多媒体HALT试验及结果分析

余天刚,李志强

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定 071000）

概述

HALT（Highly Accelerated Life Testing）试验是通过施加温度、振动、电应力等综合应力，能快速发现产品的设计极限，暴露产品在可靠性设计方面的薄弱环节，目前该试验方法在军工、航空、航天领域运用较为普遍，汽车等民品行业也逐渐认可并使用，汽车行业中GM于2001年引入HALT试验，FORD于2002年引入，BMW于2003年引入，我国于2012年发布了GB/T 29309-2012《电工电子产品加速应力试验规程高加速寿命试验导则》，将HALT试验的方法及规程进行明确。在GB/T 34986-2017/IEC 62506：2013《产品加速试验方法》中，将HALT与高压蒸煮、热冲击及其他的定性加速试验作为同类试验，明确这类试验只能识别潜在的失效模式，意味着通过这类试验我们会发现系统中大部分的部件是健壮的，但是有个别部件或者设计细节与其他部件相比比较弱，找到这些部件或者设计细节并改进，这就是HALT的意义。

1 案例分析

1.1 HALT试验总体要求

选取某车型的多媒体系统依据GB/T 29309-2012《电工电子产品加速应力试验规程高加速寿命试验导则》开展HALT试验，本试验选取美国Qualmark公司生产的typhoon2.5型HALT试验系统，试验项目包含低温步进试验、高温步进试验、高低温循环试验、振动步进试验、综合应力试验，由于各项试验均对样品具有破坏性，故选取10个样品，分为5组，每项试验2个样品，试验前测试样品全部功能，各个项目在测试过程中持续通电13.5 V并检测相关功能，试验中每阶段的前25 min，选择“收音机（FM/AM）、CD/DVD、USB播放、蓝牙播放”中一种功能连续播放，持续观察样品工作状态；每个阶段的最后5 min测试所有需测试的功能，见表1，所有功能应工作正常，一旦出现无法恢复性功能失效，立即停止试验并开展失效分析。

1.2 高温步进试验

高温步阶从+20 ℃开始，每个步阶为+20 ℃，增至80 ℃后每个步阶为5 ℃，每个步骤驻留时间30 min，在驻留时间的最后5 min内完成功能测试并在功能测试后进行3次上、下电操作，直至确定操作极限。

样品安装方式和位置见图1所示，按上述试验条件进行试验和功能测试，温度步进运行曲线见图2所示。

试验运行至100 ℃后，导航反应迟钝，110 ℃后蓝牙连接困难，120 ℃停止工作，恢复至95 ℃，异常消除，各样品试验结果见下表2，通过查阅导航模块芯片技术参数：90 ℃下可正常工作，故多媒体的高温工作极限为95 ℃。

表1 功能要求

图1 样品安装方式和位置

1.3 低温步进试验

低温步阶从-20 ℃开始，每个步阶为5 ℃，每个步骤驻留时间30 min，在驻留时间的最后5 min内完成功能测试并在功能测试后进行3次上、下电操作，直至确定操作极限，温度步进运行曲线见图3所示。

试验运行至-60 ℃后，蓝牙无法识别，-100 ℃时出现无法启动，恢复-55 ℃，蓝牙异常消除，恢复-50 ℃，功能全部正常，各样品试验结果见下表3。故多媒体的低温工作极限为-50 ℃。

1.4 温度循环试验

从常温20 ℃开始，温度循环的高、低温度极限设定为多媒体操作极限的85 %，即-47～81 ℃，温变率60 ℃/min，每个高低温温度点驻留30 min，共计执行5个循环。在每个驻留时间的最后5 min内完成功能测试并在功能测试后进行3次上、下电操作。温度运行曲线见图4所示。

图2 高温步进运行曲线图

表2 试验结果

试验过程中两个样品均工作正常。

1.5 振动步进试验

1.5.1 试验过程及结果

设定XY为水平面，X方向为车头方向，样品与水平面夹角为61.9 °，与YZ平面夹角为29.6 °，振动步阶从5 Grms开始，每个步阶为5 Grms，每个步骤驻留时间30 min，在驻留时间的最后5 min内完成功能测试并在功能测试后进行3次上、下电操作，直至确定操作极限。试验过程中，当样品功能出现异常时，将振动应力恢复至上一应力点，检测其是否正常工作，一旦出现不可恢复失效，立即进行失效分析。样品安装方式和位置见下图5所示，振动步进运行曲线见图6所示。

试验运行至60 Grms时多媒体停止工作，振动停止后不可恢复，各样品试验结果见下表4，故多媒体的振动工作极限为55 Grms。

图3 低温步进运行曲线图

表3 试验结果

1.5.2 失效分析

图4 温度循环运行曲线图

图5 样品安装方式和位置

图6 振动步进运行曲线图

对上述两个失效无法恢复的样品进行失效分析，首先对样品进行外部目检。经观察可见：两只样品外壳均未见开裂、螺丝脱落现象，晃动样品，可听见元器件滚动声音。打开两个样品，看见A5样品内部有2只电感及3只电容已经脱落，无其它异常形貌，A6样品有1只电感和2只电容脱落，无其它异常形貌。脱落元器件信息表见表5。

表4 试验结果

表5 脱落元器件信息表

为确认A5、A6样品元件脱落原因，对各脱落元件的引脚断口进行SEM形貌观察分析，经检查发现：A5样品脱落元件断口有不同程度的磨损，推测其原因可能是元件在断口之后继续进行振动试验造成，其典型图片见图7，分析引脚能谱，发现并无其它污染、腐蚀性元素，见图8。

对A5样品板上4#元件PCB位置引脚断裂处进行剖面制样，进行观察可发现引脚与焊点已形成裂缝，同时对引脚与焊锡之间的IMC层进行观察，发现IMC层厚度正常（测量值分别为：1.1 um、1.74 um、2.33 um）见图9，A5样品PCB板4#位置电感引脚互联处剖面SEM观察到明显开裂，断裂处无明显异常元素，电感开裂的位置在其最脆弱的结构处IMC层，且焊点未见空洞、IMC层厚度不当等工艺异常，因此该处裂开表明已到材料能耐受的极限值。

图7 A5样品脱落3#电容引脚放大形貌

图8 A5样品脱落3#电容某区EDS谱图

图9 A5样品PCB板4#位置电感引脚互联处IMC形貌

观察A6样品PCB板上1#位置电容引脚断口形貌，呈现典型的脆性断裂形貌，观察3#电感位置焊点焊锡与引脚之间IMC形貌，发现IMC层厚度正常（测量值分别为：744.3 um、1.600 um、3.126 um），见图10，A6样品内部断口形貌呈现典型的脆性断裂形貌特征。另外两个样品各脱落元器件主要为有一定尺寸和重量的元器件（事实上在实际应用中，这类大小的器件很少见到有因其自身重量导致焊点在振动条件下开裂的），且位置恰好位于PCB板的边缘，这些位置在应用过程中会受到比其它位置更大的应力，表明两个样品均是由于振动试验过程中过应力导致元件引脚断裂、脱落。

1.6 综合应力试验

1.6.1 综合应力试验1

先采取略高于样品技术要求的试验条件，并结合前期步进试验的结果，确定综合试验条件，用于验证样品能否满足设计值。设定振动强度为5 Grms，温度循环为-50～90 ℃，每个高低温温度点驻留30 min，共计执行5个循环。在每个驻留时间的最后5 min内完成功能测试并在功能测试后进行3次上、下电操作。试验运行曲线见图11所示。

图10 A6样品PCB板3#位置电感引脚互联处IMC形貌

图11 综合应力试验运行曲线图

试验过程中蓝牙出现反应慢、播放连接不稳定问题，试验停止恢复常温后工作正常。详细试验结果见下表6，蓝牙模块可能为产品的薄弱环节。

1.6.2 综合应力试验2

采取接近样品操作极限的试验条件，验证样品能否承受该综合条件，会出现何种故障现象，一旦出现不可恢复失效，立即进行失效分析。设定振动强度为40 Grms，温度循环为-50～90 ℃，每个高低温温度点驻留30 min，共计执行5个循环。在每个驻留时间的最后5 min内完成功能测试并在功能测试后进行3次上、下电操作。试验运行曲线见图12所示。

试验过程各个循环均有功能异常，主要为导航反应慢，FM反应慢，无USB，屏幕闪烁、黑屏，USB声音输出正常，空调、FM、USB功能自动切换，蓝牙连接困难等，试验停止恢复常温后工作恢复正常。

2 结论

表6 试验结果

图12 综合应力试验运行曲线图

通过以上HALT试验及失效分析可以发现，多媒体在蓝牙及导航功能出现异常较多，存在改善空间，查阅蓝牙IC（件号，BC63B239A）、GPS IC（件号，UBXG6010）的规定工作温度范围为-40～85 ℃。当试验条件超过其器件的工作温度后，就可能引起晶振停振、器件不工作等现象，导致发生失效。

本试验中样品在高温95 ℃，低温-50 ℃内将不会发生故障，振动量级在55 Grms以下时，短时间内将不会发生故障（裕量越大，所需时间越长）。同时，样品在温度冲击条件下未见异常，表明样品及其内部各处互联界面连接较好，且因CTE匹配导致风险较小；根据振动应力的试验结果，样品失效因机械应力失效，失效机理与试验预期相符，其失效时的加速应力量级要远大于产品的实际条件（2.7 g），应力裕量空间较大，因此样品的的结构设计在实际工作条件下抵抗振动应力的能力较强，设计强度能满足实际要求。

3 结束语

本文以车载多媒体HALT试验为例对整个HALT试验的设计及失效分析过程进行了详细的说明，为发现系统中计细节的薄弱部分提供一种实例参考。针对HALT应力应该设置到什么程度的判断标准是不改变失效机理，即试验故障机理是能在市场上出现的，针对HALT试验中的故障，需要开展根因分析，一旦发现产品存在设计上的薄弱点，没有达到设计要求，那么在日常的使用环境下类似的故障还会出现，一定要考虑进行性能提升。