การประเมินความทนทานของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนสำคัญของการออกแบบและประสิทธิภาพที่ประสบความสำเร็จ การทดสอบอายุการใช้งานที่เร่งความเร็วสูง หรือ HALT เป็นเครื่องมือทดสอบที่สำคัญสำหรับจุดประสงค์นี้ และสามารถเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดได้ด้วยการวางแผนอย่างรอบคอบก่อนการติดตั้งและการดำเนินการอย่างละเอียด

HALT คืออะไร?

HALT คือกระบวนการเพิ่มแรงกดดันให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อบังคับให้เกิดความล้มเหลวและค้นหาจุดอ่อนในการออกแบบและการก่อสร้าง โดยทั่วไปแล้ว แรงกดดันที่นำมาใช้มักจะเกินขอบเขตที่คาดการณ์ไว้ ทำให้สามารถค้นพบความล้มเหลวได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยให้วิศวกรสามารถปรับปรุงการออกแบบ ซ่อมแซมหรือเปลี่ยนชิ้นส่วนที่เสียหาย และลดต้นทุนการพัฒนาผลิตภัณฑ์ได้

ขั้นตอนการ HALT

การกำหนดความคาดหวังและคำสั่งที่ชัดเจนสำหรับการดำเนินการ HALT เป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่เริ่มต้นด้วยการนำวิศวกรออกแบบมารวมกันเพื่อ:

• พัฒนาแผนการทดสอบโดยอิงตามฟิสิกส์ความน่าเชื่อถือรวมถึงการทำความเข้าใจโหมดและกลไกของความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้น และการกำหนดวัตถุประสงค์อย่างชัดเจน
• กำหนดสภาพแวดล้อมที่คาดว่าจะเกิดขึ้น รวมถึงความเครียดที่เกี่ยวข้อง เช่น อุณหภูมิ การสั่นสะเทือน และแรงกระแทก
• กำหนดจำนวนอุปกรณ์ที่อยู่ระหว่างการทดสอบ (DUT) ที่สามารถใช้สำหรับการทดสอบ HALT โดยทั่วไปจะใช้ตัวอย่างหนึ่งถึงห้าตัวอย่าง
• เลือกการทดสอบฟังก์ชันที่จะดำเนินการระหว่างการทดสอบ เช่น อุปกรณ์ควรทำอะไร วงจรใดควรทำงาน และโค้ดและเซ็นเซอร์ใดควรรวบรวมข้อมูล
• ระบุพารามิเตอร์ที่จำเป็นต้องตรวจสอบตามการทดสอบฟังก์ชันและการใช้งานที่ต้องการ
• นิยามสิ่งที่ถือเป็นความล้มเหลว ซึ่งอาจรวมถึงการไม่ผ่านการทดสอบการทำงาน (มีการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องหรือเป็นระยะระหว่างการทดสอบ) การสังเกตเห็นความเสียหายทางกายภาพ การไม่สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง ฯลฯ
• พิจารณาใช้ ซอฟต์แวร์จำลองความน่าเชื่อถือ ในการจำลองการสั่นสะเทือนและโหลดความร้อนเพื่อให้สามารถสร้างแบบจำลองที่อาจเข้าถึงขีดจำกัด HALT ได้ 

ควบคู่ไปกับการพัฒนาโครงร่างพื้นฐาน จำเป็นต้องพิจารณาพื้นที่สำคัญสองด้าน

1. ความเครียดที่นำไปใช้ได้

เลือกความเครียดและระดับความเครียดที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบ HALT:

• การสั่นสะเทือน
• อุณหภูมิสูง
• อุณหภูมิต่ำ
• การกำหนดขอบเขตแรงดันไฟฟ้า/ความถี่
• การปั่นไฟ
• ความเครียดรวม (เช่น อุณหภูมิและการสั่นสะเทือน)

การเลือกระดับความเค้นที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับการใช้งานและสภาพแวดล้อมที่อุปกรณ์ทำงาน ส่วนที่สงสัยหรือบริเวณที่น่ากังวลภายในอุปกรณ์สามารถช่วยกำหนดระดับความเค้นที่จะใช้ในการทดสอบได้เช่นกัน

2. แนวทางการเน้นขั้นตอน

สำหรับความเครียดที่ตั้งใจแต่ละอย่าง ให้ระบุอย่างชัดเจน:

• จุดเริ่มต้นของความเครียด
• จำนวนเงินที่ต้องเพิ่มความเครียดตามที่ต้องการในแต่ละขั้นตอน
• ระยะเวลาในแต่ละขั้นตอน
• อุปกรณ์หรือขีดจำกัดของอุปกรณ์สำหรับความเครียดนั้น

โดยทั่วไปแล้ว ขีดจำกัดการทำงานและขีดจำกัดการทำลายของอุปกรณ์จะไม่เป็นที่ทราบก่อนการทดสอบ การทดสอบ HALT สามารถใช้เพื่อระบุสิ่งนี้ได้โดยใช้วิธีการวัดความเค้นแบบขั้นบันได หากเกิดความล้มเหลวระหว่างการตรวจสอบหรือการทดสอบการทำงาน ความเค้นจะลดลงในภายหลังจนกว่า DUT จะฟื้นตัวจากความล้มเหลว ความล้มเหลวนี้เรียกว่าขีดจำกัดการทำงาน เมื่อความเค้นเพิ่มขึ้นเกินขีดจำกัดการทำงานและ DUT ไม่สามารถฟื้นตัวได้หากไม่ได้รับการซ่อมแซม แสดงว่าถึงขีดจำกัดการทำลายแล้ว

การตั้งค่า HALT

สำหรับผลลัพธ์ที่แม่นยำ ต้องใส่ใจเป็นพิเศษกับการกำหนดค่า HALT:

• ออกแบบอุปกรณ์ตรวจจับการสั่นสะเทือนเพื่อให้แน่ใจว่าพลังงานการสั่นสะเทือนจะถูกส่งผ่านไปยังผลิตภัณฑ์
• ออกแบบท่อลมเพื่อให้แน่ใจว่าพลังงานความร้อนถูกส่งผ่านเข้าสู่ผลิตภัณฑ์ ซึ่งอาจรวมถึงการปรับเปลี่ยน DUT เพื่อให้อากาศไหลเวียนภายในอุปกรณ์ได้อย่างสะดวก
• ปรับห้องให้เหมาะกับตัวอย่างที่จะทดสอบ
• กำหนดตำแหน่งสำหรับเทอร์โมคัปเปิลและเครื่องวัดความเร่งเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิและความเร่งตามลำดับ
• ตั้งค่าอุปกรณ์ทดสอบการทำงานและสายเคเบิลทั้งหมด

การดำเนินการ HALT

HALT มีความครอบคลุมและครอบคลุมขั้นตอนการทดสอบหลายขั้นตอน โดยแต่ละขั้นตอนมีพารามิเตอร์เฉพาะที่ต้องปฏิบัติตาม 

ความเครียดแบบขั้นตอนความร้อน

การทดสอบความเครียดแบบขั้นบันไดตามความร้อนใช้ระดับความเครียดจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นตลอดวงจรชีวิตผลิตภัณฑ์เพื่อระบุโหมดความล้มเหลวของผลิตภัณฑ์

• เชื่อมต่ออุปกรณ์ทดสอบไฟฟ้าและฟังก์ชันเข้ากับ DUT อาจมีหรือไม่มีแรงเค้นเฉพาะผลิตภัณฑ์เพิ่มเติม ขึ้นอยู่กับการใช้งาน
• เริ่มด้วยการเน้นขั้นแบบเย็น ตามด้วยเน้นขั้นแบบร้อน
• ในระยะเริ่มต้น ให้ใช้ค่าเพิ่มขึ้นครั้งละ 10 °C จากนั้นลดลงเหลือ 5 °C เมื่อถึงขีดจำกัด
• ตั้งเวลาพักขั้นต่ำไว้ที่ 10 นาที บวกกับเวลาที่จำเป็นสำหรับการทดสอบการทำงาน การจับเวลาควรเริ่มต้นเมื่ออุณหภูมิที่ตรวจสอบบน DUT ถึงจุดที่ตั้งไว้
• ดำเนินการทดสอบต่อไปจนกว่าจะกำหนดขีดจำกัดการทำงานและการทำลาย หรือความเครียดสูงสุดตามที่กำหนดไว้ในแผนการทดสอบ

การปั่นจักรยานช็อกความร้อน

การช็อกความร้อนแบบวัฏจักร จะดำเนินการระหว่างขีดจำกัดการทำงานของ DUT ที่กำหนดไว้ข้างต้น ซึ่งจะทำให้ DUT มีการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนอย่างรวดเร็ว บางครั้งสูงถึง 60 องศาเซลเซียสต่อนาที หรือเร็วเท่าที่อุปกรณ์/ห้องทดสอบจะอนุญาต 

• เชื่อมต่ออุปกรณ์ทดสอบไฟฟ้าและฟังก์ชันเข้ากับ DUT อาจมีหรือไม่มีแรงเค้นเฉพาะผลิตภัณฑ์เพิ่มเติม ขึ้นอยู่กับการใช้งาน
• รักษาช่วงอุณหภูมิให้อยู่ระหว่าง 10 °C ต่ำกว่าขีดจำกัดการทำงานบนและ 10 ˚C เหนือขีดจำกัดการทำงานล่างที่กำหนดระหว่างการทดสอบความเค้นแบบขั้นบันได
• หากตัวอย่างไม่สามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงความร้อนสูงสุดได้ ให้ลดอัตราการเปลี่ยนแปลงลง 10 °C ต่อหนึ่งนาที จนกว่าจะพบอัตราที่อนุญาต
• ดำเนินการเปลี่ยนผ่านความร้อนและความเย็นอย่างต่อเนื่องโดยพักไว้ที่จุดสุดขั้วแต่ละจุดเป็นเวลา 10 นาที เป็นเวลาทั้งหมด 5 รอบ 

แรงสั่นสะเทือนขั้นบันได

การทดสอบความเค้นแบบขั้นบันไดการสั่นสะเทือนใช้ระดับความเค้นการสั่นสะเทือนที่เพิ่มขึ้นเพื่อระบุโหมดความล้มเหลวของผลิตภัณฑ์

• เชื่อมต่ออุปกรณ์ทดสอบกำลังไฟฟ้าและฟังก์ชันเข้ากับ DUT อาจมีหรือไม่มีแรงเค้นเฉพาะผลิตภัณฑ์เพิ่มเติม (เช่น การปิด-เปิดเครื่อง การกำหนดแรงดัน/ความถี่ของสาย ฯลฯ) ขึ้นอยู่กับการใช้งาน
• กำหนดค่ารากที่สองเฉลี่ยกำลังสอง (Grms) ของระดับ G โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 3-5 กรัมต่อผลิตภัณฑ์
• ตั้งค่าระยะเวลาการอยู่นิ่งขั้นต่ำที่ 10 นาทีบวกกับเวลาที่จำเป็นในการรันการทดสอบฟังก์ชัน
• ที่ระดับ 30 กรัมขึ้นไป ให้ทำการสั่นแบบ “จั๊กจี้” ระหว่างการสั่นที่ตั้งค่าไว้ การสั่นแบบจั๊กจี้จะทำที่ระดับ 5 กรัม ขณะทำการตรวจสอบการทำงาน
• ดำเนินการทดสอบต่อไปจนกว่าจะกำหนดขีดจำกัดการทำงานและการทำลาย หรือความเครียดสูงสุดตามที่กำหนดไว้ในแผนการทดสอบ

การทดสอบการสั่นสะเทือนและการช็อกความร้อนแบบผสมผสาน

ผสานผลการทดสอบและวิธีการเพื่อทดสอบผลิตภัณฑ์เพิ่มเติม 

• เชื่อมต่ออุปกรณ์ทดสอบกำลังไฟฟ้าและฟังก์ชันเข้ากับ DUT อาจมีหรือไม่มีแรงเค้นเฉพาะผลิตภัณฑ์เพิ่มเติม (เช่น การปิด-เปิดเครื่อง การกำหนดแรงดัน/ความถี่ของสาย ฯลฯ) ขึ้นอยู่กับการใช้งาน
• ใช้ขีดจำกัดการทำลายการสั่นสะเทือนและหารด้วย 5 เพื่อกำหนดขั้นตอนการเพิ่มที่แต่ละรอบความร้อนทั้ง 5 รอบสำหรับการทดสอบนี้
• ใช้ขีดจำกัดรอบการช็อกจากความร้อนและอัตราการเพิ่มระดับสำหรับรอบความร้อนทั้ง 5 รอบ
• ที่ระดับ 30 กรัมขึ้นไป ให้ทำการสั่นแบบ “จั๊กจี้” ระหว่างการสั่นที่ตั้งค่าไว้ (เพื่อแสดงโหมดความล้มเหลวที่ไม่ปรากฏชัดเจนภายใต้แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนสูงหรือสภาวะคงที่) การสั่นแบบจั๊กจี้จะดำเนินการที่ระดับ 5 กรัม ขณะทำการตรวจสอบการทำงาน

การตรวจสอบหลัง HALT และการวิเคราะห์ความล้มเหลว

เมื่อเสร็จสิ้นกระบวนการ HALT วิศวกรออกแบบจะมุ่งเน้นไปที่การหาสาเหตุหลักของความล้มเหลวทั้งหมดและดำเนินการแก้ไข ซึ่งอาจรวมถึงการระบุตำแหน่งที่เกิดความล้มเหลวและกลไกความล้มเหลวสำหรับแต่ละรูปแบบความล้มเหลว หลังจากนั้น จำเป็นต้องมีการตรวจสอบ HALT เพื่อประเมินว่าการปรับปรุงการทดสอบสามารถแก้ไขปัญหาได้หรือไม่