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熱疲勞試驗方法七(高加速壽命試驗和高加速應力篩選)

日期: 2022-04-09 點擊: 484

傳統的正常應力水平或加速壽命試驗一般都需時半年以上,顯然不能滿足日新月異的電子信息產品更新換代對設計品質或工藝品質驗證的需求。因此,最早由美國軍方研究推出的HALT (Highly Accelerated Life Test)與HASS(Highly Accelerated Stress Screening)試驗技術現已經成為電子信息產業快速設計驗證與工藝驗證的試驗方法,試驗時間可以縮短到一周左右。由于目前HALT試驗還是一種全新的可靠性試驗技術,還沒有國際標準可以參考,國標也是剛剛出來,因此,本節將較為詳細地介紹這一方法。

HALT從名稱上看是一種壽命試驗,但其更重要的作用是充當產品的設計或操作極限驗證的角色。它是一種使受測樣品承受不同階梯應力,進而及早發現設計極限以及潛在缺陷或弱點的程序性的試驗方法。利用此測試可迅速找出產品設計及制造的缺陷、改善設計缺陷、增加產品可靠度并縮短上市時間,同時可建立設計能力、產品可靠度的基礎資料及日后成為研發的重要依據。通過失效分析手段對HALT發現的缺陷進行分析,再通過設計改進等達到產品可靠性增長的目標。HALT試驗的具體內容包括:

●逐步施加步進應力直到產品失效/故障。

●采取臨時措施,修正產品的失效/故障。

●繼續逐步施加應力直到產品再次失效/故障時,再次修正。

●重復以上應力—失效—修正步驟,直到不可修復。

●找出產品的基本操作界限和基本破壞界限。

在HALT試驗中,可找到試樣在溫度及振動應力下的可操作界限( operational limit )與破壞界限(destruct limit )??刹僮鹘缦薜亩x為當實驗過程中發生功能故障,在環境應力消除后即自動回復的應力臨界點;而破壞界限則是功能故障在環境應力消除后依然存在的應力臨界點(見圖1.9 )。

因此,HALT試驗主要用于產品的研發階段,使用的應力遠高于正常運輸、儲存、使用時的應力,所使用的這些應力一般包括高低溫儲存、溫度沖擊、隨機振動以及多軸向振動、溫度與振動組合應力等。一般HALT的試驗程序主要包括:

(1)溫度步進應力試驗:此項試驗分為低溫及高溫兩個階段應力,首先進行低溫階段應力試驗,將待測物放于綜合環境試驗機中,將溫度感應線接至欲記錄的零件上,并調整風管使氣流能均勻分布于機臺上,依待測物的電氣規格加滿載,設定起始溫度20℃,每階段降溫10℃,階段溫度穩定后維持10nmin,之后在階段穩定溫度下進行至少一次的開關機及功能測試,如一切正常則將溫度再降10℃,并待溫度穩定后維持10min再進行開關機及功能測試,以此類推直至發生功能故障,則將溫度回復至常溫并穩定后,再進行開關機及功能測試,觀察其功能是否恢復,以判斷是否達到操作界限或破壞界限。如功能正?;貜?,則將故障前的低溫值記錄為可操作界限,同時再將溫度逐段下降直至發現當回復常溫仍然無法使功能自動恢復的低溫,則此低溫即為低溫破壞界限。在完成低溫應力試驗后,即可依相同程序進行高溫應力試驗,即將綜合環境應力試驗機自20℃開始,每階段升溫10℃(線路板組件的第一步升溫可以到55℃),待溫度穩定后維持10min,然后進行開關機及功能測試直到發現高溫操作界限及高溫破壞界限為止(見圖1.10 )。

(2)快速溫變試驗:此試驗將先前在溫度應力試驗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60℃ /min的快速溫度變化率在此區間內進行6個循環高低溫度變化,在每個循環的最高溫度及最低溫度皆需停留10min,使溫度穩定后再進行開關機及功能測試,如發現待測物發生可回復性故障,則將溫變速率減小10℃/min,再進行溫變,直到6個循環皆無可回復性故障發生,則此溫變速率即為此試驗的操作極限,在此試驗中不需尋棧破壞極限。

(3)隨機振動試驗:此試驗是將振動峰值加速度自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進行開關機及功能測試,以判斷其是否達到可操作界限或破壞界限。當頻率值達到30G時,在功能測試完成后,須將頻率值降至5G,再進行功能測試以觀察是否在高振動條件下遭到破壞,但卻無法測得隱含的不良,而后更高頻率值的測試都需以此模式進行。

( 4)溫度振動組合環境試驗:此試驗將快速溫變及隨機振動試驗合并同時進行,使加速老化的效果更顯著。在HASS的實驗中即是以組合的條件進行,方能在短時間內發現制造上的問題。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,待溫度穩定后進行開關機及功能測試,如此重復進行直至達到可操作界限及破環界限為止。在以上四個試程中,受測物所產生的任何異常狀態應加以記錄,且應分析是否可藉由變更設計克服這些弱點,并加以修改后再進行下一步驟的測試,提高產品的可操作界限及破壞界限,從而達到提升可稱性的目的。

HASS技術是一種高效的工藝篩選過程。它使用較高個別或組合應力,施加在批量生產的產品上進行篩選,剔除產品的隱含缺陷而又不至于損傷良好產品,同時可以為生產工藝的改進提供依據。HASS所使用的應力來自于HALT試驗,通常,預篩選所采用的應力介于產品的操作界限與破壞界限之間,而探測篩選所采用的應力介于產品的標稱值與操作界限之間。HASS一般應用于工藝試驗或生產階段,找出那些極有可能沉淀在客戶使用終端,并最終導致產品故障的潛在缺陷,HALT/HASS已被證明是非常有效的。

HASS試驗條件的建立一般包括三個步驟:

( 1) HASS試驗計劃須參考HALT試驗所得到的結果。一般均將組合環境試驗中的高、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%作為HASS試驗計劃的初始條件,然后再依據此條件開始進行組合環境試驗,并觀察試樣是否有不良發生。如有不良發生,須先分析判斷是因過大的環境應力造成的,還是受測物本身品質不良造成的,屬前者時應再放寬溫度及振動應力10%,屬后者時表示目前測試條件有效。如皆無不良情況發生,則必須再加嚴測試環境應力10%。

(2)不良品有效性驗證。在建立HASS試驗條件時應注意兩個原則,第一為該試驗須能檢測出可能造成設備故障的潛在不良;第二為經試驗后,不致造成設備損壞或“內傷”。為了確保HASS試驗所得到的結果符合上述兩個原則,首先還必須準備三個試品,并在每個試品上制作一些未依標準所制造或組裝的缺陷,如零件浮插、空焊及組裝不當等。以最初HASS所得到的條件測試各試品,并觀察各試品上的人造不良是否被檢測出,以決定是否加嚴或放寬測試條件,而能使HASS試驗剖面達到預期效果。

(3)良品有效性驗證。在完成有效性測試后,應再把新的良品在調整過的條件測試30 ~50次,如皆未發生因應力不當而破壞的現象,此時即可判定HASS試驗條件。反之則須再檢測,調整測試條件以求得最佳組合。同時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,亦應修改測試條件以符合要求。

由于設備或整機產品由眾多的零部件和模塊組成,HALT試驗會導致故障模式分布零散而復雜,使失效或故障分析困難。因此,HALT和HASS主要應用于組件、模塊以及電路單元等,尤其適于PCBA及焊點質量的考察。

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