Повышение надежности с помощью ускоренных испытаний HALT & HASS

Марк Хрусцел (Mark Chrusciel) — директор по международной торговле Cincinnati Sub Zero

Технология ускоренных испытаний HALT (Highly Accelerated Life Test — ускоренные ресурсные испытания) & HASS (Highly Accelerated Stress Screen — ускоренный выборочный контроль) использует комбинацию нагрузок для того, чтобы как можно раньше выявить недостатки, допущенные на этапах проектирования и производства (часто на уровне изготовления плат). ее применение позволяет повысить надежность конечных изделий. В этой статье обсуждается, как методики HALT & HASS помогают компаниям добиться успеха.

Технология HALT & HASS используется для выявления слабых звеньев, появившихся в процессе проектирования и изготовления нового изделия, а также на этапе серийного производства, позволяя устранить производственные дефекты, которые могут стать причиной отказов при эксплуатации.

Ускоренное тестирование по методике HALT предназначено для обнаружения и последующего исправления слабых звеньев в изделии на этапе его проектирования. Ускоренное тестирование HASS является средством, устанавливающим причины возникновения технологических дефектов в процессе производства. В обеих методиках используются нагрузки, значительно превышающие уровни нормальных рабочих условий. Испытания при больших перегрузках позволяют ускорить выявление неисправностей.
HALT-тестирование, в отличие от тестирования на соответствие техническим характеристикам, предназначено для обнаружения дефектов. При этом проблемы не только выявляются, но и устраняются, а надежность изделия повышается.

Название технологии HALT было придумано Грегом хоббсом (Gregg Hobbs) в 1988?г. До того времени он пользовался термином «Design ruggedization» ( «повышение надежности проектирования»). В ходе этого тестирования по идентификации слабых звеньев в процессе проектирования и изготовления используются внешние воздействия. К ним относятся вибрация, циклический нагрев и охлаждение, термообработка, повышенное напряжение, влажность и другие факторы (включая нагрузки, которые не возникают в реальных условиях эксплуатации).

Использование этих нагрузок не ставит целью моделировать условия эксплуатации, но предназначено для обнаружения слабых звеньев на этапах проектирования и производства с помощью всего нескольких изделий и за очень короткий промежуток времени. Нагрузки повышаются постепенно до уровней, значительно превышающих реальные условия эксплуатации, что сокращает время выявления слабых мест проекта. Методика HALT во многих случаях позволяет существенно повысить расчетное среднее время наработки на отказ (MTBF) в 5–1000 раз.

Даже без проведения предварительного отбора изделий методика HALT значительно сокращает их время выхода на рынок, а также снижает суммарные затраты на разработку. При ускоренном тестировании по методике HASS используются уровни нагрузок, которые превышают значения, указанные в спецификациях на изделия, и соответствуют значениям, определенным в ходе предшествующего HALT-тестирования.

HASS-тестирование применяется для обнаружения дефектов изделий при проведении выборочного контроля изделий на производстве. Ускоренное тестирование по программе HASS сокращает время выхода из строя дефектных устройств, что, в свою очередь, позволяет сократить время проведения корректирующих мероприятий и уменьшить количество изделий, изготовленных с аналогичными дефектами. Многие проблемы, выявленные после проведения HALT-тестирования, прежде обнаруживались как ранние отказы в ходе эксплуатации изделий. При правильной организации HASS-тестирования такие дефекты могут быть выявлены и исправлены до отправки изделий потребителям.

Как правило, не рекомендуется проводить HASS-тестирование без испытаний по полной программе HALT-тестирования. Это связано с тем, что в ходе HALT-тестирования определяются фундаментальные ограничения схем, а проявившиеся дефекты ограничивают уровни нагрузок, которые используются в ходе HASS-испытаний. HASS-тестирование позволяет значительно уменьшить расходы на контроль изделий, поскольку сокращение времени его проведения требует меньшего количества ресурсов (вибростендов, камер, систем мониторинга, потребляемой мощности и жидкого азота). В отличие от тестирования на соответствие сертифицированным техническим характеристикам, HALT & HASS является испытанием по выявлению дефектов.

HALT­-ТЕСТИРОВАНИЕ

В ходе ускоренного тестирования каждое внешнее воздействие, имеющее определенное значение (температура, вибрации в направлении каждой из осей, влажность, UV-лучи, радиация и т.?д.), может быть использовано в качестве основного фактора, позволяющего выявить слабые звенья в процессах проектирования изделий. Для минимизации времени проявления неисправностей необходимо использовать комбинации ускоряющих факторов (например, нагрев в диапазоне высоких температур и вибрации в направлении каждой из осей). Этот метод предназначен для обнаружения и последующего исправления слабых звеньев в изделии на стадии его проектирования. HALT-тестирование — это тестирование на выявление дефектов, назначение которого заключается в идентификации проблем.

Рис. 1 — Распределение обнаруженных дефектов по типу тестовых испытаний

halthass_001.jpg

Cold step stress — нагрузка в виде ступенчатого охлаждения;
Rapid thermal cycling — скоростные тепловые циклические нагрузки; 
Combined temp and vib — комбинированные температурные и вибрационные нагрузки; 
Hot step stress — нагрузка в виде ступенчатого нагревания;
All axis vibration step stress — ступенчатые вибрационные нагрузки в направлении всех осей

 

На рисунке 1 показано, в процессе каких HALT-испытаний обнаруживаются дефекты проектирования. Обратите внимание, что проведение вибрационных испытаний в направлении всех осей имеет очень большое значение. Из рисунка видно, что без проведения вибрационных испытаний 74% (31% + 43%) дефектов будут пропущены.

Испытывая изделие с нагрузками, выходящими за пределы их спецификаций, можно определить, где заканчиваются границы рабочих режимов и наступает разрушение. На основе этих данных принимается решение, как расширить эти границы.

При правильном применении HALT-тестирование позволяет не только сократить цикл разработки изделий, но и получить надежное и законченное решение. Исследования показали, что шестимесячный выигрыш при выводе изделия на рынок может привести к увеличению его периода востребованности до 50%.1

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ТЕСТИРОВАНИЯ HALT & HASS

Если плохое электрическое соединение скрыто, его бывает очень трудно обнаружить до тех пор, пока оно не станет критическим. Нагрузки, применяемые для перевода дефектов из латентного в явное состояние, могут быть вибрационными, сочетаться с циклическим нагревом/охлаждением или с электрическими перегрузками.

Проявление дефекта, как правило, осуществляется при HALT-тестировании или в процессе выборочного контроля изделий. Анализ неисправности позволяет определить причины возникновения дефектов. В случае плохого паяного соединения необходимо определить, почему оно таким стало. При проведении HALT-тестирования выявляются ошибки проектирования, из-за которых экстремальная нагрузка в месте соединения в виде вибрации или несоответствие коэффициентов теплового расширения приводят к выходу соединения из строя.

При проведении HASS-тестирования предполагается, что собственно проект отвечает всем установленным требованиям (на практике это предположение может оказаться неверным в результате внесенных изменений), а дефектным, скорее всего, является паяное соединение. Какой дефект у этого соединения и почему он приводит к выходу устройства из строя, необходимо детально определить на следующем этапе — этапе корректирующих мероприятий.

Корректирующие мероприятия включают в себя изменения проекта или технологии таким образом, чтобы исключить возможность повторного появления неисправности. Данный этап является самым важным. фактически, корректирующие мероприятия являются основной целью проведения тестирования HALT & HASS. Одна из главных ошибок многих производителей, выполнивших HALT-тестирование, состоит в том, что они списывают все обнаруженные неисправности на условия перегрузки. Действительно, при перегрузках неисправности возникают быстрее, чем в реальных условиях эксплуатации, но и при более низких уровнях нагрузки эти дефекты дадут о себе знать, но несколько позже.

Кроме того, при эксплуатации изделия могут появиться и другие неисправности, что приводит к необходимости повторного создания условий, при которых дефекты станут очевидными. Один из методов проверки, была ли устранена неисправность после проведения HALT-испытаний, заключается в повторном проведении HALТ-тестирования и установлении того, что надежность изделия не ухудшилась. В лучшем случае, она должна несколько увеличиться.

То же относится и к необходимости проведения повторных HASS-испытаний изделия. Если дефект действительно устранен, соответствующая неисправность больше не появится. На заключительном этапе тестирования полученные сведения вносятся в соответствующую базу данных для последующего использования.

Компании, корректно проводящие HALT-испытания и использующие правильно составленные базы данных, вскоре становятся знатоками в области проектирования и изготовления изделий, обладающих высокой надежностью. 1

На рисунках 2 и 3 показаны камеры для проведения испытаний HALT & HASS.

Существует много факторов, которые необходимо учитывать при выборе таких камер. Одним из наиболее очевидных критериев является выбор достаточно большой камеры, подходящей по размерам для испытаний тестируемого  устройства.  К числу других факторов относятся верхний и нижний пределы вибраций камеры и характеристики вибрационного стола (насколько хорошо он распределяет вибрации).

halthass_002.png halthass_003.png
Рис. 2 — Камера для проведения испытаний HALT & HASS
Рис. 3 — Проведение HALT-испытаний

Также необходимо проверить наличие системы внутренней блокировки защитной двери, предотвращающей ее открытие, когда жидкий азот заполняет камеру. Часто бывает необходимо, чтобы камера имела порты для многожильных кабелей для подключения тестируемого устройства, а также переднюю и заднюю двери (на камерах больших размеров).

Поскольку жидкий азот является основным охладителем в процессе HALT-тестирования, следует запланировать число ежедневных и ежемесячных тестовых испытаний, чтобы определить требуемое количество этого охладителя и наиболее экономичное по стоимости решение. В случае использования собственного источника жидкого азота производителю следует продумать расположение камеры. Проведение вакуумированных соединительных линий от источника к камере является очень дорогостоящим занятием. Также хорошей идеей является расположение в лаборатории датчика, который помогает обнаружить утечку азота в лаборатории.

Идеальным решением является проверка тестируемого устройства в выбранной камере перед ее приобретением. Многие производители камер допускают проведение пробных испытаний на своем оборудовании. Эти испытания также позволяют определиться с тем, какие приспособления понадобятся в производстве.

Использование аппаратуры, не способной создать необходимую нагрузку на тестируемое изделие, может обернуться неэффективными испытаниями. Приведем примеры тестового оборудования с неудовлетворительными характеристиками.

1. Вибрационный стенд, не способный работать на частотах, которые соответствуют критическим колебательным модам тестируемого устройства, либо отсекающий средний и высокий частотные диапазоны.
2. Нагреватель, не передающий горячий воздух к изделию таким образом, чтобы его температура быстро менялась в широком диапазоне.
3. Устройства для создания условий электрической перегрузки или, например, грозовой разрядник, высокое напряжение которого не прикладывается к внутренним цепям испытуемого блока. Если нагрузка не достигает тестируемого устройства, ни о каком испытании речи быть не может. 2

Основные этапы HALT-­тестирования

Важной частью HALT-испытаний является определение диапазонов рабочих режимов и разрушений в ходе вибрационных и температурных тестов. Некоторые компании (например, авиакосмические фирмы) из-за высокой стоимости своих изделий отказываются от проведения тестов на разрушение. Однако HALT-тестирование не заключается только в определении диапазонов рабочих режимов и разрушений, которые являются важными индикаторами прочности изделий и их надежности. На рисунке 4 схематично показано расположение пределов рабочих режимов и границ разрушений относительно спецификаций на изделие.

Рис. 4 — Границы рабочих режимов и границы разрушений

halthass_004.png Lower destruct limit — нижний предел разрушений;
Lower operating limit — нижний предел эксплуатации;
Operating margin — граница рабочего режима;
Product specs — спецификации на изделие;
Upper operating limit — верхний предел эксплуатации;
Upper destruct limi — верхний предел разрушений;
Destruct margin — граница разрушений;
Stress — нагрузка

Как правило, в начале HALT-тестирования проводятся отдельные испытания на каждый вид нагрузки в пошаговом режиме (см. рис. 5), а затем нагрузки комбинируются, что соответствует рекомендациям стандарта IPC-9592A Requirements for Power Conversion Devices for the Computer and Telecommunication Industries ( «Требования к устройствам для преобразования энергии в вычислительной и телекоммуникационной отраслях промышленности»).

Рис. 5. График тестирования на низкие температуры

halthass_005.png

Temperature — температура;
Time — время, мин

Типовая последовательность испытаний по методике HALT, как правило, следующая:

  • нагрузки при пошаговом охлаждении (см. стандарт IPC-9592A);
  • нагрузки при пошаговом нагреве;
  • быстрый тепловой удар;
  • постепенное увеличение вибраций; 
  • комбинированные тепловые и вибрационные нагрузки.

Следует заметить, что некоторые типы нерегулярных неисправностей могут быть пропущены в ходе традиционных HALT-испытаний. Опыт показывает, что проведение модулированных шестиосевых виброиспытаний в сочетании с медленными температурными изменениями позволяет выявить много дефектов, которые не обнаруживаются другими способами. Современное оборудование HALT & HASS позволяет легко реализовать модуляцию нагрузки, увеличив эффективность обнаружения дефектов в некоторых случаях более чем в 10 раз.

Достоверно установлено, что выявить некоторые типы дефектов можно только с помощью модулированного возбуждения. Во многих случаях без этого не может быть обнаружено до 100% явных дефектов. В частности, так обстоит дело при обнаружении трещин в паяных соединениях в сквозных отверстиях на плате и на поверхности монтажных паяных соединений. Очень важно, если не необходимо, применять очень низкие уровни вибраций. 2

Поскольку в ходе тестирования HALT & HASS возможна идентификация режимов неисправностей с помощью «нетиповых» условий нагрузок, специалистам рекомендуется не упустить шанса усовершенствовать свои изделия. Результаты корректирующих мероприятий должны быть также проверены, для чего выполняется повторное HALT-тестирование, подтверждающее, что проблема действительно решена  не возникли новые проблемы). 3

Выводы

Каждое слабое звено, обнаруженное в ходе HALT-тестирования, позволяет улучшить все изделие. Расширение рабочих границ повышает надежность продукции и рентабельность. В настоящее время проведение HALT-тестирования включено в программу тестовых испытаний многих коммерческих и военных изделий. При этом следует остерегаться источников некорректной информации относительно этих методик. Последовательное, в полном объеме и корректное применение тестирования HALT & HASS всегда приносит прибыль производителю и конечному пользователю. Экономический эффект от проведения этих испытаний уже 20 лет тому назад был очень высок, а современные методы и оборудование способны значительно его повысить.

ЛИТЕРАТУРА

1. G.K. Hobbs. Accelerated Reliability Engine Ering: HALT & HASS//Hobbs Engineering. 2005
2. G.K. Hobbs. Pitfalls to avoid in HALT and HASS. 2007.
3. A. Barnard. The Ten things You Should Know about HALT & HASS. 2012 IEEE.



14 июня 2017, Санкт-Петербург

Практическая конференция
«Сборочно-монтажное оборудование.
Технологии и практические решения»

Вернуться на сайт Подробнее