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浅谈HALT试验在可靠性设计中的应用
高杨
江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏 江阴 214405
摘要：本文主要介绍HALT（高加速寿命筛选试验）在可靠性设计中的应用，以安科瑞电气股份有限公司（300286.SZ）的ACR220E多功能电力仪表为例，通过建立HALT试验模型、施加外部环境应力进行缺陷筛选，从而达到提高产品可靠性设计的目的。
关键词：HALT试验；可靠性设计；ACR多功能电力仪表；环境应力筛选
0.引言
目前国内的可靠性方面的标准体系还不完善，产品标准主要是侧重于产品质量的验收，测试的结论都是合格/不合格，都是属于后期的验收，对于提高产品的可靠性存在滞后性。
产品的设计可靠对产品的使用寿命具有很大的影响，而设计缺陷是无法通过后期的生产工艺来进行弥补的，因此设计的可靠性非常重要。HALT试验是验证产品设计可靠性的重要手段，通过施加相应的环境应力来加速暴露产品的缺陷或薄弱环节，使产品缺陷暴露在设计阶段，再针对暴露的缺陷进行针对性改进，从而达到提高产品可靠性的目的。
1.HALT试验模型
HALT试验称之为高加速寿命筛选，它不是合格与否的测试，而是一种发现缺陷的手段，一般在产品的设计阶段进行，提供设置逐级递增的加严的环境应力来加速暴露试验样品的设计缺陷和薄弱点。HALT试验一般是在超出规范极限以外进行，因此具有很高的试验效率。
美国国防部可靠性分析中心发布的《产品可靠性蓝皮书》指出飞行机载设备有52%以上是由环境因素引起的，其中温度因素占42%，振动因素占27%，湿度因素占19%；因此对产品可靠性影响最大的环境应力是温度、振动、湿度，一般可靠性试验提出采取这3种应力。对于一些特殊的产品如使用在高海拔地区的产品还应增加低气压（真空度）应力、电应力（试验时对产品通电工作）等。
注1：湿度应力应真实地模拟产品现场使用的环境湿度情况，除特殊情况外，一般只有预计到现场使用者会遇到冷凝、结霜、结冰的试验阶段，才会向试验空间喷入水蒸气来提高产品试验环境的湿度来模拟产品现场使用的环境，试验的其他阶段一般对湿度无要求。
一般推荐的HALT试验流程如下图1：
图1 HALT试验流程图
2.HALT试验
以电气股份有限公司（300286.SZ）的ACR220E多功能电力仪表为例，正常工作范围见表1： 表1：ACR220E多功能电力仪表工作范围
|
温度 |
湿度 |
振动 |
海拔 |
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-10～55℃ |
≤95%RH，不结霜 |
0～55Hz，位移1.59mm，加速度0.5g |
≤2000m |
2.1 低温应力试验
试验方法：从稳定的-10℃开始以10℃/min的温度步进增量降温，每个温度点保持20min使产品温度与环境温度一致，并对产品进行功能监测，直至产品功能下降/丧失或到达指定试验温度，记录产品的工作限和损坏限，低温试验步进图见图2，其中红色表示实际温度曲线，蓝色表示目标温度曲线。试验结果该产品在-40℃开始功能下降，-60℃功能丧失，即ACR220E多功能电力仪表低温工作限为-40℃，低温损坏限为-60℃。
图2 低温步进试验
低温应力激发的缺陷主要为：元器件参数漂移、环路稳定性、焊接不良、塑料件脆裂等。
2.2 高温应力试验
试验方法：从稳定的20℃开始以10℃/min的温度步进增量增温，每个温度点保持20min使产品温度与环境温度一致，并对产品进行功能监测，直至产品功能下降/丧失或到达指定试验温度，记录产品的工作限和损坏限，高温试验步进图见图3，其中红色表示实际温度曲线，蓝色表示目标温度曲线。试验结果该产品在80℃开始功能下降，100℃功能丧失，即ACR220E多功能电力仪表高温工作限为80℃，高温损坏限为100℃。
图3 高温步进试验
高温应力激发的缺陷主要有：粘贴不牢、电解电容漏液、元器件参数漂移、环路稳定性、焊接不良、绝缘能力下降、机械缺陷、塑料件软化等。
2.3 温度循环应力试验
试验方法：温度循环范围为下工作限与上工作限之间，温度步进30℃/min，循环次数5次，每个温度点保持20min使产品温度与环境温度一致，并对产品进行功能监测。温度循环试验步进图见图4，其中红色表示实际温度曲线，蓝色表示目标温度曲线。
图4 温度循环步进试验
快速温度循环应力激发的缺陷主要有：参数漂移和电路稳定、PCB板异常、元器件异常、焊接质量异常、连接异常、粘贴异常、机械故障、密封故障等。
2.4 振动应力试验
试验方法：参比温度条件23℃，从5g加速度开始以5g的步进增量提高加速度，每个点保持20min对产品进行功能监测，直至产品功能下降/丧失或到达指定试验加速度，记录产品的工作限和损坏限，振动试验步进图见图5，其中紫色表示实际振动曲线，粉色表示目标振动曲线。试验结果该产品在15g加速度出现共振现象，20g加速度时功能丧失，即ACR220E多功能电力仪表振动工作限为10g，振动损坏限为20g。
图5 振动步进试验
振动应力激发的缺陷主要有：电路板连接开路、元器件引脚断裂、元器件脱落、接插件连接松动、焊接异常、紧固件松动、机械不良等。
2.5 温度+振动综合应力试验
试验方法：温度循环与振动应力同时施加，温度循环范围为下工作限与上工作限之间，温度步进30℃/min，循环次数5次，振动从5g加速度开始以5g的步进增量提高加速度，每个点保持20min对产品进行功能监测，直至产品功能下降/丧失或到达指定试验限。试验步进图见图6，综合的应力使试验环境更加接近实际的使用环境，可以暴露更多的设计缺陷。
图6 温度+振动综合步进试验
2.6 改进验证试验
在每个试验项目结束后，如果样品发生失效，需要查找原因进行改进，并重新施加相同量级的应力进行试验，保证不发生同样的失效，同时也不要有新的失效模式产生，其目的是验证改进的有效性和改进没有引入新的薄弱环节。然后在此基础上继续试验，直到满足结束条件为止。
注2：改进验证试验可根据实际情况确定是否进行。
4.结束语
在产品的设计阶段引入HALT试验，可以最大程度的将产品的设计缺陷进行弥补，避免了以往产品的缺陷通过客户的使用来暴露的问题，降低了客户使用过程中的产品失效率，对产品在客户群中的质量口碑能够得到极大地提高，降低了服务、维修、更换的成本。
通过建立HALT试验的模型，开展HALT试验，积累设计过程中的异常及异常改进的数据库，对今后的产品研发设计起到很好的指导作用，对新产品的快速推出、迅速成熟有者不可估量的作用。
参考文献
[1].陆廷孝. 《可靠性设计与分析》 国防工业出版社. 1995
[2].姜同敏 李晓阳等编著. 《可靠性试验技术》. 北京航空航天大学出版社. 2012
[3].任致程 周中. 《电力电测数字仪表原理与应用指南》. 中国电力出版社. 2007. 4
作者简介：
高杨（1990-），女，本科，就职于江苏安科瑞电器制造有限公司测试中心，致力于于气候环境试验、机械环境试验、材料的阻燃耐热试验等试验研究。
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