7.4 专业实验
- 7.4.1 EMC测试
- EMS的测试项目如下。
- 1.静电放电抗扰度(ESD)
- 2.辐射电磁场(80 MHz~1000 MHz)抗扰度(RS)
- 3.电快速瞬变/脉冲群抗扰度
- 4.浪涌(雷击)抗扰度
- 5.注入电流(150 kHz~230 MHz)抗扰度(CS)
- 6.电压暂降和短时中断抗扰度
- EMI的测试项目包括以下部分。
- (1)谐波电流(2~40次谐波)。
- (2)闪烁Flicker。
- (3)传导骚扰(CE)。
- (4)辐射骚扰(RE)。
- 7.4.2 安规测试
- (1)输入测试。
- (2)安全标识的稳定性测试。
- (3)电容放电测试。
- (4)电路稳定测试。
- ①SELV电路。
- ②限功率源电路。
- ③限流源电路。
- (5)接地连续测试。
- (6)潮湿测试。
- (7)扭力测试。
- (8)稳定性测试。
- (9)外壳受力测试。
- (10)跌落测试。
- (11)应力释放测试。
- (12)电池充放电测试。
- (13)设备升温测试。
- (14)球压测试。
- (15)接触电流测试。
- (16)耐压测试。
- (17)异常测试。
- 7.4.3 HALT测试
- HALT具有如下优点:
- HALT试验中的试验项目分为以下几类,并按下面的顺序进行:
- HALT试验的详细试验过程如下。
- 第一步,搭建试验环境。
- 第二步,试验前常温工作测试。
- 第三步,步进低温工作试验。
- 第四步,低温启动试验。
- 第五步,步进高温工作试验。
- 第六步,高低温循环试验。
- 第七步,步进随机振动试验。
- 第八步,高低温循环与步进随机振动结合的综合试验。
- 第九步,低温与随机振动结合的综合试验(选做)。
- 第十步,高温与随机振动结合的综合试验(选做)。
- 7.4.4 HASS测试
- HASS试验目的:
- HASS测试的项目如下:
- HASS试验包括三个主要试程:
- 一般电子产品的测试过程如下。
- (1)HASS Development(设计HASS的测试条件)。
- (2)Proof-of-Screen(HASS计划验证阶段,对第一步设计的试验条件进行验证)。
- (3)Production HASS(执行)。
- HASS和HALT的区别如下。
专业实验的项目由产品的规格和使用场景决定。一般电子产品都涉及如下专业实验项目。
7.4.1 EMC测试
EMC测试(电磁兼容性测试)的全称是Electro Magnetic Compatibility,其定义为“设备和系统在其电磁环境中能正常工作且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。EMC包含两方面的内容:一方面,该设备应能在一定的电磁环境下正常工作,即该设备应具备一定的电磁抗扰度(EMS);另一方面,该设备自身产生的电磁骚扰不能对其他电子产品产生过大的影响,即电磁骚扰(EMI)。
EMS的测试项目如下。
1.静电放电抗扰度(ESD)
测试依据的标准是IEC 61000-4-2 Criteria B,测试目的是检验单个设备或系统抗静电泄放干扰的能力。
测试原理:ESD实验是模拟人体、物体在接触设备时产生的静电放电或人体、物体对邻近物体的放电,包括直接通过能量的交换引起器件的损坏或放电所引起的近场(电场和磁场的变化),造成设备的误动作。
2.辐射电磁场(80 MHz~1000 MHz)抗扰度(RS)
测试依据的标准是IEC 61000-4-3 Criteria A,测试目的是检验单个设备或系统抗电场干扰的能力。测试波形如下。
(1)频率范围:80 MHz-2.5 GHz。
(2)调制方式:80% AM,1 kHz sin-wave。
(3)频率步长:1%。
(4)驻留时间:3s。
3.电快速瞬变/脉冲群抗扰度
测试依据的标准是IEC 61000-4-4 Criteria B。测试目的是考察单个设备或系统抗快速瞬变干扰的能力,这些瞬变干扰是由于感性负载的中断等瞬变动作,导致脉冲成群的出现,脉冲重复频率高,上升时间短,会导致设备误动作。电快速瞬变测试项见表7.6。
4.浪涌(雷击)抗扰度
测试依据的标准是IEC 61000-4-5 Criteria B。测试目的是考察设备抗浪涌干扰的能力,这些瞬变干扰是由于其他设备的故障短路、主电源系统切换、间接雷击等产生的干扰。测试波形有1.2/50 μs和10/700 μs两种,1.2/50 μs波形适用于电源线端口和短距离信号电路/线路端口;10/700 μs波形适用于对称通信线路。
5.注入电流(150 kHz~230 MHz)抗扰度(CS)
测试依据的标准是IEC 61000-4-6 Criteria A。测试目的是考察单个设备或系统抗传导骚扰的能力。测试原理:主要考察外界从导线或电缆引入的0.15 MHz-80 MHz的连续干扰电压时的抗扰性。测试波形如下。
(1)频率范围:0.15 MHz~80 MHz。
(2)调制方式:80% AM,1 kHz sin-wave。
(3)频率步长:1%。
(4)驻留时间:3s。
6.电压暂降和短时中断抗扰度
测试依据的标准是IEC 61000-4-11 Criteria B&C。测试目的是考察设备抗电压跌落和暂降的能力。
EMI的测试项目包括以下部分。
(1)谐波电流(2~40次谐波)。
谐波测试依据的标准是EN61000-3-2。该标准规定向公共电网发射的谐波电流的限值,指定由在特定环境下被测设备产生的输入电流的谐波成分的限值,适用于输入电流小于或等于16 A的接入公共低电压网络的电子电气设备。
谐波测试主要是检验低压供电网络中的谐波可能对这些频率敏感的设备所产生的影响。
谐波测试原理:由于电子设备的工作模式、非线性元件和各种干扰噪声等原因,其输入电流不是完全的正弦波,往往含有丰富的高次谐波成分对电网造成污染。
电力系统中的谐波指的是那些频率为供电系统额定频率整数倍的正弦电压或正弦电流。
公共输电系统出现谐波电流会引起以下问题:
①损失更多电能,每一个谐波都有无功功率部分、有功功率部分(其中有功功率会令导线发热,所以要采用更大截面积的导线)。
②电子部件使用寿命缩短。
③电压失真导致电机效率降低。
谐波电压由叠加在电源电压上的一个或多个连续正弦波的组合波构成。
(2)闪烁Flicker。
测试依据的标准是EN 61000-3-3。该标准规定了电压波动和闪烁对公共电网的影响的限值,制定在特定的条件下被测样机产生的电压变化限值和评估方法的指导,适用于每相输入电流小于或等于16 A的接入公共低电压网络的220 V到250 V、50 Hz的电子电气设备。该标准的目的是保证产品不对与其连接在一起的照明设备造成过度的闪烁影响(灯光闪烁)。
(3)传导骚扰(CE)。
测试依据的标准是EN61000-6-4,适用于电子电气测量测试设备、电子电气控制设备或电子电气实验室设备。
传导骚扰实验原理:当电子设备干扰噪声的频率小于30 MHz,主要干扰音频频段,电子设备的电缆对于这类电磁波的波长来说,还不足一个波的波长(30 MHz的波长为10m),向空中辐射的效率很低,这样若能测得电缆上感应的噪声电压,就能衡量这一频段的电磁噪声干扰程度,这类噪声就是传导噪声。
(4)辐射骚扰(RE)。
测试依据的标准是EN61000-6-4,适用于电子电气测量测试设备、电子电气控制设备或电子电气实验室设备。
辐射骚扰实验原理:当天线的总长度大于信号波长λ的1/20,会向空间产生有效的辐射发射,当天线的长度为λ/2的整数倍时,辐射的能量最大。当噪声频率大于30 MHz时,电子设备的电缆,开孔、缝隙都容易满足上述条件,形成辐射发射。
7.4.2 安规测试
安规就是安全规范,通常是指电子产品在设计中必须保持和遵守的规范。安规测试通过模拟客户可能的使用方法,经过一系列的测试,考察电子产品在正常或非正常使用的情况下可能出现的电击、火灾、机械伤害、热伤害、化学伤害、辐射伤害、食品卫生等危害,在产品出厂前通过相应的设计,予以预防。
安规强调对使用和维护人员的保护,让电子产品给使用人员带来方便的同时,避免电子产品危害使用人员的安全。特别是电子设备部分或全部功能丧失时,也不会对使用人员造成伤害。电子产品的功能设计主要考虑如何实现功能并确保功能完好,而安规设计主要通过安全规范来约束电子产品的设计,提升产品的安全性。
不同于性能测试和设计测试,安规测试是为了验证对使用人员的保护能力,所以安规测试有一些特殊的测试项,安规测试所使用的工具和仪器也有特殊的需求。所有的安规测试项中,有一些是日常生活中涉及的动作,有一些是安规指标。常用的安规测试项如下。
(1)输入测试。
安规输入测试是验证产品的输入电路是否能够承受产品正常工作时所需要的电流。另外,在产品标准中也规定了产品最大功耗对应的输入电流不能超过产品标称电流的110%。用户在使用产品之前,布置的电气环境也不能小于产品称值电流的110%。
(2)安全标识的稳定性测试。
保护用户安全的警示性标识必须稳定可靠,能够长时间使用,不能在使用过程中出现模糊不清或者脱落的情况。安全标识出问题可能直接或间接导致用户发生危险,所以需要对安全标识的稳定性进行测试。安全标准中规定的测试项:安全标识先在水中测试15秒,然后在汽油中测试15秒,测试后标识不能模糊不清。
(3)电容放电测试。
对于电源线可插拔的设备,电源线被拔出后设备内部容性负载的残余电量释放需要时间,在这过程中如果人体触碰到电源插头,可能损坏设备或对人体造成伤害。因此,整机安全标准对电量释放时间有严格的规定,产品设计的时候必须遵守这些规定,产品安全认证的时候也需要测试设备的放电时间。
(4)电路稳定测试。
电路稳定测试包括SELV电路、限功率源电路和限流源电路。
①SELV电路。
SELV电路是Safety Extra-Low Voltage circuit(安全特低压电路)的简称。SELV电路对于用户来说是安全的,比如USB接口,即使用户触碰到USB接头,也不会有触电危险。SELV电路在IEC60364和IEC60950-1标准中有不同的定义,在设计时需要确认SELV电路遵循哪个标准。SELV电路要求在单一故障场景下,仍然能够满足SELV电路的要求。所以,必须对SELV电路的所有单元进行遍历,逐步对每一个单元进行故障模拟,考察SELV电路在单一故障场景下的表现。
②限功率源电路。
限功率电路的输出功率很小,设备输出端故障不会导致设备起火。在安全标准中,对这类电路的外壳降低了要求,这类电路的外壳阻燃等级满足UL94V-1即可。对于这类电路,在测试时需要验证电路限制输出功率的能力。
③限流源电路。
限流源电路的作用是限制设备的输出电流,避免对人员造成伤害。安全规范要求限流源电路正常工作时或单一故障场景下,电路的输出电流必须小于0.25mA。测试的时候必须验证正常场景和单一故障场景下,电路限制输出电流的能力。
(5)接地连续测试。
对于强电设备,必须有可靠的接地。设备表面的危险电压必须能够通过接地释放,确保人员接触设备表面时没有触电危险。安规测试规定了测试的电流、时间、电阻和压降。
(6)潮湿测试。
潮湿测试是为了验证设备在雨季、海边等湿度大的环境下是否能够安全运行,一般将被测设备放置到可以控制湿度的环境中进行测试。具体需要在什么湿度范围中进行测试,由产品宣称的规格和标准决定。
(7)扭力测试。
扭力测试是验证设备外部导线在使用过程中能够承受的弯曲次数,确保在产品宣称的生命周期内,导线不会因为外力作用而发生断裂、导体外露等问题。
(8)稳定性测试。
设备在使用过程中难免会承受外力,比如推、拉、叠放等。稳定性测试是为了验证设备在承受这些外力作用时,是否会导致坍塌、破损等危险。
(9)外壳受力测试。
设备在使用过程中,可能会由于外力作用导致外壳变形,这些变形不能导致设备内部短路等危险。外壳受力测试是验证设备在外壳受力场景下的安全性。
(10)跌落测试。
最常见是手机,在手机使用过程中可能会出现从手中脱落掉到地面的情况。跌落测试要求设备跌落后,功能可以损失,但不能危害使用人员的安全。跌落测试的高度由设备的使用场景和宣称标准决定,比如手机可能做1.2米高度的跌落测试;桌面设备可能做1米高度的跌落测试。
(11)应力释放测试。
对于内部有高压、激光等危险电路的设备,必须确保在设备外壳变形的情况下,设备内部的危险电路不会外露。安全测试时必须针对设备内部的危险电路进行测试。
(12)电池充放电测试。
对于内部有可充电电池的设备,需要做正常场景和单一故障场景下的充电和过充电测试。必须确保设备在充电和放电场景下是安全的,不能发生起火、爆炸等危险。
(13)设备升温测试。
设备工作过程中会产生热量,在设备宣称的工作温度范围内、设备工作的最大温升不能导致设备自身的损坏,对于人体能接触到的设备表面,还必须确保设备表面温度不能烫伤人体。对于有高温危险的表面,必须增加防护措施,贴高温标识。安全测试需要验证设备的温升是否满足要求。
(14)球压测试。
对于内部有危险电压的设备,需要对危险电压部件的绝缘材料或塑料外壳做球压测试,确保危险电压部件在高温工作时,塑料有足够的支撑强度。测试温度范围为15~125℃,在每个温度档位下保持1小时。
(15)接触电流测试。
接触电流测试是验证设备的漏电流。各个安规标准都对漏电流有严格的归档。产品设计时必须严格控制漏电流,否则产品认证测试无法通过。
(16)耐压测试。
耐压测试用于验证设备的绝缘能力,对于不同的绝缘要求,测试的电压不同,在耐压测试前需要对设备进行潮湿处理。
(17)异常测试。
异常测试包括错误使用测试、异常使用测试和单一故障测试。错误使用测试是针对有位置设置或状态调节功能的设备,在状态或位置错误的场景下,允许设备功能异常,但设备必须是安全的。
异常使用测试是指用户为了美观或者保护而对设备进行的一些改造,比如手机增加保护壳、电视机增加保护膜等。在这些场景下,设备也必须正常运行,不能出现安全问题。单一故障测试要求设备在单一故障场景下,必须是安全的。
7.4.3 HALT测试
HALT(Highly Accelerated Life Test)的全称是高加速寿命试验,是一种试验方法(思想),采用的环境应力比加速试验更加严酷。HALT由美国Hobbs工程公司总裁GreggKHobbs博士首先提出,从20世纪90年代开始获得推广应用。它主要应用于产品开发阶段,能以较短的时间促使产品的设计和工艺缺陷暴露出来,从而为我们做设计改进、提升产品可靠性提供依据。HALT试验有以下几个特点:
(1)试验前无法给定环境应力值,无依据标准。
(2)以加速暴露缺陷为目的。
(3)直接有助于提高产品可靠性。
(4)目的是发现缺陷和改进方法。
HALT试验经常是硬件工程师比较恐惧的试验,因为往往实验过程中,会出现不少问题,会有一种深陷泥潭不能自拔的感觉,具体包含以下几点:
(1)由于HALT试验是产品开发阶段产品相对稳定度还不够的时间段,出问题的概率还是比较高的。
(2)因为不按照器件规格进行试验,如果不出问题,则会一直做到试验设备的极限,直到找到产品的薄弱点,并且分析出原因,给出整改意见。
(3)问题往往难复现,根因难于挖掘。
但其实HALT试验能暴露出产品的短板,开发阶段发现和解决硬件问题比发货后发现问题再去解决,成本代价要小很多。此时硬件设计师头疼去发现和解决问题,是为了未来产品上市的良好质量保证,需要用严谨的态度去面对问题、感谢问题,不能捂问题。
与传统的可靠性试验相比,HALT试验的目的是激发故障,即把产品潜在的缺陷激发成可观测的故障。因此,它不是采用一般模拟实际使用环境进行的试验,而是人为施加步进应力,在远大于技术条件规定的极限应力下快速进行试验,找出产品的各种工作极限与破坏极限。目前,虽然还没有相关的试验标准,但国外在航空、汽车及电子等高科技产业都广泛开展了HALT项目,已有相当成效。
HALT具有如下优点:
(1)利用高环境应力,提早把产品设计缺陷激发出来,从而消除设计缺陷,大大提高设计可靠性,确保产品能获得早期高可靠性,使产品具有高外场可靠性;改善后可延长产品早夭期(浴盆曲线后段延伸)。
(2)产品的设计周期大大减少。
(3)生产费用大大降低。
(4)维修费用大大降低,因为交付的产品具有更高的可靠性。
(5)了解产品的设计能力及失效模式。
(6)HALT能找出产品的工作极限和破坏极限,为制定HASS(高加速应力筛选)方案,确定HASS的应力量级提供依据。
(7)大大减少鉴定试验时的故障,经过HALT的产品,鉴定试验已不重要,仅是一种形式而已。
做HALT试验的设备必须能够提供振动应力和热应力,并满足下列指标。
振动应力:必须能够提供6个自由度的随机振动;振动能量带宽为2~10000 Hz;振台在无负载情况下至少能产生65 Grms的振动输出。
注:g值是一个重力加速度值(g=9.8m/s2),而Grms是个积累的物理量,类似于能量一样,在一定的频率范围内对PSD积分[PSD:功率谱密度(Power Spectral Density),近似的算法就是求面积,再将面积开方],然后将积分的结果开方,也叫加速度总均方根值。
热应力:目标是为产品创造快速温度变化的环境,要求至少45℃/min的温变率;温度许可范围至少为-9~170℃。
HALT试验中的试验项目分为以下几类,并按下面的顺序进行:
(1)试验前常温工作测试。
(2)步进低温工作试验。
(3)低温启动试验。
(4)步进高温工作试验。
(5)高低温循环试验。
(6)步进随机振动试验。
(7)高低温循环与步进随机振动结合的综合试验。
(8)低温与随机振动结合的综合试验(选做)。
(9)高温与随机振动结合的综合试验(选做)。
HALT试验的详细试验过程如下。
第一步,搭建试验环境。
试验人员首先按上述试验基本要求准备好试验设备、测试设备、试验样品等资源,然后开始搭建试验环境:
(1)把试验样品有针对性地置于试验箱内,如果是振动试验,必须用夹具固定样品。
(2)把电源线、信号线及监视用电缆、光纤等引线通过试验箱出线口引出,与外面电源、监视设备等正确相连。
(3)对试验样品按规律编号,以便于试验过程的记录。
(4)样品上电,研发、测试人员负责按测试用例对样品组网、配置业务并配置仪表,使样品工作正常。
(5)样品掉电,给样品的温度、振动关键检测点粘贴必要的热电偶和振动加速度计。(注意,由于加速度计在高温时容易损坏,在有高温的振动试验中,不要使用加速度计。)
第二步,试验前常温工作测试。
试验前的常温工作测试,即在搭建试验环境完成后,对样品持续进行一段时间的测试。有两个目的:一是确认试样在正常工作条件下符合规格要求;二是测量常温工作条件下试样关键部位的温升。
第三步,步进低温工作试验。
从样品低温规格限开始,步进降温,步进步长一般为10℃,接近极限时步长取5℃。如果已有其他样品做过本试验项目,并确定失效温度点距离规格限较远,为缩短试验时间,步长可以为20℃。每个温度台阶的停留时间应足够长,使得产品的每个器件的温度稳定下来,通常是产品温度达到温度设定点后5~15分钟。
每个温度台阶必须进行完整的功能测试。试验中满足以下任意一个条件本项目即可停止:
一是低温达到或超过了零下90℃,或所有试验样品在某个温度点附近一致失效;
二是达到了试验箱的极限;
三是达到了样品材料所能承受应力的物理极限。
如果产品发生了失效,温度回升至上一个温度台阶,判断失效为运行失效还是破坏失效。
如果试验满足终止条件后试样依然没有失效,则把当时最低的温度试验条件定为试样的运行限。如果找到了某个样品运行限或操作限,但还不满足试验结束条件,则更换样品,继续试验。
第四步,低温启动试验。
低温启动试验一般和步进低温工作试验结合在一起做。低温启动从-20℃开始,如果启动成功,则以10℃为步长降温,接近极限时步长为5℃;如果启动不成功,以10℃为步长升温,接近样品低温规格时,步长为5℃。
样品断电,试验箱保持某一低温,监视样品内部温度,直至温度平衡,再停留10分钟,保证芯片内部被冷透。
样品上电,配置业务,并监视样品性能,根据性能指标判断是否启动成功。
第五步,步进高温工作试验。
从样品高温规格限开始,步进升温,步进步长一般为10℃,接近极限时步长取5℃;如果已有同种产品的其他样品做过本试验项目,并
确定失效温度点距离规格限较远,为缩短试验时间,步长可以为20℃。
每个温度台阶的停留时间应足够长,使得产品的每个器件的温度稳定下来,通常是产品温度达到温度设定点后10~15分钟。
每个温度台阶必须进行完整的功能测试。
试验中满足以下任意一个条件,本项目即可停止:一是温度达到或超过了高温150℃。或所有试验样品在某个温度点附近一致失效;二是达到了试验箱的极限;三是达到了样品材料所能承受应力的物理极限,比如塑料熔化。
如果产品发生了失效,温度下降至上一个温度台阶,判断失效为运行失效(运行限或操作限)还是破坏失效。
如果试验满足终止条件后试样依然没有失效,则把当时最高的温度试验条件定为试样的运行限;如果找到了某个样品的运行限或操作限,但还没有达到试验结束条件,则更换样品,继续试验。如果电路有一些已知的热的敏感点,在升温中采用必要方法屏蔽这些部位,比如局部制冷或加强散热,以发现样品其他部分的缺陷。
第六步,高低温循环试验。
一般进行5个循环,最少要进行3个温度循环,除非产品发生破坏性失效。温度变化速率取试验箱的最大温变能力,如果在温度变化时试样失效,则降低温度变化率。温度循环的温度极点取[低温操作限+5℃,高温操作限-5℃]。在两个温度极点至少等产品到达温度设定点后再停留5分钟,如果产品体积很大或热容量很大,比如体积超过0.05立方米,应适当延长停留时间。
尽可能在温度变化时完成完整的功能测试。如果试验时间紧急,可以不做此项测试,因为后面的温度循环与振动的综合试验中包含了此种应力,但推荐尽可能做此项测试。
第七步,步进随机振动试验。
首先了解产品对振动的大致响应,然后用合适的夹具把样品固定在振台上,在样品合适部位安装加速度计。选择加速度计安装部位的原则如下。
(1)用有限数量(6通道)的加速度计,监视样品尽可能全面的振动情况。
(2)步进起始振动为1~10 Grms,推荐5 Grms。
(3)步进步长为1~10 Grms,推荐5 Grms。
(4)每个振动台阶停留5分钟,并完成完整的功能测试。
(5)在振动强度超过20 Grms时,每个振动台阶完毕,把振动值调至5±3 Grms,并做功能测试,有利于故障的暴露。
(6)试验中满足以下任意一个条件,本项目即可停止:一是振动达到或超过了50 G,或所有试验样品在某个振动点附近一致失效;二
是达到了试验箱的极限;三是到了样品材料所能承受应力的物理极限,比如表贴器件管脚断裂。
如果产品发生故障,将振动强度降回上一个台阶,判断该失效为运行限还是破坏限。
如果试验满足终止条件后试样依然没有失效,则把当时最低的试验条件定为试样的振动运行限;如果找到了某个样品的运行限或操作限,但还没有达到试验结束条件,则更换样品,继续试验。
第八步,高低温循环与步进随机振动结合的综合试验。
振动极限值取步进振动试验中的操作限值,具体如下。
(1)高、低温极限值与纯粹的高低温循环试验相同。
(2)共计5个循环。
(3)第一个循环的振动设定值为振动极限值的1/5,步长同样为
振动极限值的1/5。
(4)推荐每个振动台阶完毕,把振动值调至5±3 Grms,并做功
能测试,有利于故障的暴露。
(5)在每个温度停留点进行完整的功能测试,可能的话全程监视
产品性能。
第九步,低温与随机振动结合的综合试验(选做)。
如果在温度循环与随机振动的综合试验中试样在温度循环的低温段出现软故障,则可以开展本试验项目,用于试验问题的定位。试验分为两类。
(1)步进振动的低温试验。温度取低温操作限或略高5℃,进行步进随机振动试验,试验步骤与“步进随机振动试验”相同。振动极限值取试样的振动运行限或略低5G。
(2)步进低温的振动试验。振动取振动操作限或略低5G,进行步进低温试验,试验步骤与“步进低温工作试验”相同。温度极限值取试样的温度运行限或略低5℃。
第十步,高温与随机振动结合的综合试验(选做)。
如果在温度循环与随机振动的综合试验中试样在温度循环的高温段出现软故障,则可以开展本试验项目,用于试验问题的定位。试验分为两类。
(1)步进振动的高温试验。温度取高温操作限或略低5℃,进行步进随机振动试验,试验步骤与“步进随机振动试验”相同。振动极限值取试样的振动运行限或略低5 G。
(2)步进高温的振动试验。振动取振动操作限或略低5G,进行步进高温试验,试验步骤与“步进高温工作试验”相同。温度极限值取试样的温度运行限或略低5℃。
7.4.4 HASS测试
HASS试验的定义:高加速应力筛选(Highly Acceler-Ated Stress Screen)。
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以实施。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。
根据美国通用电气公司的统计调查结果,分析全新设计的产品在市场出现失效的比重,发现因设计缺陷造成失效的比例占33%,零件选用不当占34%,制程缺陷则占33%。Honeywell对于成熟的产品进行市场失效统计调查发现零件不良造成失效比例占60%,制程缺陷则占40%。因此控制量产时零件与生产制程不良才可有效控制比例。一般而言,当产品在市场出现失效时,通常已经数百或数千产品投入市场。因此,利用产品在设计阶段执行HALT的数据经验证决定适当应力水平并转换为HASS(及HASA)手法,进行量产质量控制。
HASS试验目的:
(1)进行预筛选,剔除可能发展为明显缺陷的隐性缺陷。
(2)进行探测筛选,找出明显缺陷。
(3)故障分析。
(4)改进措施。
HASS测试的项目如下:
(1)低温步进应力试验。
(2)高温步进应力试验。
(3)快速热循环试验。
(4)振动步进应力试验。
(5)综合应力试验。
(6)工作应力测试(包含开/关机、电压位偏、频率拉偏)。
HASS试验包括三个主要试程:
(1)HASS Development(HASS试验计划阶段)。
(2)Proof-of-Screen(计划验证阶段)。
(3)Production HASS(HASS执行阶段)。
一般电子产品的测试过程如下。
(1)HASS Development(设计HASS的测试条件)。
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%作为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。
①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。
②属前者时应再放宽温度及振动应力10%进行测试,属后者时表示目前测试条件有效。
③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(HASS计划验证阶段,对第一步设计的试验条件进行验证)。
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,而使HASS Profile达到预期效果。
在完成有效性测试后,应再用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,并可作为Production HASS之用。反之则须再检讨,调整测试条件以求获得最佳的组合。
(3)Production HASS(执行)。
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,但仍须根据客户返还故障品的故障模式进行适当的调整。另外,当设计变更时,亦相应修改测试条件(根据新的设计,需要重新做HALT试验,并且做相应的HASS设计和验证)。
HASS试验的收益:
利用高加速环境应力可快速将产品潜在缺陷激发出来并于设计阶段加以修正。作为产品量产时的高加速应力筛选(HASS)及高加速应力稽核(Highly Accelerated Stress Audit)规格制定的参考,降低产品在市场的失效率及减少维修成本,建立产品设计能力数据库,以作为研发依据并可缩短设计开发时间。
对产品的评价不能只看其功能和性能是不是优秀,还要综合其各方面条件,例如在严酷环境中,其功能和性能的可靠程度及维修、成本高低等。在提高产品可靠性方面,环境试验占有重要位置,说得极端一些,没有环境试验,就无法正确鉴别产品的品质、确保产品质量。在产品的研制、生产和使用中都贯穿着环境试验,通常是设计、试验改进再试验投产。环境试验越真实准确,产品的可靠性越好。
HASS试验设备要求如下。
试验台规格要求:
温度:-90~170℃。
温度变化率:至少45℃/min。
振动频率范围:2 Hz到10 kHz。
振动加速度要求:振台在无。负载情况下至少能产生50 Grms的振动输出。
振动方向:6个自由度的随机振动。
HASS和HALT的区别如下。
(1)阶段不一样:HALT是开发阶段,HASS是生产早期阶段,或者是生产阶段。
(2)目的不同:HALT试验是一种摸底试验,目的是发现设计的短板并改进,HASS是一种通过性试验,是量产质量控制。
(3)强度不一样:HALT试验可能会造成产品的损伤,而HASS试验不应该造成产品的损伤,因为HASS试验之后,产品是需要进行售卖的,而HALT试验之后的产品是严禁再出货的。
(4)试验方法不同:HALT试验是加速应力,直至产品失效;HASS试验是多次重复但是无产品损伤、逐步修正、完成试验的轮廓的过程。
(5)HALT试验和HASS试验都能优化失效率,但处于器件生命周期的不同阶段。