理解HALT：初学者必备指南

各行各业总有人进入新的领域。受过去一年经济形势的影响，商业环境发生了变化。许多人在机会出现时选择提前退休。由于大规模裁员，人们不得不从事以前从未做过的工作。并购可能涉及购置不熟悉的设备。此外，总会有人出于自愿加入某个行业，例如应届大学毕业生或从其他部门调任的员工。

参与 HALT 是一项充满挑战且令人振奋的任务。我参与这个过程已经超过十年了。我遇到过许多精通此流程的工程师，但最近我注意到，许多人对此并不熟悉，并且渴望学习。此外，还有一部分人更喜欢讨论技术细节，而不是专注于手头的任务。

首先，需要指出的是，HALT 的实现并没有唯一正确的方法。让我们花点时间来了解一下 HALT 是什么，以及它不是什么。

加速测试的实用性

无论从哪个角度来看，当今的商业环境都十分复杂。客户——无论是个人消费者、政府机构还是企业内部部门——都希望以更低的成本获得更多价值。他们追求的是高可靠性、低成本、尖端技术和耐用性。

的确，要让每个人都满意很难。你需要在市场竞争中保持领先地位，同时还要保证产品的耐用性。你该如何做到这一点呢？

解决这些挑战的一个有效方法是简化测试流程。等待20年才能知道一个灯泡在邻居家的厨房里能用20年，这显然是不现实的。我们需要加快测试流程。

灯泡掉落后确实有可能烧坏，但这仅仅证实了重力的作用。我们需要一种更合乎逻辑的方法——一种能够“加速”时间以模拟潜在故障的方法。各种计算机程序和科学公式可以帮助我们关联潜在的使用寿命，从而在几天内而不是几年内识别出现场可能出现的故障。

为什么这一点至关重要？保修问题是公司最大的开支之一。如果福特汽车公司能在零部件交付车辆之前发现并解决缺陷，其财务部门就会重点强调工程部门所取得的节约。及早发现问题可以节省数百万美元，并增强客户信心。通过降低成本和提高客户忠诚度，您也将从中受益。

初始温度

最佳的测试方法是在室温下进行，就像在实验室里一样。你可能会问，我为什么要用“室温”这个词？作为多个IEC（国际电工委员会）工作组的成员，我观察到“室温”这个词的含义随着时间的推移而发生了变化，不同的人有不同的理解。传统上，“室温”指的是产品周围测试舱在特定时间的温度。然而，现在大多数人将其理解为进行测试的房间的环境温度。我之所以强调“室温”，是为了确保测试开始时的温度接近室温，避免与之前在同一测试舱内进行测试的温度混淆。防患于未然总是好的！

务必持续监控产品。福特电子（后更名为伟世通）曾公开表示，若不持续监控，50%的间歇性故障将无法被发现。仅仅在开始和结束时各读取一次数据是不够的。

一系列测试

由于没有一种完美的HALT测试方法，以下是一些需要牢记的基本概念。HALT测试包含一系列测试。理想情况下，应该有多台设备来执行这些测试，每台设备负责系列测试中的一项。

从严谨的角度来看，最好先在单一环境下进行测试，然后再在混合环境下进行比较。我们推荐以下六项标准测试，当然也可以采用其他方法：

• 仅冷

• 只需加热

• 仅振动

• 振动加热

• 温度波动

• 振动引起的温度波动

当然，还可以考虑其他因素。如果低温是个问题，可以考虑增加振动冷却。如果湿度是个问题，先单独测试湿度，然后再将其与其他条件（例如温度和振动）结合起来。开关循环也可能非常有益。

在开始测试之前，务必彻底了解您要测试的产品。熟悉最终用户的使用环境，并据此进行测试。请记住：最终用户对产品的要求总是超出预期，但他们期望产品能够正常运行。

步步

选定环境后，该如何开始？关键在于了解产品。它是像印刷电路板那样小，还是像储罐那样大？在给定温度下稳定运行需要多长时间？是否存在更容易发生故障的组件？

如何判断产品在室温下是否稳定？以我今天测试的产品为例：一个几乎和面包车车顶一样宽的车载中控台。我们无法选择一个代表性点并假设整个设备的温度均匀一致。一般来说，产品越大或其组件越多，所需的温度控制点就越多。监测应基于一个主温度控制点，该控制点应放置在最能代表整个设备温度控制点的位置，或者放置在最敏感的组件上，具体取决于优先级。

所有测试的良好起点是实验室环境温度，通常在 25°C 左右。如有必要，请固定产品并连接所需线路。请记住，您的线路将与产品一样暴露在极端条件下！

测试顺序完全由您决定。但是，先进行单一环境测试，再进行组合测试，可以打下坚实的基础。例如，如果您的第一次测试是同时进行高温和振动测试，并且出现了故障，您能确定故障是由哪个因素造成的吗？还是是由组合环境造成的？如果您已经分别进行了高温和振动测试，那么就更容易确定故障是由特定环境还是组合环境引起的。

什么是失败？

不同的公司对缺陷的评估方式各不相同。我曾参观过一家公司，他们因为油漆上的细微划痕而将产品搁置。在他们看来，这被视为严重的“缺陷”，导致他们无法将产品发货给客户。

有些人认为第一次间歇性故障就是他们能够接受的极限。而另一些人则更倾向于达到完全故障。在规划测试时，你应该牢记这一点：你将如何定义故障？

测试

在回顾了运行测试前需要考虑的关键点之后，我们来仔细研究一下测试本身。需要注意的是，测试远不止是按下电脑上的“运行”按钮那么简单。我们已经了解了提前规划的重要性。接下来，我们将探讨每项测试的不同注意事项以及运行它们的理由。

冷通过测试

低温通常是各种环境中破坏性最小的，因此是进行测试的良好起点。

您可以根据产品知识确定步长。如果您担心低温的影响，请使用较小的步长。如果您需要基准数据，请从较大的步长开始，如果出现过早失效，则减小步长。许多工程师习惯于从代表低温条件下每分钟 10°C 变化率的步长开始。

确定加热速率后，接下来要确定保温时间。产品在给定温度下应保持多长时间才需要再次提高加热速率？通常建议将保温时间控制在产品稳定所需的最短时间内。对于印刷电路板 (PCB) 而言，这可能只需五分钟，而组件则可能需要更长时间。同样，请根据您的经验做出决定。

请看下图：

上图展示了一个可应用的示例。测试从实验室环境温度开始，保持该温度直至稳定，然后以最快的速度将温度降低 10°C，并保持 10 分钟。重复这些步骤直至出现故障。

加热试验

加热测试的步骤与冷却测试类似，只是方向相反。其原理与冷却测试相同。首先将样品稳定在室温下，然后逐渐升高并保持温度。由于高温通常比低温更具破坏性，因此建议以每分钟 5°C 的速率升温，而不是更快。

我曾有机会与一家公司合作，他们的产品是为医院环境设计的。他们的第一次重大故障发生在比典型实验室温度高出2摄氏度的情况下。起初，他们并不担心，认为医院有空调，环境温度永远不会过高。后来，我在一家医院长期住院期间，亲身经历了医院温度按季节控制的情况。那里的供暖系统是按日期启动的，而不是根据实际需要启动，导致病房温度接近30摄氏度。之后，该公司重新设计了电路板，如今他们的产品已成为市场领导者。这个故事告诉我们：务必确保产品的实际使用寿命与预期使用条件之间留有余量。要考虑最坏的情况，并增加安全裕度。简而言之，凡事皆有可能出错。

仅振动测试

您已经完成了较简单的测试，例如冷热测试。您已经监测并记录了数据。您已经实施了您认为必要的更改。现在，您可以进行振动测试了。

首先，将温度调整至实验室环境温度。这样可以确保温度不会影响测试结果。虽然这可能无法完全反映实际情况，但目前我们只关注振动。

振动测试的标准测量方法是使用重力加速度（g值）。但是我们应该从哪里测量重力加速度呢？

从振动台底部采集的测量数据主要反映的是振动台的活动情况，这可能无法准确反映产品的实际表现。加速度计的理想位置是在产品上或附近。有些人选择将其安装在支撑产品的支架上，这完全可以接受。如果无法将其安装在产品或支架上，则应将其安装在靠近支架的振动台表面。这样可以较为准确地估算出产品所处的环境。

与温度不同，振动必须以非常小的增量进行控制。精确控制可能很复杂，因此我们建议从 2 g 开始，每次增加 2 g。停留时间取决于您对产品的了解。留出足够的稳定时间，通常为十分钟。持续增加振动，直到观察到您认为的故障现象，同时在整个过程中监测并记录数据。

组合

现在到了激动人心的部分。你已经完成了繁琐的步骤，对你的产品以及团队成员的反应有了更深入的了解（“你对我的设计做了什么？”）。

热振荡试验

您已经完成了低温、高温和振动测试。下一步合乎逻辑的步骤是热振荡测试，该测试结合了低温和高温测试。

将反应室温度设定为实验室环境温度，并让产品适应环境。您可以选择先升高温度还是降低温度。向反应室空气中通入氮气有助于去除产品中的残留水分，请注意这一点。

选择升温增量，通常每次增加 5 或 10 °C，并确定保温时间。然后，开始。

如图所示，每一步都会扩大范围。假设您决定以 5°C 为增量，初始温度为 25°C。您选择了 5 分钟的等待时间，并且倾向于先升高温度。这就是基本场景：

继续测试，直到出现故障为止。

注意：产品在极低温度下出现故障是常见现象，待温度恢复至室温后即可恢复正常运行。如果在冷态测试阶段出现故障，建议进行热态测试阶段，以检查是否恢复正常运行。

进行振荡测试是有充分理由的。热系数的差异会导致部件分离，有时甚至会产生裂纹。通过快速施加这些变化，我们可以使设备承受超出其正常工作条件的应力。有人认为每分钟超过 30°C 的温度变化很少发生，但请考虑以下几点：

我住在密歇根州。虽然密歇根州的冬天不是最冷的，但每年至少会经历一次零下40摄氏度的风寒效应。想象一下，我的车在离家一英里的地方陷在雪里了。我决定步行回家（密歇根人适应能力很强）。

当我把手机贴在耳边打电话给丈夫，告诉他我遇到的问题时，手机温度从大约25摄氏度骤降至零下40摄氏度。由于他出差在外，我只能用我那可靠的掌上电脑找到他的号码。

我回到家，冷得直哆嗦，赶紧把暖气开大，坐在暖气片旁，继续用我那部老伙计手机。手机和电脑被暖风吹得又热了起来，温度达到了25摄氏度。这时，不仅电子设备承受了相当大的压力，我也一样！我相信你也能想到其他一些我们让电子设备承受过大压力的极端情况。

振动热试验

我们来做个摇晃烘烤测试。不过，不是用来做晚餐的，晚餐已经做过了！现在是时候结合加热和振动来测试你的产品了。

您会选择哪个振动水平？假设您知道您的产品在之前的纯振动测试中，在 10g 的振动强度下失效。既然您已经知道这个失效点，就不需要再次达到这个水平。您真正想了解的是，当热因素与振动同时作用时会发生什么。

我合作过的大多数工程师都选择接近失效点80%的载荷水平。在这种情况下，就是8g。

进行热振动联合测试的最佳方法是什么？这同样取决于您的经验。建议您严格按照之前进行的热测试步骤，从室温重新开始。这将作为预测产品可能出现热相关失效的基准。如果温度过高，您可以考虑省略一些较低温度的测试。例如，如果您的产品在 110°C 时才失效，您可以从 60°C 左右开始，并在此温度范围内继续测试。

上图示例展示了十分钟的静止期，之后每隔五分钟施加两分钟的振动（低于失效阈值）。脉冲振动和持续运行都可能导致失效。您可自行决定最佳的测试方法。

有趣的是，对比结果就在这里。通常情况下，产品在振动作用下失效的温度会比单纯受热失效时略低。当然，凡事总有例外。这项测试能够提供有价值的信息，帮助您了解产品在实际使用中可能遇到的各种因素组合下，其性能如何。

热振荡试验与振动

利用从热测试和振动测试中获得的知识，将类似的原理应用于温度变化和振动测试。如果故障发生在远超出实验室条件的情况下，可以考虑省略某些步骤。

我在一篇机械设计杂志的文章中发现了一些有趣的现象：一些公司利用极低的温度来降低高振动环境下设备的应力。众所周知，任何对产品的改动都会缩短其使用寿命。然而，在应用了文章中的原理后，我与客户合作，使用各种类型的产品进行了实验。在所有案例中，振动和低温的结合都使产品能够承受比常温下更大的振动。您在进行振动测试时可能会观察到类似的结果。此外，如果您的产品需要承受低温，请考虑进行低温振动测试。

那么现在该怎么办？

有了这些数据和失败次数，接下来你应该怎么做？你的目标是什么？

无需过度设计。如果你的产品在满足实际需求的基础上还有合理的余量，可能就不需要做任何改动。例如，微软在进行测试并避免出现保修问题后，将其鼠标的保修期从一年延长至三年。

仅仅因为某个产品没有出现故障，并不意味着你就失败了。这可能恰恰表明你的产品稳定可靠，已经具备市场竞争力。即使真的遇到了故障，也要保持乐观的态度。HALT 是一种学习工具，可以帮助你快速识别产品生命周期的提前终止点，从而避免因保修更换而造成不必要的漫长学习过程。

没有灵丹妙药

HALT测试能准确预测产品的市场寿命吗？可能不能。如果没有相同或类似产品的实际故障案例，很难建立时间相关性。但是，如果能在实验室特定条件下重现实际故障，则可以建立良好的相关性。

三轴振动快速热循环试验箱就是你唯一需要的设备吗？如果真是这样，那你可就发财了。就像工具箱需要各种工具一样，测试设备也不应该仅仅依赖快速热循环试验箱，尽管它确实很有用。

行业内的一个积极变化是工程师之间非专有信息的共享日益增多。要了解更多关于HALT（高加速寿命试验）的信息，可以探索诸如IEEE AST（高级压力测试）小组之类的组织，参加研讨会，并加入用户组。知识共享有助于我们避免从零开始。可靠的信息来源至关重要。

最后说明

进行HALT测试时，要充分运用产品知识。提前做好规划，并考虑最终使用环境。对于塑料，务必了解其熔点。测试过程中保持开放的心态，将产品故障视为学习机会，而非个人失败。与设计、项目和生产工程师、管理人员以及任何能够提供宝贵意见的人员密切合作。

我喜欢在HALT工作，也不会选择其他行业。正如巴斯夫的座右铭所说，“我们不仅生产产品，更致力于改进产品”，我通过提高可靠性、降低成本和提升安全性，为创造更优质的产品贡献力量。小时候，我梦想着世界和平，长大后，我明白改变是一个循序渐进的过程。作为一名教育者和生产者，我认为我们每个人都能为创造更美好的世界贡献一份力量。现在，您有机会在工作中脱颖而出，以盈利的方式生产出更优质的产品，并通过让产品更安全、更便捷、更可靠来改善他人的生活。