转贴:有效提升电源产品可靠性之新技术

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国内电源界的各个研究机构和生产厂家及前辈学者,一直在为我国电源产品追赶世界先进水平孜孜不倦地耕耘。上世纪90年代中末期各个研究机构和设计单位先后针对电源设计软件引进了Intusoft的产品对电源进行计算机仿真设计;在电源的电气功能(Electrical Specifications)测试方面主要引进了以Chroma(致茂电子)、HAEFELY、Schaffner为代表的具有世界先进水平的精密电子测量仪器设备来进行电源的各种功能(Functions)测试、保护动作(Protections)测试、安全(Safety)规格测试、电磁兼容(Electromagnetic Compliance)测试;在电源的生产上,为了保证快速大批量生产的出货良品率, 则引进了Chroma全自动电源测试系统,并且在全国各电源企业得到了广泛应用及推广,使我国电源的设计及生产工艺、可靠性以及年产量都有了相当的提高,缩短了与世界先进水平的差距。
　　上世纪90年代末,随着电讯及数据通信行业蓬勃发展,世界电源行业也得到了空前的大发展,尤其是电源的软开关技术得到了充分地发展和应用,使得DC/DC 模块电源的开发设计应用发生了质的飞跃。我国航天航空等电源研究机构和电源生产厂家以及通讯行业都投入了相当大的人力物力来研究DC/DC 模块电源及其应用。由于DC/DC 模块电源一般是直接安装在使用产品电路供电回路中的,这些电子产品使用的环境多数是航天、航空、电讯及工业控制等非常重要的场合,因此使得DC/DC 模块电源不仅要具有与这些电子产品相同的优良电气性能及电磁兼容性,而且还要具有良好的可靠性、工作稳定性及产品寿命。
6 l2 u" P3 z) EHALT & HASS新技术
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4 h0 ?; f' Q+ P: s" G, V　　目前国内DC/DC 模块电源通用的可靠性(Reliability)测试手段,一般是在研发时采用传统的性能各异的温湿度箱,来验证并提高产品的可靠性性能,在生产线上采用的是老化寿命测试,即高温(约50??60℃)及长时间(约8??24小时)满载测试等传统的测试方法。仅依靠以上这些传统的测试手段,要达到目前国外DC/DC 模块电源的平均无故障工作时间(MTBF)几十万个小时以上的技术指针,无疑是很困难的事情。
　　HALT(Highly Accelerated Life Test) & HASS(Highly Accelerated Stress Screening)是由美国军方所延伸出的设计品质验证与制造品质验证的试验方法,现已成为美国电子业界的标准产品验证方法,将原需花费六个月至一年的新品可靠度试验,减少至仅需一周时间即可完成,且在这一周中所发现的产品问题几乎与客户应用后所发现的问题一致,故HALT&HASS的试验方式已为新产品上市前所必需通过的考验。除了美国之外,许多国际的3C产品大厂也都使用相同或近似的手法来提升产品品质,并达到上市即已为成熟产品的目标。
5 r- P/ U! L7 q) E+ p. \1 k2 Q　　HALT(高加速寿命试验),是一种使受测物承受不同的应力,进而能发现设计上的极限,以及潜在弱点的实验程序。而进行HALT实验主要目的为期望增加受测物的极限值,进而增加其强健度(Robust)及可靠度(Reliability)。HALT试验是利用阶梯应力方式加诸于产品,在早期发现产品缺陷、操作设计边际及结构强度极限的方法。其加诸于产品的应力有振动、高低温、温度循环、电力开关循环、电压边际及频率边际测试等。利用此测试可迅速找出产品设计及制造的缺陷、改善设计缺陷、增加产品可靠度并缩短上市时间,同时可建立设计能力、产品可靠度的基础资料及日后研发的重要依据。
7 b* G7 h. Z0 b- `* l& U　　加速性应力测试(Accelerated stress testing)是用来侦测及修正任何现有的设计及制造上的缺陷,使产品更加强化,加速性应力实验第一部分为加速性寿命测试(HALT highly accelerated life test),简言之,就是利用一连串个别及结合性的应力(stresses),诸如多轴向振动(multiaxis vibration),温度循环(temperature cycling)及产品的power cycling,逐段增加测试环境强度,直到产品故障(fails)。
　　ALT以连续的测试、分析、验证及改正达成整个程序,主要在分析所有故障的根本原因,测试时间因加速应力而压缩,致使产品提早成熟(maturity)。
+ R; I/ Z( O, B' b, i' Q: r3 ?: L　　HALT 之主要功能如下:
, ^5 T# l% A6 f, G/ o& B2 G" {& e　　1.利用高环境应力,使产品设计缺陷显现出来,改善后可延长产品早夭期(浴缸曲线后段延伸)。
9 f9 s" g* n. D/ O% m' h　　2.了解产品的设计能力及失效模式。
　　3.作为高应力筛选及稽核规格制定的参考。
　　4.快速找出产品制程中的瑕疵。
: \( @% u, \; a4 h" m: V0 _9 p2 [　　5.增加产品可靠度及减少维修成本。
- }4 q9 @1 r8 ]5 b; P/ {& [　　6. 建立产品设计能力数据库,以为研发依据并可缩短设计制造时程。
　　Temperature Screening
　　每一组件及次组件都有其温度特性,可由HALT来决定,例如,一简单TTL数字逻辑电路(digital logic PCB)其额定温度范围为0??70℃,但它应正确地操作于-55??+125℃。
0 F2 P+ S! \' z9 z$ _; ~9 b在额定范围外所产生的故障可指示出产品的边际设计、不良的组件、或是设计方法的问题,有些商用组件甚至于无法达到操作规格所需的0??70℃。
2 l- o4 N3 e7 _; ^+ v( f0 Q1 J　　Temperature Cycling
　　温度循环(Temperature cycling)可检测出一些产品上市后可能发生的故障,其中包括焊接不良、IC封装不良、印刷电路板制作过程的问题以及印刷电路板设计的问题。
' m7 ~5 k' d5 n6 y5 X　　Vibration
5 z& H2 G6 ^2 [- i7 {6 @& I  O; _6 P　　振动测试,一般是测产品的耐振程度,使之能通过运送及操作过程所产生的振动,而在PCB测试时可找出不良或是脆弱的焊接点,不良的接点因应力而故障,但焊接良好的接点不会受到影响。
　　QualMark坚固的振动平台可产生前所未有的高频振动(2000Hz以上)能量。对于刺激小型的组件故障及使焊接接点快速疲乏方面,这种高频能量是非常有效且必需的,最近,我们刚推出新的低频(Low Frequency)振动系统,这种系统可大幅增加平台低频(<1000Hz)的振动能量,这种改变使得在刺激更大形、更大质量及更独立的产品产生故障方面更加有效。在我们其它竞争者的振动系统所作的频谱分析上显示,其特性与我们早期的系统类似,而没有现在我们使用的低频LF系统所有的效果。
3 J+ Q8 h) j0 n/ ?4 ^' JHALT应用于产品的研发阶段,以期发现产品可靠性方面的薄弱环节。其所施加的应力要远远高于产品在正常运输、贮藏、使用时的应力。HALT由以下部分组成：
9 Z9 [: w. C+ H% ~  c/ u9 k. M　　● 逐步施加应力直到产品失效/故障。
/ e+ i$ a4 ]" F　　● 采取临时措施,修正产品的失效/故障。
6 y6 E$ u7 @  _. S' c+ G　　● 继续逐步施加应力直到产品再次失效/故障时,再次修正之。
7 d8 D; w1 u/ ?' m% `; G　　● 重复以上应力—失效—修正步骤。
- t, w% E2 @. @  c% c* {　　● 找出产品的基本操作界限和基本破坏界限。
5 c2 c; k! w; NHASS应用于产品的生产阶段,以确定所有在HALT中找到的改进措施已得到运用。HASS也用来确保由于生产工艺和元器件的改动并不会使产品引入新的缺陷。HASS包含如下内容：
: J6 S6 F6 W3 W9 x9 \/ y　　● 进行预筛选(Precipitation Screen)以剔除可能发展为明显缺陷的隐性缺陷。
9 w1 V0 Q" n( K, D  |* w9 y　　● 进行探测筛选(Detection Screen),找出明显缺陷。
) T' h! Z6 b# ~- m　　● 故障分析。
" U( l' v' a8 ?' h　　● 改进措施。
3 U" S# A0 S, W. u5 @* q　　HASS所使用的应力界限来自于HALT。通常,预筛选(Precipitation Screen)所采用的应力介于产品的操作界限与破坏界限之间,而探测筛选(Detection Screen)所采用的应力介于产品的标称值与操作界限之间。
　　找出那些极有可能沉淀在客户使用终端、并最终导致产品故障的潜在缺陷,HALT/HASS已被证明是非常有效的。因此,HALT/HASS能有效地增强产品的可靠性。
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$ ]& i0 m- K( l6 i9 ^- w　　HALT(Highly Accelerated Life Test)加速寿命试验：此试验共分为四个主要试程：即温度应力(temp step stress)、高速温度传导(rapid thermal transitions)、随机振动(random vibration)、温度及振动合并应力(combine environment of temperature and vibration)。在HALT试验中我们将可找到受测物在温度及振动应力下的可操作界限(operational limit)与破坏界限(destruct limit)。可操作界限的定义为：当实验过程中发生的功能故障在环境应力消除后即自动回复的应力临界点;而破坏界限则是功能故障在环境应力消除后依然存在的应力临界点。此实验所用设备为QualMark公司所设计的综合环境试验机(OVS Combined Stress System)。其规格为：温度范围-100??200℃,温度变化最大速率60℃/min,最大加速度可到60Grms,而且振动机与温度箱合二为一的设计,可同时对待测物施加温度与振动应力,以下就四个试程分别说明：
　　(1) Temp Step Stress：此项试验分为低温及高温两个阶段应力,首先执行低温阶段应力(Low Temp Step Stress),将待测物放于综合环境试验机(OVS Combined Stress System)中,将温度感应线接至欲记录的零件上,并调整风管使气流能均匀分布于机台上,依待测物的电气规格加满载,设定起始温度20℃,每阶段降温10℃,阶段温度稳定后维持10分钟,之后在阶段稳定温度下执行至少一次的power cycling及拉载测试,如一切正常则将温度再降10℃,并待温度稳定后维持10分钟再执行power cycling及拉载测试,依此类推直至发生功能故障时,则将温度回复至常温并稳定后,再执行power cycling及拉载测试,观察其功能是否恢复,以判断是否达到操作界限或破坏界限,如功能正常回复,则将故障前的低温值记录为可操作界限,同时再将温度逐段下降直至发现当回复常温仍然无法使功能自动恢复的低温,则此低温即为低温破坏界限。在完成低温应力试验后,即可依相同程序执行高温应力试验,即将综合环境应力试验机自20℃开始,每阶段升温10℃待温度稳定后维持10分钟,而后执行power cycling及拉载测试直到发现高温操作界限及高温破坏界限为止。
4 m6 g! O/ y# Z6 L9 e& O% P, _　　(2) Rapid Thermal Transitions：此试验将先前在Temp Step Stress所得到之低温及高温操控界限为此处之高低温度界限,并以每分钟60℃之快速温度变化率在此区间内进行6个循环高低温度变化,在每个循环的最高温度及最低温度皆需停留10分钟使温度稳定后再执行power cycling及拉载测试,如发现待测物发生可回复性故障,则将Thermal transition rate减少10℃/min再执行transition cycle直到6个循环皆无可回复性故障发生,则此Thermal transition rate即为此试验之operation limit,在此试验中不需寻找destruct limit。

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& ~+ O1 o& f; T* u' P# h(3) Random vibration：此试验是将G值自5G开始,且每阶段增加5G,并在每个阶段维持10分钟后,在振动持续的条件下执行power cycling及拉载测试,以判断其是否达到可操作界限或破坏界限。当G值达到30G时,在功能测试完成后,须将G值降至5G,再执行功能测试以观察是否有在高振动条件下遭到破坏,但却无法测得的隐含不良,而后更高G值的测试皆需以此模式进行,此种回复5G的测试称为Tickle vibration。
" ?- y$ U& Y4 O3 ?5 p3 Q+ k　　(4) Combined Environment of Temperature and Vibration：此试验将rapid thermal transition及random vibration合并同时进行,使加速老化的效果更显著。在HASS的实验中即是以combined environment的条件执行,方能在短时间内发现制造上的问题。此处使用先前的快速温变循环条件及温变率,并将随机振动自5G开始配合每个循环递增5G,且使每个循环的最高及最低温度持续10分钟,待温度稳定后执行power cycling及拉载测试,如此重复进行直至达到可操作界限及破坏界限为止。在以上四个试程中受测物所产生的任何异常状态应加以记录,且应分析是否可藉由变更设计克服这些弱点,并加以修改后再进行下一步骤的测试,提高产品的可操作界限及破坏界限,从而达到提升可靠性的目的。加速老化寿命试验的环境条件与一般寿命试验仿真正常使用环境的实验原理不同,如同Tektronix规定其temp step stress测试的温度上下限最大为+140??－100℃,温变率最高为60℃/min,振动值最大为40G,并以此作为设计改良的目标。
1 W# G' V/ p1 T$ P　　HASS试验应用目的为：在极短的时间内发现量产成品是否有制程品质上的不良存在。(一) HASS试验计划阶段：HASS Development(二) 计划验证阶段：Proof-of-Screen(三) HASS执行阶段：Production HASS以下分别说明此三个阶段。
( C) o8 s& _; A　　HASS Developmentssssssssssssssss
. i0 ~7 a6 E) v/ R9 B5 a. \& vHASS试验计划须参考HALT试验所得到的结果。一般均将combined environment中的高、低温度的可操作界限(operational limit)缩小20%,而振动条件则以破坏界限(destructional limit)G值的50%做为HASS试验计划的初始条件。而后再依据此条件开始执行combined environment test,并观察受测物是否有不良发生。如有不良发生,须先判断是因过大的环境应力造成,或受测物本身之品质不良,属前者时应再放宽温度及振动应力10%,属后者时表示目前测试条件有效。如皆无不良情况发生,则必须再加严测试环境应力10%。
8 Z" S8 W$ G" B% C　　Proof-of-Screen
4 D# ~1 i+ T( ^  a9 K　　在建立HASS Profile时应注意两个原则：第一为HASS Profile须能检测出可能造成设备故障的潜在不良;第二为经试验后,不致造成设备损坏或“内伤”。为了确保HASS Development所得到的结果符合上述二个原则,首先必须准备三个试品,并在每个试品上制作一些未依标准工法所制造或组装的缺陷,如零件浮插、空焊及组装不当等。以HASS Development所得到的条件测试各试品,并观察各试品上的人造不良是否被检测出,以决定是否加严或放宽测试条件,而能使HASS Profile达到预期效果。
在完成有效性测试后,应再以新的良品,在调整过的条件下测试30??50次,如皆未发生因应力不当而破坏的现象,此时即可判定HASS Profile通过Proof-of-Screen测试,并可做为Production HASS之用。反之则须再检讨,调整测试条件以求得最佳组合。
$ v5 p0 @3 m9 |Production HASS
6 A/ U+ O: x6 v& P, G　　任何一个经过Proof-of-Screen考验的HASS Profile皆被视为快速有效的品质筛选利器,但仍须配合产品经客户使用后所回馈的异常再做适当的调整。另外,当设计变更时,亦应修改测试条件以符合所须。HALT&HASS之试验除了提供设计者及制造者对品质的信心,最重要的应是设计者及制造者对试验中所发生的问题皆能加以分析并设法改善。唯有如此才能达到品质提升的目的,否则仅为判定产品能力的工具而已。
& K& Z( C# a" X( o% v$ R　　HALT&HASS试验在国外已经被许多知名电源企业广泛使用,如美国的ADVANCED ENERGY、Celestica、Vicor、MKS Instruments、POWERWAVE等,他们已经将HALT&HASS这项可靠性实验技术广泛地应用到产品的设计研发,直至产品的出货。目前国内已有如ASTEC、belfuse、光宝、昀瑞、安圣电气等公司率先引进了HALT&HASS的可靠性试验技术。