ESS、HALT 與 HASS 是同一個概念的三種應用：刻意對產品施加環境應力，讓缺陷在您的實驗室裡現形，而不是在客戶現場。環境應力篩選 (ESS) 是總體的方法。HALT——高加速壽命試驗 (Highly Accelerated Life Testing)——在開發階段應用它來找出設計的極限。HASS——高加速應力篩選 (Highly Accelerated Stress Screening)——在產線上應用它來找出帶有缺陷的產品。
簡短的回答
- ESS (環境應力篩選)——對成品施加溫度循環 (通常結合振動)，在出貨前激發出潛在缺陷。
- HALT (高加速壽命試驗)——開發階段的試驗，把應力逐步提高到遠超規格，直到產品停止運作，再直到產品損壞，以便把弱點從設計中排除。
- HASS (高加速應力篩選)——生產階段的篩選，使用由 HALT 結果推導出的應力水準，施加在每一台產品上，並在施加應力的同時讓產品通電並進行功能測試。
最重要的區別在於：HALT 考驗設計。HASS 考驗製造。在 HALT 告訴您邊界在哪裡之前，您無法制定一套合理的 HASS 篩選。
為什麼好產品仍會早期失效
產品生命週期很短，而且越來越短。幾乎任何東西——控制器、電源供應器、醫療儀器——的新機型都被期待在幾個月內推出，而客戶期望它開箱即用，每次都正常。
這種壓力壓縮了開發與製造。被擠掉的東西，日後會以零件缺陷、製程缺陷和組裝工藝缺陷的形式出現：一個勉強合格的焊點、一個插上了卻沒有完全扣緊的連接器、一個比任何人意識到的都更接近額定值運作的零件。這些都是潛在缺陷——確實存在，但尚無法偵測，因為在溫和的桌上測試條件下，產品運作正常。
經過足夠的溫度循環、機械疲勞或時間之後，潛在缺陷終究會變成顯性 (可偵測的) 失效。問題只在於它發生在哪裡：在您的工廠，還是在客戶的廠房。
描述這個現象的經典方式是浴缸曲線。
早期失效區正是篩選要消除的部分。中間平坦段的高度，以及耗損尾段多早開始攀升，則是設計裕度工作——HALT——要改善的部分。
什麼是環境應力篩選 (ESS)？
環境應力篩選是對已製造完成的產品施加環境應力——最常見的是快速溫度循環，通常搭配隨機振動——以便在產品出貨前激發出潛在缺陷的做法。
ESS 的原理
溫度循環之所以有效，是因為組件內部各種材料的膨脹與收縮速率不同。一顆陶瓷電容、它的焊點、下方的銅焊墊和 FR-4 基板，在同樣的溫度變化下位移量各不相同。反覆而快速地循環，一個勉強合格的焊點就會不斷累積應變，直到斷開。
振動作用於另一種機制——引腳、導線、緊固件和連接器的疲勞，以及本不該相對移動的零件之間的相對運動。因為這兩種機制找出的缺陷不同，ESS 同時使用兩者，遠比只用其中一種有效得多。
應力必須到達零件本身，而不只是零件周圍的空氣。這就是為什麼產品溫變速率*比試驗箱標稱的空氣溫變速率更重要，也是為什麼 ESS 試驗箱是為快速轉換而設計，而不是為精確的穩態控制。
經典 ESS 試驗曲線及其來源
早期的 ESS 實務被編入國防文件，在沒有其他依據時，那些曲線至今仍是合理的起點。最知名的是美國海軍製造篩選計畫 NAVMAT P-9492：
| 參數 | NAVMAT P-9492 指引值 |
|---|---|
| 隨機振動 | 總量級 6.0 GRMS，20–2000 Hz，0.04 g²/Hz 平台 |
| 振動時間 | 單軸 10 分鐘，或三個正交軸各 5 分鐘 |
| 溫度範圍 | −65 °F 至 131 °F (約 −54 °C 至 +55 °C)，或至少 160 °F 的跨距 |
| 變化速率 | 每分鐘 1 °F 至 40 °F，在內部零件上量測 |
| 停留 | 直到內部零件與設定值相差在 5 °F 以內 |
| 循環次數 | 1 個循環 (簡單組件) 至 10 個循環 (非常複雜的組件)，最後一個循環無失效 |
MIL-STD-2164 涵蓋 ESS 流程本身；它於 1996 年廢止，由手冊 MIL-HDBK-2164A 取代，後者至今仍然有效，是現今較佳的參考。產業標準也存在——IPC-9592B 把 HALT 列為運算與電信用電源轉換裝置的必要要求，並把 HASS 視為縮短燒機時間的途徑。
經典 ESS 的不足之處
從文件中照搬的固定曲線，從來不是為您的產品量身打造的。對堅固的組件，它可能過於溫和而激發不出任何缺陷；對脆弱的組件，它又可能危險地接近極限。經典 ESS 通常也在規格水準或其附近執行，而那正是潛在缺陷最不可能顯露的地方。
HALT 與 HASS 正是為了補上這個缺口而發展出來的：不是借用別人的數字，而是先量測您自己產品的極限，再在極限之內進行篩選。
什麼是 HALT (高加速壽命試驗)？
HALT 是開發階段的試驗。它的目的是把應力逐步提高到遠超規格——刻意加到失效為止——以找出設計中的弱點，然後修正損壞的部分。
標準的 HALT 程序施加五種應力：
- 低溫步進應力——溫度從環境溫度逐步降低 (通常每步 10 °C)，每一步停留並做功能測試，直到產品停止運作，再直到產品受損。
- 高溫步進應力——同樣的做法，往上進行。
- 快速溫度轉換——在上面找出的極限之間，以試驗箱所能達到的最高速率循環，直接攻擊差異膨脹。
- 振動步進應力——六自由度重複衝擊，逐級提高。常見的準則是從在 10 Hz 至 10 kHz 頻寬內量測的 5 GRMS 開始，以 5 GRMS 為增量逐步提高，每一級停留並做功能測試。
- 複合環境——溫度循環與振動同時施加，能找出任何單一應力都找不到的失效。
操作極限與破壞極限
HALT 會得出兩種極限，兩者之間的差別很重要：
- 操作極限——產品停止正常運作、但應力移除後能夠恢復的應力水準。溫度以 LOL (下限) 和 UOL (上限) 表示，振動以 VOL 表示。
- 破壞極限——造成永久損壞的水準。LDL、UDL、VDL。
HALT 給您的是可以量測的裕度
每分析並修正一次 HALT 失效——換用額定值更高的零件、更剛性的固定方式、重新設計的散熱路徑——極限就向外推移一次。產品實際面對的環境與您量測到的極限之間的差距就是設計裕度，這才是 HALT 計畫真正的交付成果。
這個裕度也是討論保固時的實在依據。比較 HALT 前的極限、HALT 後的極限，以及產品將面對的現場應力，能為延長保固期限提供站得住腳的工程證據——而不是猜測。
HALT 不是什麼
HALT 經常被誤解，所以值得直說：
- 它不是通過/不通過的驗證試驗。一次沒有產生任何失效的 HALT 是失敗的——您對邊界在哪裡一無所獲。
- 它不預測 MTBF 或使用壽命。所施加的應力並不代表現場條件，也沒有計算任何加速因子。HALT 找出弱點；它不產出可靠度數字。
- 它不能取代設計驗證。DVT 證明產品符合規格。HALT 問的是產品能超出規格多遠。
這個名稱本身是歷史的遺留：許多從業者主張，「高加速極限試驗」比「壽命試驗」更能準確描述它。
什麼是 HASS (高加速應力篩選)？
HASS 把 HALT 學到的東西用在生產上。每一台產品都要承受高於產品規格、但低於 HALT 所建立的操作極限的溫度與振動複合應力，因此產品可以在整個篩選過程中通電並受到監測。
激發與偵測
設計良好的 HASS 試驗曲線有兩個截然不同的部分：
- 激發篩選在較高的應力下執行。它的任務是把潛在缺陷轉化為明確、可偵測的失效。
- 偵測篩選隨後在降低的應力下進行，產品通電、運作並受到監測，讓那些已成為顯性的失效——包括只在應力下才出現的間歇性故障——確實被抓出來。
應力期間的功能測試不是可有可無的。先對產品施加應力、事後再在室溫下測試的篩選，會漏掉剛剛激發出來的一大部分缺陷。
篩選驗證：讓篩選安全
一套足以激發缺陷的篩選，就定義而言是激烈的。在用於可銷售產品之前，它必須在兩方面獲得證明：
- 篩選安全性——讓已知良品反覆經歷擬定的曲線 (通常 20 至 50 次)，然後加以驗證，以證明篩選不會消耗顯著的使用壽命。
- 篩選有效性——讓植入缺陷的樣品，或有「未發現故障」記錄的現場退回品經歷該曲線，以證明篩選確實能找到它應該找到的東西。
依某個任意百分比對 HALT 極限預留保護帶，並不等於篩選驗證，也不能取代它。
從 100% 篩選到 HASA 抽樣
先對 100% 的產品進行篩選。一旦製程在相當的產量上證明了穩定性，而且篩選不再找到問題，就可以改為 HASA——高加速應力稽核 (Highly Accelerated Stress Audit)——對每個批次抽樣篩選，而不是篩選每一台。
HASA 減少的是成本，而不是警覺。篩選仍需定期檢視：更換供應商、新的錫膏、不同的生產地點或製程飄移，都可能讓失效再度出現，而篩選往往是它們最先現形的地方。
整體如何銜接
設備到底要做到什麼
正確地執行 HALT 與 HASS，不是傳統溫度試驗箱做得到的。要求是具體的：
- 極高的產品溫變速率*。升降溫速率在產品上量測，而不只是在回風上。達到這一點的系統大多採用液態氮冷卻搭配大容量加熱；也有採用機械冷凍的非液態氮 HALT 系統，但升降溫能力通常較低。
- 寬廣的溫度範圍——大約 −100 °C 至 +200 °C，以便能夠超過大多數電子產品的破壞極限。
- 六自由度重複衝擊振動，寬頻而非單軸正弦，讓組件中任何位置的共振都能被激發。
- 功能測試的進出介面——纜線穿孔、埠口，以及足夠的空間，讓產品在曲線執行期間保持通電並接上儀器。
- 可程式化、可重複的試驗曲線，因為不可重複的篩選就不是篩選。
Hanse Environmental 製造這類設備。VTC 系列 HALT/HASS 試驗箱從 305 × 305 mm (12 × 12 in) 檯面 (VTC-1) 到 1,778 × 1,778 mm (70 × 70 in) 檯面 (VTC-36)，另有 1,219 × 2,591 mm (48 × 102 in) 檯面的 VTC-32 供長形組件使用。全系列：6-DoF 三軸振動涵蓋 10 Hz 至 10,000 Hz，約 90% 的能量落在 10 至 4,000 Hz 之間。VTC-4 以上機型：−100 °C 至 +200 °C 的溫度範圍、在 −65 至 +100 °C 區間 70 °C/min* 的溫變速率，以及最高 100 GRMS。VTC-1 與 VTC-1.5 標準為 −75 °C 至 +175 °C 和 70 GRMS，可選購 −100/+200 °C 和 100 GRMS，VTC-1 標準為 50 °C/min。全系列採用 HighRate 液態氮系統，加熱、液態氮冷卻與振動全部以可變的比例輸出驅動，而非 ON/OFF 切換 (VTC-4 以上機型標配液態氮比例控制)，相較於傳統 ON/OFF 閥可大幅降低液態氮消耗。
沒有一體適用的應力
這是從上述內容中最值得帶走的一點。ESS、HALT 與 HASS 中的每一個應力水準，都是在您的產品上、依您的配置、以實測決定的。對強固型工業控制器正確的曲線，對高密度的通訊電路板可能毫無作用，而對精密儀器則可能造成損壞。
逐步提高應力。觀察什麼失效了。分析、修正，再進一步。然後在您找到的極限之內進行篩選——並且持續觀察，因為一旦製程改變，您量測到的極限就是您唯一的參考。
*在檯面中心上方 102 mm (4 in) 處測量，−65 °C 至 +100 °C。