ESS, HALT y HASS son tres aplicaciones de una misma idea: aplicar estrés ambiental a un producto de forma deliberada, para que los defectos aparezcan en su laboratorio y no en las instalaciones de un cliente. El cribado de estrés ambiental (ESS, Environmental Stress Screening) es el método general. HALT — Highly Accelerated Life Testing — lo aplica durante el desarrollo para hallar los límites de un diseño. HASS — Highly Accelerated Stress Screening — lo aplica en la línea de producción para detectar las unidades fabricadas con un defecto.
La respuesta corta
- ESS (Environmental Stress Screening, cribado de estrés ambiental): ciclos térmicos, normalmente combinados con vibración, aplicados al producto terminado para precipitar los defectos latentes antes del envío.
- HALT (Highly Accelerated Life Testing, ensayo de vida altamente acelerado): un ensayo de desarrollo que sube el estrés por escalones mucho más allá de la especificación hasta que la unidad deja de funcionar y, después, hasta que se rompe, para poder eliminar los puntos débiles del diseño.
- HASS (Highly Accelerated Stress Screening, cribado de estrés altamente acelerado): un cribado de producción que usa niveles de estrés derivados de los resultados del HALT, aplicados a cada unidad, con el producto alimentado y sometido a ensayo funcional mientras se le aplica el estrés.
La distinción que más importa: HALT ensaya un diseño. HASS ensaya una fabricación. No se puede ejecutar un cribado HASS sensato hasta que el HALT le haya dicho dónde están los límites.
Por qué los buenos productos siguen fallando pronto
Los ciclos de vida de los productos son cortos y cada vez lo son más. De casi cualquier cosa — un controlador, una fuente de alimentación, un instrumento médico — se espera un modelo nuevo en cuestión de meses, y los clientes esperan que funcione nada más sacarlo de la caja, siempre.
Esa presión comprime el desarrollo y la fabricación. Lo que se queda fuera aparece después en forma de defectos de componentes, de proceso y de mano de obra: una soldadura marginal, un conector insertado pero no del todo enclavado, un componente trabajando más cerca de su valor nominal de lo que nadie advirtió. Son defectos latentes: reales, pero aún no detectables, porque en las condiciones benignas de un banco de pruebas la unidad funciona bien.
Un defecto latente acaba convirtiéndose en un fallo patente (detectable) una vez que se han aplicado suficientes ciclos térmicos, fatiga mecánica o tiempo. La única cuestión es dónde ocurre: en su fábrica, o en la planta de su cliente.
La forma clásica de representarlo es la curva de bañera.
La región de fallos tempranos es lo que el cribado existe para eliminar. La altura del tramo central plano, y lo pronto que empieza a subir la cola de desgaste, son lo que el trabajo sobre el margen de diseño — el HALT — pretende mejorar.
¿Qué es el cribado de estrés ambiental (ESS)?
El cribado de estrés ambiental es la práctica de aplicar estrés ambiental — lo más habitual, ciclos térmicos rápidos, a menudo con vibración aleatoria — al producto fabricado para precipitar los defectos latentes antes de que el producto se envíe.
Cómo funciona el ESS
Los ciclos térmicos funcionan porque los materiales del interior de un conjunto se dilatan y contraen a distinto ritmo. Un condensador cerámico, su soldadura, el pad de cobre y el laminado FR-4 que hay debajo se mueven en distinta medida ante el mismo cambio de temperatura. Repita ese ciclo muchas veces y deprisa, y una soldadura marginal acumula deformación hasta que se abre.
La vibración actúa por un mecanismo distinto — fatiga en patillas, cables, fijaciones y conectores, además de movimiento relativo entre piezas que no deberían moverse una respecto a otra —. Como los dos mecanismos encuentran defectos distintos, el ESS es mucho más eficaz con ambos que con cualquiera de ellos por separado.
El estrés tiene que llegar a las piezas, no solo al aire que las rodea. Por eso la velocidad de cambio del producto* importa más que la velocidad de cambio del aire que anuncia la cámara, y por eso las cámaras de ESS se construyen para transiciones rápidas y no para un control preciso en régimen estacionario.
Los perfiles ESS clásicos y de dónde proceden
La práctica temprana del ESS quedó codificada en documentos del sector de defensa, y esos perfiles siguen siendo un punto de partida razonable cuando no se tiene otra cosa. El más conocido es el NAVMAT P-9492, el programa de cribado en fabricación de la Marina de EE. UU.:
| Parámetro | Pauta del NAVMAT P-9492 |
|---|---|
| Vibración aleatoria | 6,0 GRMS en total, 20–2000 Hz, meseta de 0,04 g²/Hz |
| Duración de la vibración | 10 minutos en un solo eje, o 5 minutos en cada uno de tres ejes ortogonales |
| Rango de temperatura | De −65 °F a 131 °F (aprox. de −54 °C a +55 °C), o un intervalo de al menos 160 °F |
| Velocidad de cambio | De 1 °F a 40 °F por minuto, medida en las piezas internas |
| Permanencia | Hasta que las piezas internas estén a menos de 5 °F de la consigna |
| Ciclos | De 1 ciclo (conjunto sencillo) hasta 10 ciclos (muy complejo), con el último ciclo sin fallos |
La MIL-STD-2164 cubría el propio proceso de ESS; se canceló en 1996 y fue sustituida por el manual MIL-HDBK-2164A, que sigue vigente y es hoy la mejor referencia. También existen normas sectoriales: la IPC-9592B hace del HALT un requisito para los dispositivos de conversión de potencia en informática y telecomunicaciones, y trata el HASS como una vía para reducir el tiempo de burn-in.
Dónde se queda corto el ESS clásico
Un perfil fijo tomado de un documento nunca se adaptó a su producto. Puede ser demasiado suave para precipitar nada en un conjunto robusto, y puede estar peligrosamente cerca de los límites de uno delicado. Además, el ESS clásico suele ejecutarse en los niveles de especificación o cerca de ellos, que es justo donde un defecto latente tiene menos probabilidades de revelarse.
HALT y HASS se desarrollaron para cerrar esa brecha: en lugar de tomar prestados los números de otro, primero se miden los límites del propio producto y después se criba dentro de ellos.
¿Qué es HALT (Highly Accelerated Life Testing)?
HALT es un ensayo de desarrollo. Su finalidad es encontrar los puntos débiles de un diseño subiendo el estrés por escalones mucho más allá de la especificación — deliberadamente hasta el punto de fallo — y, después, corregir lo que se rompió.
Una secuencia HALT estándar aplica cinco regímenes de estrés:
- Estrés escalonado en frío: la temperatura se baja desde la ambiente por escalones (normalmente de 10 °C), con una permanencia y un ensayo funcional en cada escalón, hasta que la unidad deja de funcionar y, después, hasta que se daña.
- Estrés escalonado en calor: lo mismo, hacia arriba.
- Transiciones térmicas rápidas: ciclos entre los límites hallados antes a la máxima velocidad que puede dar la cámara, para atacar directamente la dilatación diferencial.
- Estrés escalonado de vibración: choque repetitivo de seis grados de libertad, subido por incrementos. La pauta habitual es empezar en 5 GRMS medidos en un ancho de banda de 10 Hz a 10 kHz y subir en incrementos de 5 GRMS, con una permanencia y un ensayo funcional en cada nivel.
- Entorno combinado: ciclos de temperatura y vibración a la vez, que encuentran fallos que ninguno de los dos estreses encuentra por separado.
Límites operativos y límites de destrucción
De un HALT salen dos tipos de límite, y la diferencia entre ellos importa:
- Límite operativo: el nivel de estrés al que la unidad deja de funcionar correctamente pero se recupera cuando se retira el estrés. Se denota LOL (inferior) y UOL (superior) para la temperatura, y VOL para la vibración.
- Límite de destrucción: el nivel al que el daño es permanente. LDL, UDL, VDL.
Lo que le da el HALT: un margen que se puede medir
Cada vez que un fallo del HALT se analiza y se corrige — un componente de mayor valor nominal, un anclaje más rígido, una vía térmica rediseñada —, los límites se desplazan hacia fuera. La distancia entre el entorno que el producto ve realmente y los límites que usted ha medido es el margen de diseño, y es el verdadero resultado de un programa HALT.
Ese margen es también la base honesta para una conversación sobre la garantía. Comparar los límites antes del HALT, los límites después del HALT y el estrés de campo que verá el producto le da pruebas de ingeniería defendibles para ampliar el plazo de garantía, en lugar de una suposición.
Lo que HALT no es
HALT se malinterpreta a menudo, así que conviene ser directos:
- No es un ensayo de cualificación pasa/no pasa. Un HALT que no produce fallos ha fracasado: no ha aprendido nada sobre dónde están los límites.
- No predice el MTBF ni la vida en servicio. Los estreses no son representativos del campo y no se calcula ningún factor de aceleración. HALT encuentra debilidades; no produce una cifra de fiabilidad.
- No sustituye a la verificación del diseño. La DVT demuestra que el producto cumple su especificación. HALT pregunta hasta dónde puede ir más allá de ella.
El propio nombre es una herencia: muchos profesionales sostienen que "Highly Accelerated Limit Test" (ensayo de límites altamente acelerado) lo describe mejor que "Life Test" (ensayo de vida).
¿Qué es HASS (Highly Accelerated Stress Screening)?
HASS toma lo que el HALT aprendió y lo pone a trabajar en producción. Cada unidad se expone a estrés térmico y de vibración combinado, por encima de la especificación del producto pero por debajo de los límites operativos que el HALT estableció, de modo que el producto puede estar alimentado y monitorizado durante todo el cribado.
Precipitación y detección
Un perfil HASS bien diseñado tiene dos partes diferenciadas:
- El cribado de precipitación se ejecuta al estrés más alto. Su trabajo es convertir los defectos latentes en fallos francos y detectables.
- El cribado de detección le sigue a un estrés reducido, con el producto alimentado, ejercitado y monitorizado, para que esos fallos ya patentes — incluidos los intermitentes que solo aparecen bajo estrés — se detecten de verdad.
El ensayo funcional durante el estrés no es opcional. Un cribado que somete el producto a estrés y después lo ensaya a temperatura ambiente pasará por alto una gran parte de lo que acaba de precipitar.
Validación del cribado (Proof of Screen): hacer que el cribado sea seguro
Un cribado lo bastante agresivo para precipitar defectos es, por definición, agresivo. Antes de aplicarlo a producto destinado a la venta, hay que demostrar dos cosas:
- Seguridad del cribado: unidades conocidas como buenas se pasan repetidamente por el perfil propuesto (habitualmente de 20 a 50 veces) y después se verifican, para demostrar que el cribado no consume una parte significativa de la vida útil.
- Eficacia del cribado: unidades con defectos sembrados, o devoluciones de campo con historial de "sin fallo encontrado", se pasan por él para demostrar que el cribado encuentra realmente lo que se supone que debe encontrar.
Aplicar una banda de seguridad a los límites del HALT con un porcentaje arbitrario no es lo mismo que validar el cribado, y no lo sustituye.
Del cribado al 100 % al muestreo HASA
Empiece cribando el 100 % de la producción. Una vez que el proceso haya demostrado estabilidad en un volumen significativo y el cribado haya dejado de encontrar cosas, puede pasar a HASA — Highly Accelerated Stress Audit —, donde se criba una muestra de cada lote en lugar de todas las unidades.
HASA es una reducción de coste, no de vigilancia. El cribado sigue necesitando una revisión periódica: un cambio de proveedor, una pasta de soldadura nueva, otro centro de fabricación o una deriva del proceso pueden hacer volver los fallos, y el cribado suele ser el primer sitio donde aparecen.
Cómo encaja todo
Lo que el equipo tiene que hacer realmente
Ejecutar HALT y HASS correctamente no es algo que pueda hacer una cámara de temperatura convencional. Los requisitos son específicos:
- Velocidades de cambio del producto* muy altas. Rampas medidas en el producto, no solo en el aire de retorno. La mayoría de los sistemas que lo consiguen usan refrigeración por nitrógeno líquido con calefacción de alta capacidad; existen sistemas HALT sin nitrógeno, con refrigeración mecánica, en general con menor capacidad de rampa.
- Un rango de temperatura amplio, aproximadamente de −100 °C a +200 °C, para poder superar los límites de destrucción de la mayoría de la electrónica.
- Vibración por choque repetitivo de seis grados de libertad, de banda ancha y no senoidal monoaxial, para que se exciten las resonancias de cualquier parte del conjunto.
- Acceso para el ensayo funcional: pasamuros de cables, puertos y espacio suficiente para mantener la unidad alimentada e instrumentada mientras se ejecuta el perfil.
- Perfiles programables y repetibles, porque un cribado que no es repetible no es un cribado.
Hanse Environmental fabrica este equipo. La gama VTC de cámaras HALT/HASS va desde una mesa de 305 × 305 mm (12 × 12 in) (VTC-1) hasta 1778 × 1778 mm (70 × 70 in) (VTC-36), con un VTC-32 de 1219 × 2591 mm (48 × 102 in) para conjuntos largos. En toda la gama: vibración triaxial 6-DoF de 10 Hz a 10.000 Hz, con aproximadamente el 90 % de la energía entre 10 y 4000 Hz. A partir del VTC-4: un rango de −100 °C a +200 °C, una velocidad de cambio de temperatura de 70 °C/min* entre −65 y +100 °C, y hasta 100 GRMS. Los VTC-1 y VTC-1.5 funcionan de −75 °C a +175 °C y 70 GRMS de serie, con −100/+200 °C y 100 GRMS disponibles como opción, y el VTC-1 alcanza 50 °C/min de serie. Toda la gama usa un sistema de nitrógeno líquido HighRate, y la calefacción, la refrigeración por LN2 y la vibración se regulan con salida variable y proporcional en lugar de por conmutación todo/nada (el control proporcional del LN2 es de serie en el VTC-4 y superiores), lo que reduce sustancialmente el consumo de LN2 frente a las válvulas todo/nada convencionales.
No hay un estrés que valga para todo
Esta es la idea con la que conviene quedarse de todo lo anterior. Cada nivel de estrés en ESS, HALT y HASS se determina empíricamente, en su producto y en su configuración. Un perfil que es correcto para un controlador industrial robusto no hará nada en una placa de telecomunicaciones densamente poblada y puede destruir un instrumento delicado.
Suba el estrés. Observe qué falla. Analícelo, corríjalo y vuelva a subir. Después, cribe dentro de los límites que encontró, y siga observando, porque en el momento en que un proceso cambia, los límites que midió son la única referencia que tiene.
*Medida a 102 mm (4 in) sobre el centro de la mesa, de −65 °C a +100 °C.