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ASQ QP分享《小改变,大不同——高加速应力筛选技术的有效设计、调整帮助组织识别电子产品制造缺陷》

发布日期:2017-08-29 10:22:12
  • 高加速应力筛选(HASS)方法能够帮助组织评估产品的可靠性,减少或消除产品故障;

  • 应用HASS的前提是创建一个产品剖面,然后在此基础上对产品施加不同的压力,以决定是否进行调整;

  • 组织可以通过5个步骤创建、调节产品的HASS剖面。


作为标准工业流程中的一个环节, 高加速应力筛选(highly accelerated stress screen,HASS)用于激发和检测产品的早期缺陷,而非查找全部缺陷。事实上,生成一个构造良好HASS剖面的几率有限,其激发产品缺陷的能力随故障模式的变化而有所不同。在试图将缺陷激发成为难度更大的故障模式时,由此增加的应力可能会造成损坏结果。

通过5个步骤可以有效地设计、优化HASS剖面。尽管应力及HASS的变更可能需要根据基础技术对方法自行定义,但并不影响这种方法同样适用于其他产品领域。

确定是否有必要进行HASS调优,首先要在现场数据和生产数据之间建立评估。评估结果直接反映现有HASS剖面的效能。如果由于生产缺陷和生产测试产量下降而导致现场故障呈上升趋势,此时应考虑进行HASS调优。

HASS剖面的设计与开发,主要依据高加速寿命试验(HALT)所得到的结果。组织在生产实践中,可以通过以下步骤提高产品的可靠性:

1. 高加速寿命试验。

要想全面理解HAS S调优,首先让我们从高加速寿命试验(HALT)开始,一起对HASS剖面的基本结构进行回顾。

HALT是一种限度测试,而非通过失败测试。测试的主要目的是确定产品的环境(温度和振动)影响限度;此外, 它还适用于测量产品的稳健性。

根据HALT试验中完成5项测试的结果,对HASS试验剖面进行设计。通常以温度、振动水平和停延时间为起点,或根据产品实际情况进行调整。这5项测试分别为:

(1)低温步进应力试验(Coldstep stress)。以20摄氏度为起点,将环境舱的大气温度降至10摄氏度。每个温度级别上的停延时间可以根据产品的不同而有所差异,但建议在温度稳定后至少保持10分钟(见图1)。

(2)高温步进应力试验(Hotstep stress)。以30摄氏度为起点,将环境舱的大气温度提高10摄氏度。每个温度级别上的停延时间可以根据产品的不同而有所区别,但建议在温度稳定后至少保持10分钟(见图1)。

(3)快速温变循环试验(Rapid thermal transitions)。最小的温度循环范围应该在高低温步进应力测试中所确定的温度工作上限和温度工作下限的5摄氏度内。通常至少进行3个温变循环,并且在每个温度极限值时至少保持10分钟(见图2)。

(4)振动步进应力试验(Vibrationstep stress)。从5Grms开始(较低水平的振动量级,1Grms用于精细产品,增量在5Grms内),至少停延5分钟(时长根据产品质量的不同而变化)。试验室内大气温度应当为室温,连续施加振动步进应力直至产品振动工作极限或破坏极限(见图3)。

(5)综合应力试验(Combined environment)。至少进行5个综合应力循环,除非在所有5个循环之前出现了破坏性故障。温度循环应保持在温度工作上限和温度工作下限的5摄氏度内。起始振动量值则是通过将振动破坏极限除以5加以确定的(见图4)。在后续的每个温度循环中,振动量级都增加相同数值;也就是说,如果最大振动量值为50Grms,则起始振动量值为10Grms。

2. 高加速应力筛选。

HALT试验得到的结果通常作为HASS剖面的设计依据。温度应力起始值通常为温度步进应力试验中所确定工作极限的80%,即测试单元在HALT试验中完全发挥作用时的温度水平。

振动步进应力试验中,振动应力的起始值通常为50%的破坏极值。图5展示了HASS剖面的标准模型。方形波代表温度,梯形波表示振动水平。

图5中的HAS S剖面显示了两个HASS循环。实践中,并无固定的周期次数或行业标准用于筛选产品;主要还是取决于所生产产品的类型和数量。

对于大多数更关心产量的组织而言,建议至少循环两次;如果希望识别出更多的潜在缺陷,3~5次循环比较适宜。HASS试验第一个循环的根本目标是查找到所有缺陷;做到这一点则无需开展后续循环,从而缩短测试时间、提升产量。

HASS试验由两个部分(或阶段)组成(见图6)。第一个阶段为预筛选阶段,在极短时间内激发出任何潜在的生产缺陷或零部件缺陷;第二个阶段是测试阶段,目标在于识别缺陷。在测试阶段,产品需接受功能测试。相比之下,预筛选阶段所用应力水平高于测试阶段。

3. 育种失效测试。

判断HASS试验能否有效地检测出生产缺陷,可以采用筛查证明或育种失效测试(Seeded failure testing)。为了更好地失效判定,建议对与生产缺陷相关的10种现场故障中,分析其排名前5位的故障类别。

将每一次失效视作一次育种,按照既定的HASS试验流程进行筛选,以确定HASS剖面的检测功能。如果检测出的种子故障数较低(全部10个中不超过5个),则需要调整HASS剖面并重新检测。

4. 安全网。

在设计HAS S剖面并完成筛选验证后,必须确保HASS测试条件的适宜性,即在有效检测出可能造成设备故障的潜在不良,同时不致造成设备损坏或“内伤”。这里,可以采用安全网(Safety of screen,SOS)测试,将产品按照调整后的HASS剖面进行反复检验,以判定最佳的测试条件。

一般情况下, 测试循环以40 次作为有效起点。如果时间允许,产品在第一次故障发生之前可经过多次循环。产品在HASS试验中损耗的可靠寿命,可以用通过下列公式直接计算得出,并用百分比表示,计算公式为:可靠寿命 =(HASS剖面循环次数÷SOS循环次数)× 100%。

例如, 可靠寿命= ( 2 ÷ 40 )×100=5%,表示产品经过两次HASS剖面循环和40次SOS测试,其可靠寿命耗损最高为5%。

5. HASS调优。

对于组织而言,尽管开展了HALT和HASS试验项目,并对所有标准的指导方针进行了研究,但在项目初期或实施早期仍然会遭遇失败,即使其产品的缺陷已经明显少于未经过HASS试验的项目。

在HASS调优(HASS tuning)和定速过程中对HASS基本流程稍做变更或调整,可以提高给定失效模式的检测和沉淀概率。压力级别的变化将影响到该领域中存在的缺陷类型。


调优示例

某电极装置因所装载电阻器的焊料缺失而在运行几小时后便失效(见图7)。该产品在交付前已经通过了包括HASS试验在内的所有出厂检测,但对照失效插件板可以明显看到其存在制造缺陷(空焊)。这类异常就可以通过HASS试验予以查找和识别。

针对这种工艺缺陷,在HASS剖面中进行应力级测试,首先可以考虑改变其振动水平。当应力水平发生变化时,建议在增加停延时间前对振幅进行调整。

如果仅改变振幅并未检测到缺陷,此时可以考虑调整停延时间。此外,振动水平应呈递增变化,比如以5Grms作为递增的量级。在振动水平调整完毕后,必须将缺陷(有问题的焊接接头)植入到仿真模型中,然后应用已优化的HASS剖面进行筛选。如果成功检测到了缺陷,则表示HASS调优有效;若未能发现缺陷,此时就需要更改压力级别并重复该过程。HASS调优流程如图7所示。

由于引导和辅助方法的缺失(如弹簧力引线成形),致使提高振动水平可能无法有效检测不良焊点的方法。对于这种存在间断连接的缺陷,通常使用被称为“挠性振动”的低水平振动刺激加以检测(例如配设直流电源连接器)。在1Grms~5Grms范围内的振动,我们称之为“低水平随机振动”,之间定义了低水平的随机振动。Grms是频率范围内的加速度均方根值,表示功率谱密度曲线之下的面积。微激振应在HASS程序的检测阶段实现,但也可以在预筛选环节中实现。微振动的原理是,低振动水平查找出的缺陷不会在高振动水平被发现。

如果调整振动应力水平不能有效提高缺陷检测效率时,则可以采用调整热应力的方法。在失效焊接接头的示例中,另一种优化检测方法的措施是提高HASS剖面的上下极限值。如果在HASS剖面操作中使用加速的渐变速度(例如60℃/分钟),温度增量的提高将致使在高度紧张的区域产生低循环疲劳状态。

调整温度限值时,重要的是不要超过HALT试验中所确定的上下温度极值,因为产品受到的压力可能会达到破坏极限。例如,将温度调整到接近或达到HALT试验中确定的上限,可能会损耗电子元件,使其失效或过早磨损。同样,在进行了热应力变更后,需要执行育种失效测试。

如果只调整振动应力水平或温度应力水平不能有效提高剖面的检测能力,则需要同时调整温度和振动应力,以改善缺陷检测效力。

在经过调优的HASS剖面已被验证可重复用于检测缺陷后,必须对SOS进行修正,以确保改进后的HASS试验不会削弱产品的可靠寿命。SOS是将产品置于反复接受HASS循环的过程。


改进

作为一种工程技术, 如何优化HASS剖面目前尚无具体的行业指南;HASS调优方面的成功源于实践经验和战略测试。通过正确的增量迭代解决无效的HASS程序。HASS程序调优是基于电子产品的体系结构和复杂性。

对应力水平的细微调整,将提高程序的探测能力。产品动态性能可以作为判断HASS剖面效能的有效标准, 或用以衡量HASS剖面是否需要改进。基于组织产品生产数量的不同,每一个可接受的失效百分比有所不同。通常来说,复杂产品(超过1000个电子元件)的年化故障率不超过2%。

然而需要注意的是,HASS调优也有其内在不足,比如引入不必要的损害。如果测试中应力增量过大,所增加的应力会造成损害甚至潜在缺陷,进而缩短产品的使用寿命,导致客户的不满。

所有的更改都需要通过筛查验证、育种失效测试和SOS验证。如果产品未能通过这些测试,就要对改进建议进行重新评估。

类似于HAS S调优之类的细微改变,可以显著提升产品的质量和可靠性,帮助组织赢得客户的满意。需要再次强调的是,HASS剖面的任何调整(温度、振动、停延时间以及温变速率)都要通过SOS的检验,从而确保所实施的更改不会损坏产品或削减产品的可靠寿命(高于3%~5%)。

提高电子产品的可靠性不会止于设计阶段。环境筛选在使产品的质量和可靠性达到理想水平方面同样发挥着重要作用。正确实施HALT和HASS程序将有效提升产品的可靠性。



作者简介:

丹尼尔·萨罗斯基(Daniel K.Sarosky):现就职于美国纽约州罗彻斯特市的MKS仪器公司,任首席可靠性工程师;毕业于纽约罗彻斯特理工学院电子工程技术专业,获得学士学位。作为A S Q的资深会员,萨罗斯基同时还是A S Q注册可靠性工程师和软件质量工程师。

译者 华婷(CAQ)