠性，可靠性量值的測定并不重要。然而，對于具有耗損時間的機械產品，盡可能準確地知道其壽命是非常重要的。高加速壽命試驗比起加速壽命試驗來，一個重要優勢就是在找尋影響外場使用的缺陷方面的速度較快。完成一個典型的高加速壽命試驗僅需2-4天，而且我們找尋的*終將變成外場使用問題的缺陷的成功率非常高。加速壽命試驗比起高加速壽命試驗的一個優勢是，我們不需要任何環境設備。通常，臺架上試驗就足夠了。并且許多情況下，在用戶的設施上就能進行該試驗。另一個好處就是試驗能同時確定產品的壽命，而這一點對高加速壽命試驗來說卻做不到。圖1 表示出了兩種試驗方法的區別。

 


圖1 高加速壽命試驗和加速壽命試驗的比較
聯合使用高加速壽命試驗和加速壽命試驗通常，我們先對整個產品做高加速壽命試驗，然后對其組件進行加速壽命試驗，獲得主要耗損機理，因為對于主要耗損機理做高加速壽命試驗不太合適。

在圖2中，我們在裝置級上進行高加速壽命試驗。對于大多數組件來說，這是尋找缺陷的合適級別。但對于風扇裝置，我們不能施加長時
間應力來激發其主要失效機理。因而，我們在進行整個裝置的高加速壽命試驗后，再進行組件本身的加速壽命試驗，并且通過加速壽命試驗，找出主要失效機理。 

 
圖2 風扇裝置在進行裝置級的HALT后，再進行組件級的ALT在另外一些情況下，我們在高加速壽命試驗極限的基礎上，開發了加速壽命試驗。使用相同應力類型，但減少應力值，以便使加速因子處于可測量的水平。
在圖3中，我們在電源組件上行高加速壽命試驗，以便發現產品應力極限。然后進行幾次設計改進，再進行驗證性高加速壽命試驗，
以顯示設計裕度的提高。電源組件在進行完高加速壽命試驗后，再進行加速壽命試驗，測定產品的壽命。 

 
圖3 電源組件進行完HALT后，再進行ALT

結論：高加速壽命試驗(HALT)和加速壽命試驗(ALT)都是卓越的可靠性試驗技術，關鍵是掌握它們的應用時機和應用范圍。

原創作者：東莞市高邦試驗設備有限公司