ESS、HALT 和 HASS 是同一个思路的三种应用：有意地对产品施加环境应力，让缺陷在您的实验室里暴露出来，而不是在客户现场。环境应力筛选 (ESS) 是总体方法。HALT——高加速寿命试验 (Highly Accelerated Life Testing)——在开发阶段应用它来找到设计的极限。HASS——高加速应力筛选 (Highly Accelerated Stress Screening)——在生产线上应用它来发现带有缺陷的产品。
简短的回答
- ESS (环境应力筛选)——对成品施加温度循环 (通常结合振动)，在发货前激发出潜在缺陷。
- HALT (高加速寿命试验)——一种开发阶段的试验，把应力逐步提高到远超规格，直到产品停止工作，再直到产品损坏，从而把薄弱环节从设计中消除。
- HASS (高加速应力筛选)——一种生产筛选，使用由 HALT 结果推导出的应力水平，施加到每一台产品上，并在加载应力的同时为产品通电并进行功能测试。
最关键的区别在于：HALT 考验设计，HASS 考验制造。在 HALT 告诉您极限在哪里之前，您无法制定一个合理的 HASS 筛选。
为什么好产品仍会早期失效
产品生命周期很短，而且越来越短。几乎任何东西——控制器、电源、医疗仪器——的新型号都要在几个月内推出，而客户期望它开箱即用，每次都正常。
这种压力压缩了开发和制造。被挤掉的东西日后会以元器件缺陷、工艺缺陷和装配缺陷的形式出现：一个勉强合格的焊点、一个插上了但没有完全锁紧的连接器、一个比任何人意识到的都更接近额定值运行的元件。这些都是潜在缺陷——确实存在，但尚无法检测，因为在温和的台架条件下产品工作正常。
经过足够多的温度循环、机械疲劳或时间之后，潜在缺陷最终会变成显性 (可检测的) 失效。问题只在于它发生在哪里：在您的工厂，还是在客户的工厂。
描述这一现象的经典方式是浴盆曲线。
早期失效区正是筛选要消除的部分。中间平坦段的高度，以及耗损尾段多早开始上升，则是设计余量工作——HALT——要改善的部分。
什么是环境应力筛选 (ESS)？
环境应力筛选是对已制造完成的产品施加环境应力——最常见的是快速温度循环，通常配合随机振动——以便在产品发货前激发出潜在缺陷的做法。
ESS 的原理
温度循环之所以有效，是因为组件内部各种材料的膨胀和收缩速率不同。一个陶瓷电容、它的焊点、下面的铜焊盘和 FR-4 基材，在同样的温度变化下位移量各不相同。反复而快速地循环，一个勉强合格的焊点就会不断累积应变，直到开裂。
振动作用于另一种机理——引线、导线、紧固件和连接器的疲劳，以及本不应相对运动的零件之间的相对运动。由于这两种机理发现的缺陷不同，ESS 同时使用两者远比只用其一有效得多。
应力必须到达零件本身，而不只是零件周围的空气。这就是为什么产品温度变化速率*比试验箱标称的空气温度变化速率更重要，也是为什么 ESS 试验箱是为快速转换而不是为精确的稳态控制而设计的。
经典 ESS 剖面及其来源
早期的 ESS 实践被编入了国防文件，在没有其他依据时，那些剖面至今仍是合理的起点。最著名的是美国海军制造筛选计划 NAVMAT P-9492：
| 参数 | NAVMAT P-9492 指导值 |
|---|---|
| 随机振动 | 总量级 6.0 GRMS，20–2000 Hz，0.04 g²/Hz 平台 |
| 振动时长 | 单轴 10 分钟，或三个正交轴各 5 分钟 |
| 温度范围 | −65 °F 至 131 °F (约 −54 °C 至 +55 °C)，或至少 160 °F 的温度跨度 |
| 变化速率 | 每分钟 1 °F 至 40 °F，在内部零件上测量 |
| 保持 | 直到内部零件与设定值相差在 5 °F 以内 |
| 循环次数 | 1 个循环 (简单组件) 至 10 个循环 (非常复杂的组件)，最后一个循环无失效 |
MIL-STD-2164 涵盖了 ESS 过程本身；它于 1996 年废止，由手册 MIL-HDBK-2164A 取代，后者至今仍然有效，是如今更好的参考。行业标准也存在——IPC-9592B 把 HALT 列为计算和电信用电源转换设备的强制要求，并把 HASS 视为缩短老化时间的途径。
经典 ESS 的不足之处
从文件中照搬的固定剖面从来不是为您的产品量身定制的。对坚固的组件，它可能过于温和而激发不出任何缺陷；对脆弱的组件，它又可能危险地接近极限。经典 ESS 通常还在规格水平或其附近运行，而这恰恰是潜在缺陷最不可能显露的地方。
HALT 和 HASS 正是为弥补这一差距而发展起来的：不是借用别人的数字，而是先测出您自己产品的极限，然后在极限之内进行筛选。
什么是 HALT (高加速寿命试验)？
HALT 是一种开发阶段的试验。它的目的是通过把应力逐步提高到远超规格——有意加到失效为止——来找到设计中的薄弱环节，然后修复损坏的部分。
标准的 HALT 流程施加五种应力：
- 低温步进应力——温度从环境温度逐步降低 (通常每步 10 °C)，每一步保持并做功能测试，直到产品停止工作，再直到产品受损。
- 高温步进应力——同样的方法，向上进行。
- 快速温度转换——在上述找到的极限之间以试验箱所能达到的最高速率循环，直接攻击差异膨胀。
- 振动步进应力——六自由度重复冲击，逐级提高。常用的准则是从在 10 Hz 至 10 kHz 带宽内测得的 5 GRMS 开始，以 5 GRMS 为增量逐步提高，每一级保持并做功能测试。
- 综合环境——温度循环与振动同时施加，能发现任何单一应力都发现不了的失效。
工作极限与破坏极限
HALT 会得出两种极限，两者之间的区别很重要：
- 工作极限——产品停止正常工作、但应力撤除后能够恢复的应力水平。温度用 LOL (下限) 和 UOL (上限) 表示，振动用 VOL 表示。
- 破坏极限——造成永久性损伤的应力水平。LDL、UDL、VDL。
HALT 给您的是可以测量的余量
每分析并纠正一次 HALT 失效——换用额定值更高的元件、更刚性的安装、重新设计的散热路径——极限就向外移动一次。产品实际经受的环境与您测得的极限之间的差距就是设计余量，这才是 HALT 计划真正的交付物。
这一余量也是讨论保修的可靠依据。比较 HALT 前的极限、HALT 后的极限和产品将经受的现场应力，能为延长保修期限提供站得住脚的工程证据——而不是猜测。
HALT 不是什么
HALT 常被误解，所以有必要直言不讳：
- 它不是通过/不通过的鉴定试验。一次没有产生任何失效的 HALT 是失败的——您对极限在哪里一无所获。
- 它不预测 MTBF 或使用寿命。所施加的应力并不代表现场条件，也没有计算任何加速因子。HALT 找出薄弱环节；它不给出可靠性数字。
- 它不能替代设计验证。DVT 证明产品满足规格。HALT 问的是产品能超出规格多远。
这个名称本身是历史遗留：许多从业者认为“高加速极限试验”比“寿命试验”更能准确描述它。
什么是 HASS (高加速应力筛选)？
HASS 把 HALT 学到的东西用到生产中。每一台产品都要经受高于产品规格、但低于 HALT 确定的工作极限的温度和振动综合应力，因此产品可以在整个筛选过程中通电并受到监测。
激发与检测
设计良好的 HASS 剖面有两个截然不同的部分：
- 激发筛选在较高的应力下运行。它的任务是把潜在缺陷转化为明确的、可检测的失效。
- 检测筛选随后在降低的应力下进行，产品通电、运行并受到监测，从而真正捕捉到那些已成为显性的失效——包括只在应力下才出现的间歇性故障。
应力期间的功能测试不是可选项。先对产品加载应力、事后再在环境温度下测试的筛选，会漏掉刚刚激发出来的大部分缺陷。
筛选验证：让筛选安全
一个足以激发缺陷的筛选，从定义上就是激进的。在用于可销售产品之前，它必须在两个方面得到验证：
- 筛选安全性——让已知良品反复经历拟定的剖面 (通常 20 至 50 次)，然后进行核验，以证明筛选不会消耗有意义的有效寿命。
- 筛选有效性——让植入缺陷的样品，或有“未发现故障”记录的现场退回品经历该剖面，以证明筛选确实能找到它应该找到的东西。
按某个任意百分比对 HALT 极限留保护带，并不等同于筛选验证，也不能替代它。
从 100% 筛选到 HASA 抽样
先对 100% 的产品进行筛选。一旦工艺在相当的产量上证明了稳定性，且筛选不再发现问题，就可以转向 HASA——高加速应力审核 (Highly Accelerated Stress Audit)——对每个批次抽样筛选，而不是筛选每一台。
HASA 减少的是成本，而不是警惕。筛选仍需定期审视：更换供应商、新的焊膏、不同的生产地点或工艺漂移，都可能让失效重新出现，而筛选往往是它们最先显露的地方。
整体如何衔接
设备到底要做到什么
正确地运行 HALT 和 HASS 不是常规温度试验箱能做到的。要求是具体的：
- 极高的产品温度变化速率*。温度变化速率在产品上测量，而不只是在回风上。达到这一要求的系统大多采用液氮制冷配合大功率加热；也有采用机械制冷的非液氮 HALT 系统，但温变能力通常较低。
- 宽温度范围——大约 −100 °C 至 +200 °C，以便能够超过大多数电子产品的破坏极限。
- 六自由度重复冲击振动，宽带而非单轴正弦，使组件中任何位置的共振都能被激发。
- 功能测试接口——电缆穿墙、端口，以及足够的空间，让产品在剖面运行期间保持通电和带仪表状态。
- 可编程、可重复的剖面，因为不可重复的筛选就不是筛选。
Hanse Environmental 制造这类设备。VTC 系列 HALT/HASS 试验箱从 305 × 305 mm (12 × 12 in) 台面 (VTC-1) 到 1,778 × 1,778 mm (70 × 70 in) 台面 (VTC-36)，另有 1,219 × 2,591 mm (48 × 102 in) 台面的 VTC-32 用于长组件。全系列：6-DoF 三轴振动覆盖 10 Hz 至 10,000 Hz，约 90% 的能量集中在 10 至 4,000 Hz 之间。VTC-4 及以上型号：−100 °C 至 +200 °C 的温度范围、在 −65 至 +100 °C 区间 70 °C/min* 的温度变化速率，以及最高 100 GRMS。VTC-1 和 VTC-1.5 标准为 −75 °C 至 +175 °C 和 70 GRMS，可选 −100/+200 °C 和 100 GRMS，VTC-1 标准为 50 °C/min。全系列采用 HighRate 液氮系统，加热、液氮制冷和振动全部采用可变的比例输出而非通断开关驱动 (VTC-4 及以上型号标配液氮比例控制)，相比常规通断阀大幅降低液氮消耗。
没有放之四海而皆准的应力
这是从上文中最值得记住的一点。ESS、HALT 和 HASS 中的每一个应力水平都是在您的产品上、按您的配置、通过实测确定的。对坚固的工业控制器正确的剖面，对高密度的电信板卡可能毫无作用，而对精密仪器则可能造成损坏。
逐步提高应力。观察什么失效了。分析、修复，再进一步。然后在您找到的极限之内进行筛选——并且持续观察，因为一旦工艺发生变化，您测得的极限就是您唯一的参考。
*在台面中心上方 102 mm (4 in) 处测量，−65 °C 至 +100 °C。