HALT i HASS w doskonaleniu jakości elektroniki

Wprowadzenie

Niezawodność urządzeń elektronicznych zależy od wielu wzajemnie powiązanych czynników. Do głównych z nich należą:

• Odpowiedni projekt urządzenia. W tej kwestii zalecam stosowanie zasad DFX, a w szczególności DFM, DFA oraz DFR. Warto także pamiętać, że kluczową metodą stosowaną w projektowaniu powinna być analiza FMEA konstrukcji, czyli DFMEA.
• Jakość komponentów elektronicznych. Właściwy dobór elementów oraz korzystanie z dostawców o ugruntowanej pozycji rynkowej
• Dobór materiałów. Istotne dla niezawodności są m.in.: rodzaj stopu lutowniczego (stop ołowiowy lub stop bezołowiowy), topnik, pasta lutownicza SMT itd. Często elektronikę dodatkowo zabezpiecza się poprzez lakierowanie, zalewanie lub uszczelnianie żywicami czy silikonami.
• Nadzór nad procesem produkcji. Bardzo ważne w przypadku lutowania elektroniki jest stosowanie odpowiedniego profilu lutowania SMT oraz lutowania na fali. Kolejny istotny aspekt to poprawne stosowanie kluczowych narzędzi i metod jakościowych, takich jak: PFMEA, plan kontroli, SPC, MSA itd.

Wdrożenie powyższych rozwiązań, szczególnie dla aplikacji krytycznych, które powinny spełniać wymagania trzeciej klasy IPC, może być dużym wyzwaniem.

Osiągnięcie wysokiej niezawodności bywa trudne, zwłaszcza gdy mamy do czynienia z niedoszacowanym marginesem projektowym (ang. design margin) lub z ukrytymi wadami komponentów, których standardowe testy funkcjonalne nie są w stanie wykryć.

W tym kontekście warto zapoznać się z dwiema ciekawymi metodami testowymi, które - jeśli odpowiednio wdrożone - mogą znacząco podnieść jakość produktów zarówno na etapie projektowania, jak i w trakcie późniejszej produkcji seryjnej. Te rozwiązania to:

• HALT - Highly Accelerated Life Testing
• HASS - Highly Accelerated Stress Screening

HALT i HASS można określić mianem technik "ekstremalnego testowania". Różnią się zakresem zastosowania i etapem cyklu życia produktu, jednak łączy je wspólny cel: zapewnienie najwyższej jakości elektroniki.

W niniejszym artykule przybliżymy ideę HALT i HASS oraz omówimy stosowane standardy.

Zapraszam do lektury.

Co to jest HALT?

HALT (Highly Accelerated Life Testing) to metoda przyspieszonego testowania, której celem jest szybkie zidentyfikowanie granic wytrzymałości projektowanego urządzenia. W przeciwieństwie do tradycyjnych testów niezawodnościowych, które symulują typowe warunki użytkowania przez dłuższy czas, HALT naraża prototypy na ekstremalne obciążenia środowiskowe i operacyjne w krótkim okresie - aż do momentu awarii. Ten typ testu w kontekście DFMEA określa się jako "test to failure".

Testy HALT obejmują:

• Ekstremalne temperatury: od bardzo niskich (np. -40°C) do bardzo wysokich (np. +100°C lub więcej) wraz z szybkimi cyklami zmian termicznych.
• Wibracje: losowe wibracje (6 stopni swobody) o narastającej amplitudzie
• Obciążenia elektryczne: cykle załączeń/wyłączeń, przeciążenia, skoki napięcia itd.
• Test łączony: Połączenie powyższych testów celem narażenia na skumulowany stres środowiskowy.

Typowy profil HALT (bez testów elektrycznych) obejmuje:[3]

1. Cooling stress - stopniowe obniżanie temperatury.
2. Heating stress - stopniowe podnoszenie temperatury.
3. Rapid thermal transition - seria szybkich zmian temperatury.
4. Vibration stress - testy wibracyjne ze stopniowym wzrostem amplitudy, bez zmian temperatury.
5. Combined environment - jednoczesne zastosowanie wibracji i szybkich zmian temperatury.

Poszczególne etapy HALT przedstawia poniższa animacja:

Kluczowym założeniem HALT jest doprowadzenie testowanego urządzenia do awarii - nie w celu symulacji rzeczywistego użytkowania, ale w celu identyfikacji słabych punktów projektu. Przykładowo: jeśli dane połączenie lutowane pęknie to inżynierowie mogą zmienić rodzaju wyprowadzenia na bardziej odporne na dany stres (np. na drgania).

HALT ma charakter iteracyjny: po wykryciu awarii i wprowadzeniu poprawek konstrukcyjnych, testy powinny być powtórzone, aby potwierdzić osiągnięcie zadowalającego poziomu niezawodności.

Co to jest HASS?

HASS (Highly Accelerated Stress Screening) to metoda stosowana podczas produkcji seryjnej. Bazuje na danych uzyskanych w trakcie testów HALT, jednak jej celem nie jest już doskonalenie projektu, lecz wykrywanie defektów produkcyjnych w gotowych urządzeniach.

HASS nie jest testem niszczącym. Wykorzystuje narażenia środowiskowe, które obejmują te same parametry co HALT (temperatura, wibracje, obciążenia elektryczne), ale w niższych granicach ustalonych wcześniej podczas HALT. Dzięki temu test nie prowadzi do uszkodzenia produktu, lecz pozwala ujawnić wyroby z ukrytymi wadami, takimi jak:

• Błędy montażowe.
• Wady materiałowe (np. defekty komponentów, połączeń lutowanych).

Typowo testowi poddaje się próbkę produktów z danej partii. W przypadku wystąpienia uszkodzeń, należy przeprowadzić analizę przyczyn i wdrożyć działania korygujące. Jeśli produkty przejdą test HASS pozytywnie, partia może zostać dopuszczona do dalszej dystrybucji.

Standardy

HALT i HASS nie są objęte jedną, kompleksową normą międzynarodową. Ich stosowanie opiera się na standardach branżowych. Do najważniejszych należą:

• IEC 62506 - ogólne zasady przyspieszonych testów niezawodnościowych, w tym HALT.
• IPC-9592 - wytyczne dotyczące projektowania i testowania zasilaczy, uwzględniające HALT i HASS.
• JEDEC JESD22 - normy dotyczące testowania komponentów elektronicznych (np. sekcja A110 - Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test).

W praktyce wiele firm opracowuje własne procedury HALT i HASS, dostosowane do charakterystyki ich produktów i środowiska pracy.

Podsumowanie

HALT i HASS to dwie kluczowe metody testów w DFR - pierwsza jest skoncentrowana na etapie projektowania, druga na etapie produkcji. HALT umożliwia inżynierom wykrycie słabych punktów projektu i ich eliminację przed wejściem produktu na rynek. Z kolei HASS pełni funkcję "filtra jakości", eliminując z procesu produkcji wyroby z potencjalnymi defektami.

Wdrożenie tych metod wymaga specjalistycznego sprzętu (komór klimatycznych, stołów wibracyjnych) oraz doświadczenia, jednak korzyści są wymierne: redukcja reklamacji, niższe koszty napraw, wyższa satysfakcja klienta.[1][2][3]. Takie podejście jest szczególnie istotne w przypadku produktów o zastosowaniach krytycznych, gdzie niezawodność jest absolutnym priorytetem.

Uważam, że wraz z postępującą miniaturyzacją i rosnącą złożonością urządzeń elektronicznych, techniki HALT i HASS mogą być adekwatną metodą testów w ramach procesu projektowania i produkcji niezawodnej elektroniki