什么是ESS、HALT和HASS？加速可靠性测试简明指南
- 8月11日
- 讀畢需時 10 分鐘
ESS、HALT 和 HASS 是同一理念的三种应用：人为地对产品施加环境应力，使缺陷在实验室而非客户现场被发现。环境应力筛选 (ESS) 是其总括方法。HALT（高加速寿命测试）在研发阶段应用此方法，以确定设计的极限。HASS（高加速应力筛选）在生产线上应用此方法，以发现存在缺陷的产品。
简短回答
ESS（环境应力筛选） ——对成品进行热循环（通常与振动相结合），以在发货前发现潜在缺陷。
HALT（高加速寿命测试） ——一种开发测试，它逐步增加压力，远远超过规格要求，直到设备停止工作，然后直到设备损坏，以便消除薄弱环节。
HASS（高加速应力筛选） ——一种生产筛选方法，它使用从 HALT 结果中得出的应力水平，应用于每个单元，在产品通电并进行功能测试的同时施加应力。
最重要的区别在于： HALT 测试的是设计，HASS 测试的是构建。在 HALT 确定了边界之前，你无法运行有效的 HASS 屏幕测试。
为什么好的产品也会过早失败
产品生命周期越来越短。几乎所有产品——控制器、电源、医疗器械——的新型号都会在几个月内推出，而客户希望它每次都能开箱即用。
这种压力压缩了研发和生产流程。被挤出的空间最终会以零件缺陷、工艺缺陷和做工缺陷的形式显现出来：例如，焊点不牢固、连接器虽然插到位但未完全扣紧、某个元件的实际工作温度比预期更接近额定值。这些都是潜在缺陷——真实存在，但尚未被检测到，因为在正常的测试条件下，设备运行良好。
潜在缺陷在经历足够的热循环、机械疲劳或时间考验后，最终会演变成显性（可检测的）故障。问题仅仅在于，这种情况发生在何处：是在您的工厂，还是在您客户的工厂。
最经典的形象描述方式是将其比作浴缸的曲线。
早期磨损区域正是筛分作用的目标。平坦中间部分的高度，以及磨损尾部开始上升的时间，正是设计裕度工作（HALT）旨在改善的目标。
什么是环境压力筛选（ESS）？
环境应力筛选是指在产品出货前，对制造的产品施加环境应力（最常见的是快速热循环，通常伴有随机振动），以发现潜在缺陷的做法。
ESS 的工作原理
热循环之所以有效，是因为组件内部材料的膨胀和收缩速率各不相同。陶瓷电容器、其焊点、铜焊盘以及下方的FR-4层压板，在相同的温度变化下都会发生不同的位移。反复快速地进行这种循环，原本就存在缺陷的焊点会逐渐积累应力，直至断裂。
振动检测的原理不同——它会导致导线、电线、紧固件和连接器疲劳，以及本不应发生相对运动的部件之间发生相对运动。由于这两种机制检测出的缺陷不同，因此同时使用这两种机制比单独使用任何一种都更有效。
应力必须传递到部件本身，而不仅仅是周围的空气。这就是为什么产品更换率比试验箱标称的换气率更重要，以及为什么ESS试验箱的设计目标是实现快速过渡，而不是严格的稳态控制。
经典的ESS剖面及其来源
早期的ESS实践被编入国防文件中，这些文件仍然是您在没有其他参考资料时的一个合理起点。其中最著名的是NAVMAT P-9492 ，即海军制造业筛选计划：
范围 | NAVMAT P-9492 指南 |
随机振动 | 总阻值为 6.0 Grms，频率范围 20–2000 Hz，平台阻值为 0.04 g²/Hz |
振动持续时间 | 单轴10分钟，或三个正交轴各5分钟 |
温度范围 | 温度范围为 -65 °F 至 131 °F（约 -54 °C 至 +55 °C），或至少有 160 °F 的温差。 |
变化率 | 内部部件测量，每分钟温度变化范围为 1 °F 至 40 °F。 |
住 | 直到内部零件温度与设定温度的偏差在 5°F 以内。 |
循环 | 1 个循环（简单组装）至 10 个循环（非常复杂），最后一个循环无故障 |
MIL-STD-2164涵盖了 ESS 工艺本身；该标准于 1996 年废止，并被手册MIL-HDBK-2164A取代，后者至今仍然有效，是目前更好的参考标准。此外，还有行业标准——IPC-9592B将 HALT 列为计算机和电信领域电源转换器件的必要条件，并将 HASS 视为缩短老化时间的一种途径。
古典ESS的不足之处
从文档中直接套用的固定参数并非针对您的产品量身定制。对于坚固耐用的组件来说，它的参数可能过于温和，不足以产生任何影响；而对于精密组件来说，它的参数又可能接近极限，存在安全隐患。此外，传统的ESS（电子稳定系统）通常在规格参数范围内运行，而这恰恰是潜在缺陷最难显现的阶段。
HALT 和 HASS 的开发是为了弥合这一差距：与其借用别人的数据，不如先测量自己产品的极限，然后在这些极限内进行筛选。
什么是HALT（高加速寿命试验）？
HALT 是一种开发测试。其目的是通过施加远超规范要求的压力（故意达到失效点）来找出设计中的薄弱环节，然后修复失效的部分。
标准的HALT序列应用五种应力状态：
冷阶跃应力测试——将温度从环境温度逐步降低（通常为 10°C），每降低一级温度后进行停留和功能测试，直到设备停止工作，然后直到设备损坏。
热步压力——同样向上。
快速热转变——以腔室所能提供的最高速率在上述极限之间循环，以直接解决差异膨胀问题。
振动阶跃应力试验——六自由度重复冲击，以递增的方式进行。通常的做法是从 5 Grms 的冲击强度开始，在 10 Hz 至 5 kHz 的带宽范围内进行测试，然后以 5 Grms 的增量递增，并在每个冲击强度下进行停留时间和功能测试。
温度循环和振动共同作用下的环境，会发现单独应力作用下无法发现的故障。
操作限制和销毁限制
HALT 会产生两种极限，它们之间的区别至关重要：
运行极限——指设备停止正常工作但应力消除后可恢复的应力水平。温度极限用 LOL（下限）和 UOL（上限）表示，振动极限用 VOL 表示。
破坏极限——造成永久性损伤的程度。低破坏极限 (LDL)、高破坏极限 (UDL)、极高破坏极限 (VDL)。
HALT 能为你提供：可衡量的裕度。
每次对HALT失效进行分析和纠正——例如采用更高性能的部件、更坚固的安装支架或改进散热路径——极限都会向外扩展。产品实际所处环境与所测极限之间的差距就是设计裕度，而这才是HALT项目的真正成果。
这一裕度也是保修讨论的合理依据。比较HALT试验前后的极限值以及产品在实际使用中将承受的压力，可以为您提供延长保修期的可靠工程依据，而非猜测。
HALT 不是什么
HALT原则经常被误解，所以有必要直言不讳：
这并非合格/不合格的资格测试。如果HALT测试没有产生任何失败案例，那它就是失败的——你根本无法了解测试的边界在哪里。
它无法预测平均故障间隔时间 (MTBF) 或使用寿命。应力测试结果不具有现场代表性，且未计算加速因子。HALT 测试旨在发现薄弱环节，但无法提供可靠性指标。
它不能替代设计验证。DVT证明产品符合其规格。HALT 则探究产品能够超越规格到什么程度。
这个名称本身就是一种传承：许多从业者认为“高加速极限测试”比“寿命测试”更能贴切地描述它。
什么是 HASS（高加速压力筛查）？
HASS 汲取了 HALT 的经验并将其应用于生产中。每个单元都承受着远超产品规格的热应力和振动应力的综合作用，其极限由 HALT 设定的破坏极限决定——结构中应力较高的部分可能超出运行极限，而产品必须正常工作的部分则保持在极限范围内。
降水和探测
一个设计良好的 HASS 型材包含两个截然不同的部分：
沉淀筛在高应力下运行。它的作用是将潜在缺陷转化为明显的、可检测的故障。
在压力降低的情况下进行检测屏幕测试，产品通电运行并受到监控，因此那些目前已知的专利故障（包括仅在压力下出现的间歇性故障）实际上会被检测到。
在压力测试期间进行功能测试并非可有可无。如果先对产品进行压力测试，然后再在室温下进行测试，那么测试结果将无法反映出压力测试过程中产生的很大一部分问题。
屏幕保护证明：确保屏幕安全
足以导致缺陷发生的筛分方法，顾名思义，就是高灵敏度的筛分方法。在将其应用于可销售产品之前，必须从两方面证明其有效性：
屏幕安全性——已知良好的单元按照建议的程序反复运行（通常为 20 到 50 次），然后进行验证，以证明屏幕不会消耗有意义的使用寿命。
筛选的有效性——将带有预设缺陷的单元或没有故障历史记录的现场退回单元通过该筛选进行测试，以证明该筛选确实能找到它应该找到的东西。
通过任意百分比对 HALT 限制进行保护带设置，与屏幕验证并不相同，也不能替代屏幕验证。
从100%筛查到HASA采样
首先对所有产品进行 100% 的筛查。一旦该流程在一定数量的产品上表现出稳定性，并且筛查不再发现问题，就可以进行HASA （高加速压力审核），即对每个批次抽取一个样本进行筛查，而不是对每个产品都进行筛查。
HASA降低的是成本，而不是监管力度。屏幕仍然需要定期检查：更换供应商、使用新的焊膏、更换生产地点或工艺偏差都可能导致故障复发，而屏幕往往是故障最先显现的地方。
这一切是如何联系在一起的
该设备实际需要做什么
传统的温度试验箱无法正确运行HALT和HASS系统。它们的要求非常具体：
极高的产品更换率。升温速率是在产品上测量的，而不仅仅是在回风上测量的。大多数实现这一目标的系统都采用液氮冷却和大容量加热；也存在机械制冷的非液氮HALT系统，但其升温能力通常较低。
温度范围很广——大约 -100 °C 到 +200 °C，因此可以突破大多数电子产品的损坏极限。
六自由度重复冲击振动，宽带而非单轴正弦波，因此组件中任何位置的共振都会被激发。
功能测试通道——电缆穿线孔、端口，以及足够的空间，以便在测试运行期间保持设备的供电和仪器连接。
可编程、可重复的配置文件，因为不可重复的屏幕就不是屏幕。
汉斯环境公司制造了这套设备。VTC系列HALT/HASS试验箱的尺寸范围从12英寸×12英寸（VTC-1）到70英寸×70英寸（VTC-36），另有48英寸×102英寸的VTC-32，适用于较长的组件。该系列试验箱具备以下特点：-100℃至+200℃的温度范围，-65℃至+100℃范围内温度变化速率为70℃/min，6自由度三轴振动频率范围为5Hz至10,000Hz，其中约90%的能量集中在5Hz至4,000Hz之间，部分型号可选配100 gRMS压力，以及HighRate™液氮系统（VTC-4及以上型号配备Infitrol™比例控制系统），与传统的开关阀相比，可大幅降低液氮消耗量。
没有一种压力模式适用于所有人。
以上所有内容最值得我们牢记的一点是：ESS、HALT 和 HASS 中的每个应力等级都是根据您的产品和配置，通过经验确定的。适用于坚固耐用的工业控制器的应力曲线对高密度集成电信电路板毫无作用，甚至可能损坏精密仪器。
逐步增加压力。观察哪些环节出了问题。分析问题，修复问题，然后再次尝试。接着在找到的极限范围内进行筛选——并持续观察，因为一旦流程发生变化，你之前测量的极限值就成了唯一的参考标准。
常见问题解答
ESS是什么的缩写？ ESS是Environmental Stress Screening（环境应力筛选）的缩写：指在产品出货前，对产品施加环境应力（通常是热循环和振动），以诱发潜在缺陷。
HALT 和 HASS 有什么区别？ HALT 是一种开发测试，它对原型机施加超出其规格的压力，以发现其运行和破坏极限，并暴露设计缺陷。HASS 是一种生产筛选测试，它将源自 HALT 测试极限的压力施加到每个生产单元上，以发现工艺和制造缺陷。HALT 测试设计；HASS 测试制造。
HALT 是合格/不合格测试吗？不是。HALT 是一个探索过程。每次 HALT 测试都预期会产生失败案例——这就是其输出结果。如果一次 HALT 测试没有产生任何失败案例，则意味着压力测试的强度还不够。
HALT测试能预测平均故障间隔时间（MTBF）或产品寿命吗？不能。HALT测试施加的应力并不能代表实际现场条件，而且不计算加速因子，因此无法进行可靠性预测。它只能提供一组测量极限值和一份薄弱环节清单。
HALT 测试中使用的温度和振动水平是多少？没有固定的答案——这些水平是通过逐步测试确定的。典型的测试流程是温度以 10°C 为步长递增，并在每个温度下进行停留和功能测试。对于振动，常用的指导原则是从 5 Grms 开始，测量带宽为 10 Hz 至 5 kHz，然后以 5 Grms 为增量递增。测试持续进行，直到达到运行极限和破坏极限，或者测试舱的承载能力耗尽为止。
什么是筛选验证？筛选验证是指在将 HASS 测试方案应用于可销售产品之前对其进行的验证。安全性验证表明该方案不会损坏合格产品（通常通过将已知合格的产品反复测试 20-50 次来验证）。有效性验证表明该方案确实会诱发缺陷，通常使用预先植入缺陷的产品或未发现缺陷的现场退货产品。
什么是HASA？ HASA（高加速应力审核）是指对每个生产批次的抽样产品而非100%的产品进行HASS测试。当工艺流程稳定且筛选过程中不再出现不合格产品时，HASA就适用。
HASS筛网需要多长时间？通常每台设备耗时不到一小时，因为关键在于要满足生产节拍时间。具体耗时取决于沉淀筛网所需的热循环次数以及功能测试序列所需的时间。
我需要专门的HALT和HASS试验箱吗？是的。传统的热试验箱无法提供这些方法所需的快速换料速率或六自由度重复冲击振动——因此需要配备集成振动台的专用HALT/HASS试验箱。大多数此类系统采用液氮冷却来达到所需的升温速率；也有机械冷却的非液氮HALT系统，但其升温能力通常较低。
我可以在其他产品上重复使用 HASS 配置吗？不可以。限制条件取决于产品的机械结构、热容量和组件选择。新产品或现有产品的重大改进都需要单独的 HALT 配置和筛选验证。
与工程师交谈
如果您正在考虑是否将HALT纳入您的研发计划，或者正在为HASS系列产品设计试验箱，我们可以帮助您进行评估。汉斯环境公司数十年来一直在美国制造HALT/HASS和振动测试系统—— 请查看VTC试验箱系列或联系我们获取报价。
