HALT/HASS試驗綜述
1． 引言
近年來，可靠性加速試驗中的高加速應力試驗（HAST，highly accelerated stress test）及極限應力試驗（Limil test）技術不斷發展，為考核產品質量和可靠性，快速暴露產品的設計和制造缺陷，提高其可靠性提供了強有力的工具。
高加速壽命試驗（HALT，Highly accelerated life test）與高加速應力篩選（Hass，Highly acceler-ated stress screen）是由美國Hobbs工程公司總裁Gregg K Hobbs博士首先提出來的，90年代HALT和HASS獲得推廣應用，以HALT和HASS為主的HAST的最大特點是時間上的壓縮，即在短短的幾天內模擬一個產品的整個壽命期間可能遇到的情況，HALT與傳統試驗有所不同，其目的是激發故障，即把產品的潛在缺陷激發成可觀察的故障，采用人為施加步進應力，在遠大于技術條件規定的極限應力下快速地進行試驗，找出工作極限甚至損壞極限，然后根據HALT確定的極限來制定HASS試驗應力，通過HASS可以快速剔除早期潛在的缺陷，保障產品的使用可靠性。
極限應力試驗（Limit test）是HAST中的一種，這種方法規定了確定或評價微電子器件最大能力的方法，這些能力包括絕對最大額定值（從中可推出安全設計極限值）、在不引起退化的前提下篩選或試驗時可以施加的最大應力，對不引起退化的特殊篩選或試驗的敏感性，以及與之有關的失效模式和機理。
對研制產品來說，HALT與HASS是一個整體，均屬于HAST的范疇。HALT針對產品的設計過程，HASS則針對產品的生產過程，從上世紀90年代至今，HAST技術相繼在各工業部門推廣應用。無一例外地取得了較大成功，美國國防部微電子試驗標準MIL-STD-883E中給出了微電路進行limit test的基本方法（見表1），由于商業競爭與軍工保密的原因，許多先進的HAST和limit test的試驗技術仍未解密發表，以下僅列出部分試驗研究的成果供參考。
2． HAST和Limit test要點
2.1 層次性要求
在HAST和Limit test過程中只有按照由低到高的層次關系進行試驗，才能充分暴露產品中的缺陷，更準確地分析產生這些缺陷的根本原因，確定下一層次試驗的試驗方案，達到最佳的試驗效果，從而使產品的可靠性從根本上得到保障。
2.2 樣品選擇
為了保證試驗的有效性，HAST和limit test必須在能夠代表設計、元件、材料和制造工藝都已落實的樣品上進行，這樣才能充分地發現設計的薄弱環節，更準確地分析產生這些缺陷的根本原因。
2.3 所需資源
要進行HAST和limit test，除一般的高效率試驗設備外，還需要一個試驗技術小組，它包括產品設計、制造加工、可靠性試驗和失效分析等各類型的技術人員，為產品的試驗提供全面的技術支持，其主要任務是制定試驗方案，安排試驗進程，檢測試驗中產品失效形式，分析試驗結果，確定修正的優先級和修正方案，并決定產品是否需要進一步做HASS試驗。
2.4 破壞性試驗
經過HAST或Limit test后的產品已失效，不能另作他用。
3. HALT & HASS 可靠性測試的應用
HALT & HASS是由美國軍方所延伸出的設計質量驗證與制造質量驗證的試驗方法，現已成為美國電子業界的標準產品驗證方法。它將原需花費6個月甚至1年的新產品可靠性試驗縮短至一周，且在這一周中所發現的產品問題幾乎與客戶應用后所發現的問題一致，故HALT & HASS的試驗方式已成為新產品上市前所必需通過的驗證。在美國之外，許多國際的3C電子產品大廠也都使用相同或類似的手法來提升產品質量。
HALT是一種通過讓被測物承受不同的應力，進而發現其設計上的缺限，以及潛在弱點的實驗方法。HALT的主要目的是通過增加被測物的極限值，進而增加其堅固性及可靠性。HALT利用階梯應力的方式加諸于產品，能夠在早期發現產品缺陷、操作設計邊際及結構強度極限的方法。其加諸于產品的應力有振動、高低溫、溫度循環、電力開關循環、電壓邊際及頻率邊際測試等。利用該測試可迅速找出產品設計及制造的缺陷、改善設計缺陷、增加產品可靠性并縮短其上市周期，同時還可建立設計能力、產品可靠性的基礎數據及日后研發的重要依據。
簡單地說，HALT是以連續的測試、分析、驗證及改正構成了整個程序，關鍵在于分析所有故障的根本原因。
HALT 的主要測試功能如下：
* 利用高環境應力將產品設計缺陷激發出來，并加以改善；
* 了解產品的設計能力及失效模式；
* 作為高應力篩選及稽核規格制定的參考；
* 快速找出產品制造過程的瑕疵；
* 增加產品的可靠性，減少維修成本；
* 建立產品設計能力數據庫，為研發提供依據并可縮短設計制造周期。
HALT應用于產品的研發階段，能夠及早發現產品可靠性的薄弱環節。其所施加的應力要遠遠高于產品在正常運輸﹑貯藏﹑使用時的應力。
HALT包含的如下內容：
* 逐步施加應力直到產品失效或出現故障；
* 采取臨時措施，修正產品的失效或故障；
* 繼續逐步施加應力直到產品再次失效或出現故障，并再次加以修正；
* 重復以上應力-失效-修正的步驟；
* 找出產品的基本操作界限和基本破壞界限。
HASS應用于產品的生產階段，以確保所有在HALT中找到的改進措施能夠得已實施。HASS還能夠確保不會由于生產工藝和元器件的改動而引入新的缺陷。
HASS包含如下內容：
* 進行預篩選，剔除可能發展為明顯缺陷的隱性缺陷；
* 進行探測篩選，找出明顯缺陷；
* 故障分析；
* 改進措施。
4. HALT & HASS 可靠性測試的步驟
4. 1 HALT
HALT共分為4個主要試程，即：
* 溫度應力；
* 高速溫度傳導；
* 隨機振動；
* 溫度及振動合并應力。
在HALT試驗中可找到被測物在溫度及振動應力下的可操作界限與破壞界限。此實驗所用設備為QualMark公司所設計的綜合環境試驗機（OVS Combined Stress System），溫度范圍為-100℃～+200℃，溫度變化最大速率為60℃/min，最大加速度可到60Grms，而且振動機與溫度箱合二為一的設計可同時對被測物施加溫度與振動應力。以下就四個試程的一般情況分別加以說明：
（1）溫度應力
此項試驗分為低溫及高溫兩個階段應力。首先執行低溫階段應力，設定起始溫度為20℃，每階段降溫10℃，階段溫度穩定后維持10min，之后在階段穩定溫度下執行至少一次的功能測試，如一切正常則將溫度再降10℃，并待溫度穩定后維持10min再執行功能，依此類推直至發生功能故障，以判斷是否達到操作界限或破壞界限；在完成低溫應力試驗后，可依相同程序執行高溫應力試驗，即將綜合環境應力試驗機自20℃開始，每階段升溫10℃，待溫度穩定后維持10min，而后執行功能測試直到發現高溫操作界限及高溫破壞界限為止。
（2）高速溫度傳導
此項試驗將先前在溫度階段應力測試中所得到的低溫及高溫操控界限作為此處的高低溫度界限，并以每分鐘60℃的快速溫度變化率在此區間內進行6個循環的高低溫度變化。在每個循環的最高溫度及最低溫度都要停留10min，并使溫度穩定后再執行功能測試。檢查待測物是否發生可回復性故障，尋找其可操作界限。在此試驗中不需尋找破壞界限。
（3）隨機振動
此項試驗是將G值自5g開始，且每階段增加5g，并在每個階段維持10min后在振動持續的條件下執行功能測試，以判斷其是否達到可操作界限或破壞界限。
（4）溫度及振動合并應力
此項試驗將高速溫度傳導及隨機振動測試合并同時進行，使加速老化的效果更加顯著。此處使用先前的快速溫變循環條件及溫變率，并將隨機振動自5g開始配合每個循環遞增5g，且使每個循環的最高及最低溫度持續10min，待溫度穩定后執行功能測試，如此重復進行直至達到可操作界限及破壞界限為止。
對在以上四個試程中被測物所產生的任何異常狀態進行記錄，分析是否可由更改設計克服這些問題，加以修改后再進行下一步驟的測試。通過提高產品的可操作界限及破壞界限，從而達到提升可靠性的目的。
4.2 HASS
應用HASS的目的是要在極短的時間內發現批量生產的成品是否存在生產質量上的隱患，該試驗包括三個主要試程：
* HASS Development （HASS試驗計劃階段）；
* Proof-of-Screen（計劃驗證階段）；
* Production HASS（HASS執行階段）。
以下就一般電子產品的測試過程分別加以說明：
（1）HASS Development
HASS試驗計劃必須參考前面HALT試驗所得到的結果。一般是將溫度及振動合并應力中的高、低溫度的可操作界限縮小20％，而振動條件則以破壞界限G值的50％做為HASS試驗計劃的初始條件。然后再依據此條件開始執行溫度及振動合并應力測試，并觀察被測物是否有故障出現。如有故障出現，須先判斷是因過大的環境應力造成的，還是由被測物本身的質量引起的。屬前者時應再放寬溫度及振動應力10%再進行測試，屬后者時表示目前測試條件有效。如無故障情況發生，則須再加嚴測試環境應力10%再進行測試。
（2）Proof-of-Screen
在建立HASS Profile（HASS 程序）時應注意兩個原則：首先，須能檢測出可能造成設備故障的隱患；其次，經試驗后不致造成設備損壞或"內傷"。為了確保HASS試驗計劃階段所得到的結果符合上述兩個原則，必須準備3個試驗品，并在每個試品上制作一些未依標準工藝制造或組裝的缺陷，如零件浮插、空焊及組裝不當等。以HASS試驗計劃階段所得到的條件測試各試驗品，并觀察各試品上的人造缺陷是否能被檢測出來，以決定是否加嚴或放寬測試條件，而能使HASS Profile達到預期效果。
在完成有效性測試后，應再以新的試驗品，以調整過的條件測試30～50次，如皆未發生因應力不當而被破壞的現象，此時即可判定HASS Profile通過計劃驗證階段測試，并可做為Production HASS之用。反之則須再檢討，調整測試條件以求獲得最佳的組合。
（3）Production HASS
任何一個經過Proof-of-Screen考驗過的HASS Profile皆被視為快速有效的質量篩選利器，但仍須配合產品經客戶使用后所回饋的異常再做適當的調整。另外，當設計變更時，亦相應修改測試條件。
5.HALT和HASS試驗設備要求
●使用液氮降溫
快速的溫變速率，產品上的溫度變率可達到60℃/min。
溫度操作范圍為 -100℃到+200℃。
●反復沖擊式振動
6自由度，
3軸&轉向同時施力。同時要達成三軸（X，Y，Z）旋轉（轉，拋，偏），能快速將設計缺陷顯示出來。
涵蓋頻率范圍廣（2－5KHz）。
●復合應力環境
溫度和振動。
●低環境噪音
<73dba。
6. HASS技術總結
1， 高加速壽命試驗是針對產品設計上的根因分析，確定失效機理，描述產品裕度，可靠性健壯試驗；加速壽命試驗針對產品由于耗損問題產生的失效分析，作出產品可靠性評價。
2， 應力包括環境應力，機械應力，電應力。
3， 環境應力篩選目的是利用環境應力使電子硬品在制造過程中較弱的零部件，不良工序等因素造成的非設計問題提早暴露并被檢測出來，進而可以采取修改行動或將之剔除，以提高產品質量，使之滿足當初的設計要求。
4， 環境試驗是在實驗室內利用試驗設備模擬環境條件，檢測產品抵抗環境應力的耐用能力，按試驗的理論基礎和模擬環境的特色，可分為自然環境試驗和動力環境試驗。按照施加的環境應力項目可分為單一環境試驗和綜合環境試驗。
5， 熱特性環境試驗，主要測試試件的熱傳特性，產品達到溫度穩定所需的時間；振動特性試驗，主要確定產品動態結構特性，自然頻率，振動模式，阻尼系數等
6， 環境試驗設備能按各種標準或用戶要求進行高溫，低溫，溫度沖擊，溫度循環，浸漬，低氣壓，高低溫低氣壓，恒定濕熱，交變濕熱，高壓蒸煮，沙塵，耐爆炸，鹽霧腐蝕，氣體腐蝕，霉菌，淋雨，太陽輻射，光老化等測試。
7， 制冷原理：利用冷媒在壓縮機，冷凝器，膨脹閥（節流閥），蒸發器中壓力和狀態的變化達到制冷效果。
老化發展階段：靜態老化，動態老化，老化過程中測試 。
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