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      高加速寿命试验(HALT)和加速寿命试验(ALT)

             ——两种卓越的可靠性试验技术
      Mike Silverman, CRE, Ops A La Carte, LLC
      于晓伟 编译 曾天翔 校对

            高加速寿命试验(HALT)和加速寿命试验(ALT) 是产品可靠性设计中运用的最有效的两种可靠性试验技术。高加速寿命试验适合用于发现设计缺陷,确定失效机理,描述产品裕度。当主要失效机理不是由于耗损原因引起时,最好用高加速寿命试验。而加速寿命试验适用于描述由磨损造成的失效机理,通常用来检验机构在超出用户预期和超出担保期的情况下产生的失效情况。
         在多数情况下,这两种方法最好结合起来使用。因为每种方法适用于揭示不同类型的失效机理。两种方法的适当结合,为产品可靠性设计提供了一套完整全面的试验手段。

      引言
      高加速寿命试验和加速寿命试验是两种最有效的可靠性试验方法。但是,人们却经常对它们的应用时机和应用范围感到困惑。本文将讨论这两种技术的运用时机和何时这两种技术一起应用。高加速寿命试验高加速寿命试验是在极短的时间内(通常是几小时或几天),对产品施加步进应力,直到产品失效,找出设计缺陷,并加以改进,以提高产品可靠性的试验过程。高加速寿命试验适用于发现设计缺陷,通常用于整个系统,但也可用于部件。当产品存在耗损机理时,最好不采用高
      加速寿命试验。高加速寿命试验用于揭示产品设计和零件选择中的潜在缺陷,而这些缺陷通过传统的鉴定试验方法却难以发现。该过程是将对手试产品施加步进应力,包括环境应力(如温度和振动)、电应力(如电压极限和载荷变化)以及这些应力的组合,激发内在缺陷。而且,高加速寿命试验着力于使产品达到失效,以便评定超出其计划使用范围的设计健壮性和超过规定工作极限的设计裕度。
        高加速寿命试验的一个基本组成部分是根因分析,以及为确保产品完整性的纠正措施的确定和执行,从而提高产品的可靠性和设计健壮性。只有发现和确定了产品的薄弱环节,我们才能达到提高裕度的目的。根因分析也许是高加速寿命试验最复杂的一个环节,因为为了确定产品在试验中暴露出的潜在问题,接着需要分析这些问题在现场使用中是否会发生?或是它仅仅是由于试验过程中超出了产品技术要求或改变了失效机理而已。做出这种决定要求具备预先规划和产品知识 、经验和较好的根因分析技能。通常我们认为,试验中出现的失效是非关联的,因为我们的试验确实改变了失效机理。这种试验通常是加速寿命试验的被选试验。

      加速寿命试验
          加速寿命试验是在相对较短的时间内(通常几周或几月)通过加速使用环境确定产品可靠性的过程。加速寿命试验也适用于揭示产品主要的失效机理。该试验通常在组件上进行,而不是在整个系统上进行。当产品存在耗损时,经常使用加速寿命试验。
         为了进行加速寿命试验,我们必须确定一系列参数。参数包括(但不限于):试验持续时间、样本数量、试验目的、要求的置信度、需求的精度、费用、加速因子、外场环境、试验环境、加速因子计算、威布尔分布斜率或β参数(β<1表示早期故障,β>1表示耗损故障)。
      为了用加速寿命试验方法确定产品寿命,一个关键因素就是确定加速因子,而有时这是最困难的。我们可用两种方法:1)现有模型(没有大量研究,不是非常精确)2)通过试验确定的模型(需大量试验样本和时间)。

      利用现有模型确定加速因子
      现有模型有:Arrhenius模型、Coffin-Manson模型和Norris-Lanzberg模型等。使用现有模型比起用试验方法来确定加速因子节省时间,并且所需样本少。但不是很精确,而且模型变量的赋值较复杂。需要注意的是,采用无铅焊料的转变将导致所有这些量值改变(目前我们仍不知道它们将如何变化)。

      通过试验确定加速因子
      如果没有合适的加速模型用于你的产品和环境,那就需要通过试验导出加速因子。先将样本分成三个应力级别:高应力、中应力、低应力。然后,制定试验计划确保在每一个应力级别上产生相同的失效机理。这是确定加速因子较精确的方法,但需要较长时间和较多样本。
      通常的程序是在低应力和高应力两个数值下,使用最易获得的信息和假设来估计失效率。这些值主要用于计算样本数量,目的是使被试产品历经充分足够多的失效(通常至少5次),以便使数据分析更有效。
      对于定点的值,选择高应力的目的是,更快地加速被试装置到失效状态(缩短试验时间),而且激发出与使用条件下出现相同的失效机理。选择低应力设定点接近于使用条件,而且其应力值高到足以在期望的试验时间内能激发至少五次失效。然后,我们选择这两个应力数值之间的第 三个应力点,以便能够对加速数据进行健壮的统计拟合,以提供外推到使用条件的能力。此试验称作4:2:1分配方案,因为我们对被试装置的低、中、高应力的分配分别为4/7、2/7、1/7。然后计算加速因子。当加速因子不能确定时,我们只有加速工作循环。例如,我们能提高按钮使用的频率和装置使用的次数。然而,要通过提高工作循环这一方式,我们必须确信不改变任何其它参数。我们有时发现如果工作循环提高得太高,就会增高装置的内部温度,因为在两次循环间就没有时间冷却。 #p#分页标题#e#

      适用于加速寿命试验的产品有:移动电话、风扇、硬驱、汽车电子设备、机器人和输液泵等。高加速寿命试验和加速寿命试验的比较高加速寿命试验不用于确定产品的寿命。因为我们关心的是使产品尽可能提高可靠性,可靠性量值的测定并不重要。然而,对于具有耗损时间的机械产品,尽可能准确地知道其寿命是非常重要的。高加速寿命试验比起加速寿命试验来,一个重要优势就是在找寻影响外场使用的缺陷方面的速度较快。完成一个典型的高加速寿命试验仅需2-4天,而且我们找寻的最终将变成外场使用问题的缺陷的成功率非常高。加速寿命试验比起高加速寿命试验的一个优势是,我们不需要任何环境设备。通常,台架上试验就足够了。并且许多情况下,在用户的设施上就能进行该试验。另一个好处就是试验能同时确定产品的寿命,而这一点对高加速寿命试验来说却做不到。图1 表示出了两种试验方法的区别。

      高加速寿命试验(HALT)和加速寿命试验(ALT) 

      图1 高加速寿命试验和加速寿命试验的比较
      联合使用高加速寿命试验和加速寿命试验通常,我们先对整个产品做高加速寿命试验,然后对其组件进行加速寿命试验,获得主要耗损机理,因为对于主要耗损机理做高加速寿命试验不太合适。

      在图2中,我们在装置级上进行高加速寿命试验。对于大多数组件来说,这是寻找缺陷的合适级别。但对于风扇装置,我们不能施加长时
      间应力来激发其主要失效机理。因而,我们在进行整个装置的高加速寿命试验后,再进行组件本身的加速寿命试验,并且通过加速寿命试验,找出主要失效机理。

      高加速寿命试验(HALT)和加速寿命试验(ALT) 
      图2 风扇装置在进行装置级的HALT后,再进行组件级的ALT在另外一些情况下,我们在高加速寿命试验极限的基础上,开发了加速寿命试验。使用相同应力类型,但减少应力值,以便使加速因子处于可测量的水平。
      在图3中,我们在电源组件上先进行高加速寿命试验,以便发现产品应力极限。然后进行几次设计改进,再进行验证性高加速寿命试验,
      以显示设计裕度的提高。电源组件在进行完高加速寿命试验后,再进行加速寿命试验,测定产品的寿命。

      高加速寿命试验(HALT)和加速寿命试验(ALT) 
      图3 电源组件进行完HALT后,再进行ALT

      结论:高加速寿命试验(HALT)和加速寿命试验(ALT)都是卓越的可靠性试验技术,关键是掌握它们的应用时机和应用范围。

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