01单板可靠性试验开展现状

长期以来，电子设备的可靠性试验与测试的对象都集中在器件和整机这两个环节。而对设备可靠性影响最大的产品状态--单板却很少开展这方面的试验与测试工作。即使有部分企业开展了一些这方面的工作，但试验方法、流程体系、试验数据分析也都沿袭了基于器件可靠性或者整机可靠性的体系和方法，并没有针对单板可靠性特点做有针对性的调整，这也造成了试验数据和结果与设备实际应用中产生的可靠性问题之间往往存在偏差，使得板级可靠性试验与测试工作的开展饱受诟病。

由于产品研制流程或者体系标准的需要，即是普遍开展的器件与整机可靠性试验与测试结果与产品实际情况相差甚远（试验开展难度大、试验设计复杂，一般企业也缺乏对试验结果的分析能力）。但板级可靠性试验与测试由于上述的原因，在产品研制环节开展的情况并不尽如人意。

从作者及业界常年以来的电子设备失效情况分析来看，主流器件由于多年来实施卓有成效的可靠性控制措施，器件本身的可靠性问题已经越来越少，电子设备的失效大部分发生在板级。如果能够针对电子设备开展板级可靠性试验与测试，在试验设计、试验结果与数据分析方面进行较好的控制，完全能够暴露出电子装备的可靠性短板和问题，并针对性进行改正与提升。

02单板可靠性试验主要内容

关于可靠性试验的定义，相关标准都有明确的说明，即“可靠性试验是对产品进行评价、验证的各种试验。如增长、筛选、验收、鉴定、统计等”。可靠性试验有不同的分类标准，通常根据在不同的阶段实施将可靠性试验分为统计试验和工程试验。

工程试验通常在产品的开发阶段进行，如环境应力筛选、可靠性增长试验。其目的主要是暴露产品的设计或者工程缺陷，以便进行改进。而统计试验则是在产品的批量生产阶段进行，主要是为了对产品进行验证，如可靠性鉴定试验和可靠性验收试验。统计试验需要统计师、可靠性工程师、产品保障工程师、试验工程师、技术专家等不同岗位和职责的人员在不同阶段分工负责。任何一个环节的缺失都有可能造成试验结果出现较大偏差。而单板的可靠性试验并不涉及如此多的环节。

本章所描述的单板可靠性试验是指可靠性工程试验。由于单板是装备或系统的组成部分，而可靠性统计试验通常是针对产品或者系统整体进行的，所以单板一般不进行可靠性统计试验，而主要是通过可靠性工程试验来对设计、器件、工艺等进行可靠性验证。

在设备研发流程的工程样机或者小批量阶段，就需要进行相应的可靠性工程试验了。在这个阶段，样本或者样机的量都非常小，试验结果的概率分布是很离散的，因此采用统计分析也没有什么意义。更多的是从失效结果去分析失效产生的原因，暴露产品在器件选型和应用、单板可靠性设计等各个维度存在的不足，确定针对性的解决方案，从而增强单板和产品的可靠性。

在这个阶段进行的可靠性试验与测试主要包括单板老化试验（Burn-in Test）、高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Testing，简称HALT）、可靠性增长试验（Reliability Growth Test，简称RGT）和单板可靠性测试，单板可靠性测试包含功能测试（黑盒测试）与信号质量测试（白盒测试）。

老化试验（Burn-in Test）最初是应用在元器件领域，其目的是筛选出总体中的次等元器件。在单板中的应用一直存在一些质疑的声音，主要是因为在单板老化试验中通常不施加标准之上的应力，只是比正常的工作条件稍微严格一些，试验的时间也相对较短。这样做的结果是耗费大量的资源进行单板老化试验，但筛选出的失效品非常少，且与产品实际应用时发生的失效并不存在强相关性。因此一个优化的老化试验应该考虑最小的制造成本及用户能够承受的总成本，进而设计出有针对性的老化应力实施方案。老化试验设计要考虑的主要因素是试验的时间成本和检测出每个失效样品的成本。

高加速寿命试验（HALT）的目的是为了极大缩短老化试验和寿命试验的时间，并不对样品可靠度的真实值进行评估，而是以通过确定样本在失效前能承受的极限应力来改进产品设计为目标。当HALT作用于产品时，它由包括用于揭示缺陷的单一应力和多种应力组成。通过分析试验后出现的缺陷的根本原因采取纠正措施。当然，相对于ESS（环境应力筛选）而言，HALT的成本是巨大的，因为每一个被试验对象都会在极限应力条件下做到失效，而且这种失效通常是不可逆的。因此选择什么样的应力施加，制定什么样的试验方案，建立什么样的试验模型，以及对于试验完成后如何针对失效进行分析，都是HALT试验的关键点。

可靠性增长试验（RGT）的目标是在设计阶段为产品提供持续的可靠性改进。试验在正常工作状态下进行，通过分析试验结果验证产品是否达到了预期的产品可靠性指标。一般来讲，即使是很成熟的产品和方案，在初始设计阶段，也不太可能完全达到设计目标要求，尤其是可靠性目标。因此可以通过一系列设计的试验将设计缺陷暴露出来，这些试验也不是一次性的就能将所有设计缺陷都暴露出来，而是通过设计-试验-改进-纠正措施和设计改进-再试验-再改进等多次的迭代过程，最终实现产品的可靠性提升。可靠性增长试验就是上述迭代过程中的重要一环。

单板的可靠性试验通常是借助外加应力来验证单板的健壮性和可靠性。同时，针对单板自身而言，需要借助一定的测试手段，来验证单板的功能和性能是否满足实际工作环境的需要，这就是单板可靠性测试。

单板的功能性测试基本上在工程样机阶段就会进行。但是根据作者多年的经验来看，很多电子产品研制厂家对功能测试（黑盒测试）流于形式，只会根据产品功能列表逐一核对。对于功能测试的完备性缺乏认识，没有从产品角度设计测试方案和测试用例。这就导致在开发阶段测出的功能性问题与最终市场上出现的产品问题不具备强相关性，从而更加忽略功能测试的重要性，最终形成恶性循环。

就目前行业现状，在产品开发阶段进行单板的信号质量测试（白盒测试）的更是寥寥无几，而白盒测试是发现产品开发过程中的可靠性问题的最重要的手段之一。近年来，现代的单板电路在信号端呈现越来越多的变化，具体体现在：主频越来越高、速率越来越快、芯片集成度越来越高、信号电压幅度越来越小、单端信号逐步向差分信号转变、低速并行总线逐步向高速串行总线转变等等。所有的这些转变对单板的信号完整性分析带来越来越大的挑战，使得信号的接收端越来越难以呈现信号发送端的“完整”的信号。而一些重大的可靠性问题，在没有显现之前，其实都会有一些蛛丝马迹呈现出来，如反射(reflection)、振铃(ringing)、开关噪声(switching noise)、地弹(ground bounce)、衰减(attenuation)、串扰(cross talk)、容性负载(capacitive load)等。通过对这些线索的分析，能够深入了解硬件系统设计的核心，认识到单板设计和生产过程的薄弱环节以及有可能造成的可靠性隐患。比起需要对产品施加外部应力、长时间高强度刺激暴露产品可靠性问题，白盒测试的性价比要高很多。

需要说明的是，上述的可靠性试验和测试，并不是所有的产品都需要完成，而是要根据产品的可靠性指标、应用环境等条件进行综合设计。可靠性试验并不是做得越多越好，所施加的应力也并不是越大、越严苛越能暴露产品的不足。我们需要在可靠性需求、时间、人力和资源成本上取得一个平衡。