CN102954865A - 用于电子产品的高加速寿命试验系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电子产品的高加速寿命试验系统，包括一密闭室和若干待测电子产品，一振动应力测试系统，包括一设置于该密闭室内的振动台，该振动台上固定一安装有该待测电子产品的测试夹具，并在每个待测电子产品内部的印刷电路板上布置有若干个振动应力加速计；一热应力测试系统，包括一与该密闭室的上部连通的冷热源给排装置，在每个该待测电子产品内部的印刷电路板上布置有若干根热电偶；振动应力加速计和热电偶与一测试控制计算机电连接。本发明还公开了一种采用上述用于电子产品的高加速寿命试验系统的方法。本发明可以有效侦测出电子产品的缺陷，提升可靠性，为后期进行高加速应力筛选试验提供应力类型筛选和应力量级设定的依据。

Description

用于电子产品的高加速寿命试验系统及其方法

技术领域

本发明涉及电子产品的可靠性设计，特别是涉及一种用于电子产品的HALT(Highly Accelerated Life Test，高加速寿命试验)系统及其方法，适用于电子产品的PCBA(Print Circuit Board Assembly，印刷电路板)前期设计阶段的热应力和振动应力的可靠性设计。

背景技术

电子产品在样品设计阶段进行可靠性设计是非常有必要的。可靠性测试通常采用HALT(Highly Accelerated Life Test，高加速寿命试验)，其能够找出产品在前期设计上的缺陷，然后再改进设计，提高可靠性指标，进而降低产品在客户手上出现故障的几率。

所谓高加速寿命试验(HALT)是一种发现缺陷的工序，它通过设置逐级递增的加严的环境应力来加速暴露试验样品的缺陷和薄弱点，而后对暴露的缺陷和故障从设计、工艺和用料等诸方面进行分析和改进，从而达到提升可靠性的目的。其最大的特点是设置高于样品设计运行限的环境应力，从而使暴露故障的时间大大短于正常可靠性应力条件下的所需时间。

对于电子产品设计样品阶段的可靠性测试设计主要以热应力测试、振动应力测试、湿度测试等为主，当然还包括盐雾、尘沙等。根据设计方对产品的重视程度及其设计能力，进行热应力和振动应力等方面的测试时通常有两类：一、对样品不上电开机不加热电偶和振动加速计；二、对样品上电开机加热电偶和振动应力加速计。但第二类方式中热电偶和振动应力加速计所加位置不是在核心器件和易失效元器件附近，如加在样品外壳上，这样就很难监测出可靠性的阈值，提升产品的可靠性指标。

随着用户对电子产品可靠性要求的提高，在使用的过程中产品须承受各种应力不至于失效，必须在前期设计阶段充分考虑可靠性设计，结合各种可靠性测试技术及时找出设计、工艺、原料上的缺陷。因此，必须在提升可靠性的过程中：上电开机、施加热电偶来侦测热设计的缺陷、施加振动加速计来侦测结构及制程设计上的缺陷、增加湿度计来检测产品对湿度的耐受程度。并且保证热电偶和振动加速计的有效性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术在短时间内无法有效地监测出可靠性的阈值、提升产品的可靠性指标的缺陷，提供一种用于电子产品的高加速寿命试验系统及其方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于电子产品的高加速寿命试验系统，包括一密闭室和若干待测电子产品，其特点在于，所述系统还包括：

一振动应力测试系统，包括一设置于所述密闭室内的振动台，所述振动台上固定一安装有所述待测电子产品的测试夹具，并在每个所述待测电子产品内部的印刷电路板上布置有若干个振动应力加速计；

一热应力测试系统，包括一与所述密闭室的上部连通的冷热源给排装置，在每个所述待测电子产品内部的印刷电路板上布置有若干根热电偶；

所述振动应力加速计和所述热电偶与一测试控制计算机电连接。

本发明将安装了热电偶和振动应力加速计的待测电子产品放置于密闭室中，通过施加热应力和机械振动应力于待测电子产品的印刷电路板上，根据设计的应力曲线来进行可靠性测试。

在同一个高加速寿命试验系统中叠加热应力测试系统和振动应力测试系统，可以更容易暴露产品设计上的缺陷和产品寿命问题，特别是一些单一应力的可靠性试验不易暴露的缺陷。经过该系统试验的电子产品大大提高了可靠性。

较佳地，所述待测电子产品包括水平布置的待测电子产品和垂直布置的待测电子产品。

较佳地，所述待测电子产品为4个水平布置的待测电子产品和4个垂直布置的待测电子产品。

待测电子产品采用水平布置和垂直布置相结合的方式，可以更好的找出应力阀值点，且更好地模拟客户的使用场景。

较佳地，在所述冷热源给排装置的一管道出风口处设置一控制热电偶。

较佳地，在所述振动台的底面中心点处至少设置一控制加速计。

所述控制热电偶和所述控制加速计的设置可以有效侦测到系统设置的热应力值，通过其与实际测得的待测电子产品应力值来判断待测电子产品的缺陷。

较佳地，所述热电偶和所述振动应力加速计设置在所述印刷电路板上的贴片区域。

所述贴片区域为振动敏感的地方，如晶体振荡器、CPU、南北桥芯片、图形加速器芯片等等。

较佳地，每个所述热电偶设置在对应的所述待测电子产品内的存储芯片和通风口中间；每个所述振动应力加速计设置在对应的所述待测电子产品内的CPU处理器散热支架的一定位角处。

上述两个设置位置为热应力和振动应力集中的地方，在该处设置热电偶和振动应力加速计可以提高侦测的准确率。

较佳地，每个所述振动应力加速计的剖面贴合于对应的所述待测电子产品内的印刷电路板上。

因为，CPU是整个待测电子产品的重要器件，在实际过程中常因振动等原因导致散热器松动，CPU散热性能急剧下降，使得整个产品的可靠性降低。将振动应力加速计剖面完全贴在印刷电路板上，且尽可能保证垂直于印刷电路板，可以更为真实地侦测出待测电子产品内部印刷电路板上的振动应力值。

较佳地，所述热应力测试系统采用冷热冲击的方式，和/或所述振动应力测试系统采用三维方向随机振动的方式。

通常，热应力的设计有两大类：恒定温值和冷热冲击。优选地，采用冷热冲击，其可以提高产品的热应力筛选度，减少试验成本投入和筛选对产品寿命的影响。本发明中的高温应力通过外部的电热丝发热将热能由冷热源给排装置吹到所需的应力施加点，冷应力通过外部的液化氮气致冷将冷气由冷热源给排装置吹到所需的应力施加点。根据预先定义的应力曲线，热应力测试涉及的几个主要参数是高温峰值、低温峰值、持续时间、峰峰值的斜率值等。

此外，振动应力包括单方向振动、正旋波振动、三维方向随机振动等，根据现场应用环境，以三维方向随机振动居多。优选地，采用三维方向的随机振动应力，其可以提高筛选效果，减少试验成本投入。应力的值通过振动加速计来侦测。振动应力曲线的设置涉及的主要参数有峰值，持续时间、峰峰值的斜率值等。

本发明还提供了一种用于电子产品的高加速寿命试验方法，其特点在于，其采用上述高加速寿命试验系统，所述方法包括以下步骤：

S₁、根据所述待测电子产品来设计热应力曲线和振动应力曲线；

S₂、检验所述高加速寿命试验系统的热应力测试系统和振动应力测试系统是否正常运行；

S₃、开启所述测试控制计算机，启动所述高加速寿命试验系统；

S₄、所述测试控制计算机读取所述热电偶、所述振动应力加速计、所述控制热电偶及所述控制加速计测得的应力值，并将所述应力值分别生成对应的应力曲线。

较佳地，所述步骤S₂中还包括以下步骤：

S₂₁、所述测试控制计算机采集校验样品的应力值；

S₂₂、判断采集的所述应力值生成的应力曲线是否与所述校验样品的应力设计曲线一致；若否，则所述高加速寿命试验系统应力失效，进入步骤8₂₃；若是，则进入步骤8₂₄；

S₂₃、对所述高加速寿命试验系统进行应力校正，并返回步骤S₂₁；

S₂₄、在所述高加速寿命试验系统内固定所述控制热电偶、所述控制加速计；并在所述待测电子产品内固定所述热电偶和所述振动应力加速计。

较佳地，所述步骤S₂₂中的应力失效包括热应力失效和/或振动应力失效。

较佳地，所述步骤S₃中还包括以下步骤：启动所述热应力测试系统和所述振动应力测试系统，通过所述冷热源给排装置和所述振动台同时对所述待测电子产品施加热应力及振动应力。

较佳地，所述步骤S₄之后还包括以下步骤：

S₄₁、将生成的实时应力曲线与设计的热应力曲线、振动应力曲线进行对比；

8₄₂、查看所述待测电子产品是否有缺陷；若是，则记录应力的阈值点；若否，则修改所述生成的应力曲线，扩大操作阈，并返回步骤S₃。

本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：本发明将HALT设备、装有热电偶和振动应用加速计的待测电子产品和运行应力曲线并接受HALT设备数据的测试电脑有机地结合起来，实现了将热应力和机械振动应力同时施加在待测电子产品内部的印刷电路板上，从而侦测出待测电子产品在设计前期阶段的缺陷和工艺缺陷，进而修改设计和改善工艺流程，提升产品的品质。本发明可以有效侦测出电子产品的设计、工艺、用料等缺陷，达到提升产品的可靠性。同时也为后期阶段进行HASS(Highly Accelerated Stress Screen，高加速应力筛选)试验提供应力类型筛选和应力量级设定的依据。

附图说明

图1为本发明用于电子产品的高加速寿命试验系统的结构示意图。

图2为本发明中根据待测电子产品设置的热应力和振动应力曲线图。

图3为本发明用于电子产品的高加速寿命试验方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明高加速寿命测试系统1包括一振动应力测试系统和一热应力测试系统。高加速寿命测试系统1具有一密闭室11，振动应力测试系统和热应力测试系统的部件均设置于密闭室11内。

其中，振动应力测试系统包括一设置于密闭室11内的振动台12，在振动台12上固定有一测试夹具(图中未示)，通过该测试夹具可以牢牢固定各个待测电子产品13。在每个待测电子产品13内部的印刷电路板上布置若干个振动应力加速计(图中未示)。

优选地，待测电子产品包括水平布置的待测电子产品和垂直布置的待测电子产品。例如，在该测试夹具上安装8个待测电子产品。其中，4个待测电子产品水平放置，4个待测电子产品垂直放置。这样设置的目的是为了充分模拟客户在使用的过程中产品的状态，同时侦测出的应力值也会有差异，能够更好地找出应力阀值点。

热应力测试系统包括一与密闭室11的上部连通的冷热源给排装置14，作为制冷液态氮气的入口及施加热应力时的排风口。在每个待测电子产品13内部的印刷电路板上布置有若干根热电偶(图中未示)。将所有的振动应力加速计和热电偶与一测试控制计算机15电连接，实现对HALT(高加速寿命试验)系统的控制及进行数据交互。

其中，测试控制计算机中安装有控制HALT(高加速寿命试验系统)运作的软件，其与整个系统通过通讯电缆进行数据交互，主要是将热电偶和振动应力加速计进行ADC(Analog-Digital Converter，模拟数字转换器)转换来的高精度数据通过曲线实时地反映在测试电脑屏幕上。进一步地，在该运行软件上，用户可结合各种参数设置自己的应力曲线图，离线运行时设置具体地运行环境，如采样精度，保存日志记录等。

热应力系统对待测电子产品13施加热应力时，将液化氮气及电热丝产生的热气从冷热源给排装置14输入，经管道流向待测电子产品内部的印刷电路板。然后通过热电偶得到此处热应力值。

进一步地，所述热电偶和所述振动应力加速计设置在所述印刷电路板上的贴片区域，即对热应力和振动应力比较敏感的区域，如晶体振荡器、CPU、南北桥芯片、图形加速器芯片等等。

具体地，每个所述热电偶设置在对应的所述待测电子产品内的存储芯片和通风口中间，如离存储芯片2厘米处。所述热电偶探测金属头应当悬空，热电偶的线缆拉直，然后用热溶胶固定在印刷电路板上。

每个所述振动应力加速计设置在对应的所述待测电子产品内的CPU处理器散热支架的一定位角处。优选灵敏度高的平头加速计，并采用502液体胶粘在印刷电路板上。

更进一步，每个所述振动应力加速计的剖面完全贴合于对应的所述待测电子产品内的印刷电路板上，且尽可能保证垂直于印刷电路板。这是由于CPU是整个待测电子产品的重要器件，且在实际过程中常因振动等原因导致散热器松动，CPU散热性能急剧下降，使得整个产品的可靠性降低。因此，上述设置方式可以更真实地侦测出待测电子产品内部印刷电路板上的振动应力值。

此外，在所述冷热源给排装置的一管道出风口处(靠近待测电子产品的散热风口)设置一控制热电偶(图中未示)。控制热电偶无论安装在水平放置的待测电子产品的热应力进气口，还是安装在垂直放置的待测电子产品的热应力进气口，均可侦测到系统设置的热应力值，此处选择安装在垂直放置的待测电子产品的热应力进气口。

进一步，在所述振动台的底面中心点处至少设置一控制加速计。而控制加速计可安装一个或多个，安装多个的情形是在振动台的每个振动源处安装一个应力加速计；安装一个的情形是安装在振动台的底面中心点处，因为中心点处应力值最均匀，能较好地反映振动台的机械应力。本发明中只采用一个控制加速计。

当然，上述热应力测试系统采用冷热冲击的方式，而振动应力测试系统采用三维方向随机振动的方式。冷热冲击方式有利于提高产品的热应力筛选度，减少试验成本投入和筛选对产品寿命的影响。三维方向随即振动的方式有助于提高筛选效果，减少试验成本投入。

如上所述，HALT(高加速寿命试验)的主要目的是通过系统地施加工作应力和逐步增大的环境应力，来激发故障、暴露产品设计中的薄弱环节，从评价产品设计的可靠性。该方法可以为开发人员改进产品设计方案提供依据，以对产品设计缺陷进行及时的修正。

如何有效地施加应力则是整个高加速寿命试验过程的关键，因此本发明采用热应力和振动应力相叠加的方式，热应力施加点不是在产品外部，而是在其工作时相应印刷电路板相对热应力比较集中的地方。振动应力矢量采用的是三维全角度方向，加速计施加在受振动敏感的地方。通过这种方式能更准确快速地找到产品的疲劳受损点，尽早暴露产品设计缺陷，改进设计，提升品质。

如图2、图3所示，本发明还提供了采用上述用于电子产品的高加速寿命试验系统的方法，其包括以下具体步骤：

步骤100，根据所述待测电子产品来设计热应力曲线和振动应力曲线。

如图2所示，通过控制热电偶和控制加速计，测试控制计算机得到根据待测电子产品设置的一个热应力和振动应力设置曲线。曲线2为控制热电偶的设置曲线，曲线3为安装在振动台底面中心点的控制加速计的设置曲线。其中，横轴代表时间，纵轴代表温度和振动的应力值。曲线2从室温20℃开始，两分钟后施加冷应力到-20℃，然后维持15分钟升到热应力60℃，持续20分钟后又下降。如此往复，最后回到室温。曲线3从应力0Grms经2分钟后升到峰值15Grms，维持30分钟后将到0Grms，后又升到10Grms。如此往复，最后回到0Grms。热应力曲线2和振动应力曲线3需同步进行。

其中，热应力设计参数有整个曲线运行时间、高低温峰值数、各高低温峰值持续时间、冷热冲击的斜率Δ℃/s。机械振动应力设计参数有整个曲线运行时间、各应力峰值数、各应力持续时间、振动频率带宽设置、振动应力冲击斜率ΔGrms/s。此外，应力曲线的设计须参考待测电子产品中所有电子元器件标称的冷热应力及机械振动应力参数。

步骤101，所述测试控制计算机采集校验样品的应力值。

步骤102，判断采集的所述应力值生成的应力曲线是否与所述样品的应力设计曲线一致；若否，则进入步骤103；若是，则进入步骤104。

步骤103，对所述高加速寿命试验系统进行应力校正，并返回步骤101。

上述步骤101至步骤103是对高加速寿命试验系统的校验过程。这样可以有效确保设备正常运行。其中，应力失效包括三种情况：热应力失效、振动应力失效、热应力和振动应力均失效。

当热应力失效时，查看热电偶是否固定好、发热系统是否正常、致冷液氮是否泄露、AD(模拟信号和数字信号)转换的容限是否设置正确等。当振动应力失效时，查看振动加速计是否固定好、AD转换的容限是否设置正确等。同时也可联系设备供应商获取支持。

步骤104，在所述高加速寿命试验系统内固定所述控制热电偶、所述控制加速计；并在所述待测设备内固定所述热电偶和所述振动应力加速计。

步骤105，启动所述热应力测试系统和所述振动应力测试系统。

步骤106，通过所述冷热源给排装置和所述振动台同时对所述待测设备施加热应力及振动应力。

步骤107，所述测试控制计算机读取所述热电偶、所述振动应力加速计、所述控制热电偶及所述控制加速计测得的应力值。

步骤108，所述测试控制计算机将所述应力值分别生成对应的应力曲线。

启动HALT(高加速寿命试验)系统，通过冷热源给排气装置施加热应力，并通过振动台施加机械应力。安装在待测电子设备内部的热电偶和加速计侦测到应力值，然后将应力值通过通讯设备卡传给测试控制计算机，从而在显示终端上显示出实时的应力曲线图。

步骤109，将生成的实时应力曲线与设计的热应力曲线、振动应力曲线进行对比。

步骤110，查看所述待测设备是否有缺陷；若是，则进入步骤111；若否，则进入步骤112。

步骤111，记录应力的阈值点。

步骤112，修改所述生成的应力曲线，扩大操作阈。

综上所述，本设计方法不同于施加单一应力的可靠性试验，相互叠加不同应力能更容易暴露产品设计上的缺陷和产品寿命。单一应力的可靠性试验不容易暴露缺陷，通常会耗费很大地人力物力才能找出产品的应力阈值点。

此外，本设计方法所采用的测试手段不是判断产品成败为目的，而是提早找出产品的设计缺陷，修改设计，提升产品品质。本发明具有以下独有的优点：

1)可靠性“盆浴曲线”后段得到延伸

单一应力的可靠性试验只能降低“盆浴曲线”的早期失效率，也就是降低在制造过程中工艺故障导致的失效，而对“盆浴曲线”的后段耗损失效作用不明显。本发明发通过施加混合应力的方式有效地扩张了“盆浴曲线”的后段，使耗损失效率得到降低，提高产品的可靠性，延长了产品使用寿命。

2)缩短产品测试时间、降低产品全寿命周期费用

单一应力的可靠性试验周期比较长，要长时间运行才能找到产品的应力阈值点，也耗费了大量物力。在产品内部印刷电路板上施加混合应力方式的HALT(高加速寿命试验)能很快早到产品的应力阈值点，缩短了产品测试时间。同时通过修改设计提升产品品质后，降低了耗损的失效率，也极大地减少了后期产品维护费用。

3)应力阈值点可靠，为HASS(Highly Accelerated Stress Screen高加速应力筛选)提供准确应力类型和量级

高加速应力筛选如果采用单一应力意义不大，需要结合温度循环应力和振动应力。单一应力的HALT(高加速寿命试验)得到的应力阈值点在HASS(高加速应力筛选)试验时不具指导性，因为单一应力的阈值点不具有线性叠加性。而采用混合应力方式的HALT(高加速寿命试验)得到的应力阈值点与各子应力阈值点具有非线性关系，应力阈值点可靠，为高加速应力筛选试验提供了准确应力类型和应力量级。

此外，上述HALT(高加速寿命试验)、HASS(高加速应力筛选)、PCBA(印刷电路板)及CPU(中央处理器)均为本领域技术人员熟知的专业术语，此处不再做赘述。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于电子产品的高加速寿命试验系统，包括一密闭室和若干待测电子产品，其特征在于，所述系统还包括：

一振动应力测试系统，包括一设置于所述密闭室内的振动台，所述振动台上固定一安装有所述待测电子产品的测试夹具，并在每个所述待测电子产品内部的印刷电路板上布置有若干个振动应力加速计；

一热应力测试系统，包括一与所述密闭室的上部连通的冷热源给排装置，在每个所述待测电子产品内部的印刷电路板上布置有若干根热电偶；

所述振动应力加速计和所述热电偶与一测试控制计算机电连接。

2.如权利要求1所述的高加速寿命试验系统，其特征在于，所述待测电子产品包括水平布置的待测电子产品和垂直布置的待测电子产品。

3.如权利要求2所述的高加速寿命试验系统，其特征在于，所述待测电子产品为4个水平布置的待测电子产品和4个垂直布置的待测电子产品。

4.如权利要求1-3任意一项所述的高加速寿命试验系统，其特征在于在所述冷热源给排装置的一管道出风口处设置一控制热电偶。

5.如权利要求1-4任意一项所述的高加速寿命试验系统，其特征在于，在所述振动台的底面中心点处至少设置一控制加速计。

6.如权利要求1-5任意一项所述的高加速寿命试验系统，其特征在于，所述热电偶和所述振动应力加速计设置在所述印刷电路板上的贴片区域。

7.如权利要求6所述的高加速寿命试验系统，其特征在于，每个所述热电偶设置在对应的所述待测电子产品内的存储芯片和通风口中间；每个所述振动应力加速计设置在对应的所述待测电子产品内的CPU处理器散热支架的一定位角处。

8.如权利要求7所述的高加速寿命试验系统，其特征在于，每个所述振动应力加速计的剖面贴合于对应的所述待测电子产品内的印刷电路板上。

9.如权利要求1所述的高加速寿命试验系统，其特征在于，所述热应力测试系统采用冷热冲击的方式，和/或所述振动应力测试系统采用三维方向随机振动的方式。

10.一种用于电子产品的高加速寿命试验方法，其特征在于，其采用如权利要求1-9任意一项所述的高加速寿命试验系统，所述方法包括以下步骤：

S₁、根据所述待测电子产品来设计热应力曲线和振动应力曲线；

S₂、检验所述高加速寿命试验系统的热应力测试系统和振动应力测试系统是否正常运行；

S₃、开启所述测试控制计算机，启动所述高加速寿命试验系统；

S₄、所述测试控制计算机读取所述热电偶、所述振动应力加速计、所述控制热电偶及所述控制加速计测得的应力值，并将所述应力值分别生成对应的应力曲线。

11.如权利要求10所述的高加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤S₂中还包括以下步骤：

S₂₁、所述测试控制计算机采集校验样品的应力值；

S₂₂、判断采集的所述应力值生成的应力曲线是否与所述校验样品的应力设计曲线一致；若否，则所述高加速寿命试验系统应力失效，进入步骤S₂₃；若是，则进入步骤S₂₄；

S₂₃、对所述高加速寿命试验系统进行应力校正，并返回步骤S₂₁；

S₂₄、在所述高加速寿命试验系统内固定所述控制热电偶、所述控制加速计；并在所述待测电子产品内固定所述热电偶和所述振动应力加速计。

12.如权利要求11所述的高加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤S₂₂中的应力失效包括热应力失效和/或振动应力失效。

13.如权利要求10所述的高加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤S₃中还包括以下步骤：启动所述热应力测试系统和所述振动应力测试系统，通过所述冷热源给排装置和所述振动台同时对所述待测电子产品施加热应力及振动应力。

14.如权利要求10所述的高加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤S₄之后还包括以下步骤：

S₄₁、将生成的实时应力曲线与设计的热应力曲线、振动应力曲线进行对比；

S₄₂、查看所述待测电子产品是否有缺陷；若是，则记录应力的阈值点；若否，则修改所述生成的应力曲线，扩大操作阈，并返回步骤S₃。

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