可靠性强化试验技术及其应用与展望
作者 | 王超，杜学梁
摘要：在产品研制短周期、低成本的发展趋势下，研制阶段的薄弱环节和制造阶段的工艺缺陷若未充分暴露并加以消除，将影响产品的现场使用寿命与可靠性。本研究对故障激发和产品失效原理进行分析，总结了高加速寿命试验和高加速应力筛选的实施与意义，并介绍了可靠性强化试验技术的工程应用并进行展望，旨在探讨可靠性强化试验技术在高可靠、长寿命产品研制中的应用。研究表明，可靠性强化试验技术在产品研制和生产阶段的应用为产品固有可靠性的实现提供保障。本研究有助于产品设计人员更好地认识和应用可靠性强化试验技术。
关键词： 可靠性强化试验；高加速寿命试验；高加速应力筛选；故障激发
基金项目： 四川省级科技计划项目(25KPZP0059)
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概述
随着科技进步与发展，工程实际对系统、设备、部件等（以下统称为产品）的可靠性要求越来越高。“完美无瑕”的产品在寿命周期内不可能出现故障，显然这极为理想且不切实际。即便不受设计与制造水平的限制，且使用符合规范，在研制经费有限的条件下，“完美无瑕”的产品在研制、试验验证以及工程分析等阶段所产生的费用在经济上也是难以承受的。因此，与工程实际更贴切的产品是技术可行、经济适用的“稍有瑕疵”产品，即产品在使用时会发生失效。产品的可靠性越高，发生失效的概率越小，失效次数越少。因此，为了尽可能降低产品失效概率，设计者、制造者以及使用者在产品寿命周期各阶段开展各类可靠性工作，以保证产品的高可靠水平。
作为产品可靠性增长、评估、验证的重要手段，可靠性试验贯穿产品寿命周期各阶段。其中，可靠性强化试验（Reliability Enhancement Testing, RET）通过逐步提高施加在产品上的环境应力与工作应力，快速地将产品设计缺陷与薄弱环节激发为故障，并对故障原因、故障机理进行分析，以便改进设计与工艺，消除薄弱环节。
美国Hobbs博士在使用术语“设计强化”与“增强的环境应力筛选”几年后，于1988年提出高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Testing, HALT）与高加速应力筛选（Highly Accelerated Stress Screening, HASS）。HALT与HASS自提出以来，广泛应用于航空航天、电子信息以及汽车等行业，并取得不错的成效。例如，波音公司在上世纪90年代成功将HALT技术应用于军机研制，使美国在全球军备竞赛中仍保持领先地位。
随着技术发展与竞争加剧，高可靠产品与低成本、短周期研制的矛盾不断加剧。因此，在产品研制与生产阶段，正确应用HALT与HASS技术是解决上述矛盾的重要途径。但当HALT与HASS技术对产品可靠性提升取得显著成效时，相关成果被限制公开。一方面，出于市场竞争与商业保密等考虑；另一方面，HALT与HASS的实施有效地节省了费用。
对于产品精英与专业人士，正确理解并应用HALT与HASS技术并不难。但对于新手而言，正确理解并接受HALT与HASS需要从观念上进行转变。若粗浅地认为HALT是一种步进应力试验、HASS是提高应力的环境应力筛选，则在应用HALT与HASS时将会事倍功半。
因此，本研究从定义出发，结合产品的失效原因、失效机理、故障率等对HALT与HASS背后的原理进行阐述。此外，针对HALT与HASS的应用现状进行分析。
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可靠性强化试验理论基础
可靠性强化试验RET是HALT与HASS的统称，RET属于激发试验的范畴，其理论依据是故障物理学。HALT适用于研制阶段，实施HALT将产品潜在缺陷与薄弱环节激发为故障，从而使产品获得设计改进机会；HASS适用于生产阶段，实施HASS将产品工艺缺陷暴露为故障并加以消除，从而保证缺陷不随产品带入使用阶段。因此，应用HALT与HASS技术是为了改善产品的可靠性，而非定量评估其可靠性水平。换言之，通过HALT与HASS并不能验证产品的平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure, MTBF）等定量可靠性参数指标。
2.1 产品失效原因
当施加在产品上的载荷L大于强度S时，产品将会发生失效。因此，产品可靠度R可表示为：
式中 L——载荷（如温度、电流、振动等）
Pr(·)——某个时间发生的概率
S——产品强度。
产品失效概率为Pr=1-R，可用图1(a)中阴影部分（称为应力-强度干涉区域）面积表示。
产品失效通常分为两类：其一为过载失效，当施加在产品上的载荷提高时，即图1(a)中的应力曲线右移，如图1(b)所示，导致产品失效概率增大，失效次数增加；其二为耗损失效，随着产品使用，老化、疲劳等因素将导致产品强度降低，即图1(a)中的强度曲线左移，如图1(c)所示，导致产品失效概率增大，失效次数增加。
由此可见，产品失效概率取决于载荷-强度干涉区域的面积。因此，在产品研制阶段，可通过施加较大载荷，获得足够的产品失效信息，并开展失效机理分析，为产品的可靠性设计优化提供依据，最终获得健壮产品。如图1(d)所示，健壮设计后产品的干涉区域面积近似为零，即产品在正常载荷水平下具有极高的可靠性。上述过程即为可靠性强化试验的基本思想。
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)应力强度干涉模型 (b)应力提高导致故障概率增大 (c)强度降低导致故障概率增大 (d)降低干涉区域面积
图1 载荷-强度模型
2.2 产品失效机理
产品在使用过程中，重复的应力加载不可避免地会对其造成损伤。当施加的应力造成产品永久性的、不可逆转的损伤，且该损伤累积达到产品的耐久极限时，产品将会发生失效。例如，结构疲劳裂纹生长与滚珠轴承磨损等。
工程实践表明，损伤和耐久极限并非一个确定的值。产品个体之间的差异以及不同的初始条件会导致损伤累积速率的不同。同一型号产品，由于材料强度等变化速率的差异，其耐久极限也存在一定的随机性。在某应力下，产品的失效、累积损伤、耐久极限以及寿命（如失效时间、循环次数、里程等）之间的关系如图2所示（假设耐久极限是恒定的）。通过对累积损伤与耐久极限交点的分析，可获得产品的失效密度函数。
图2 累积损伤模型
可靠性强化试验是通过提高所施加的应力水平开展的试验。施加较大应力不仅可以快速激发产品故障，还可获得产品的应力极限信息。累积损伤模型可用于解释施加较大应力的可行性，该模型认为在不改变失效机理的前提下，通过提高试验应力水平来加速累积损伤过程，可在短时间内获得与常规应力条件下等效的累积损伤效果。在任何情况下，只有当累积损伤超过材料的耐久极限时才会发生故障，如图3所示。
图3 提高应力对累积损伤的影响
2.3 产品故障率曲线
经典的浴盆曲线描述了故障率的三种形式：递减型、恒定型、递增型。递减型故障率一般在产品投入使用的早期出现，主要是产品制造等过程中引入的潜在缺陷没有得到充分暴露与消除，将在使用阶段演变为故障；随着故障的消除，故障率呈现递减的趋势。恒定型故障率是指产品的故障率与时间无关，产品故障是由过载或其他偶发因素造成的。递增型故障率一般在产品寿命末期出现，因磨损、疲劳、老化等物理化学因素导致产品最终失效，随着产品使用时间的增加，故障率呈递增趋势。其中，对于现代电子产品，其故障率曲线可能不符合典型浴盆形状，通常将其假设为恒定型。
显然，优质产品应具有较低的故障率与较长的使用寿命，而可靠性强化试验的实施则为实现上述目标提供了一种高效途径。通过实施可靠性强化试验并进行设计优化，产品的故障率曲线将发生如下变化：
（1）实施HALT并进行改进后，产品设计可靠性提高，偶发故障阶段的故障率下降。
（2）实施HALT并进行改进后，产品设计得以健壮，有效使用寿命增加，进入耗损故障阶段的时机后延。
（3）实施HASS后，生产阶段引入的缺陷得到消除，早期故障率下降。
综合以上三点，实施RET并经健壮设计后的产品故障率曲线如图4所示。
图4 浴盆曲线
由图4可知，HALT将浴盆曲线的底部向下推移，同时将耗损故障期向右推移。成功实施HALT技术后，产品可靠性水平得到提升，但通过HALT的结果并不能得知提升多少。相比于可靠性鉴定试验、可靠性验收试验与寿命试验等，HALT技术的目标是尽可能使产品故障率接近零，而不是精确度量其具体值。
2.4 加速应力的使用
在产品设计阶段，HALT使用加速应力的目的是以最少的时间发现并改进产品潜在缺陷与薄弱环节。产品的设计改进依赖于对故障模式与失效机理的分析，因此在HALT中，当潜在缺陷与薄弱环节激发为故障后，开展失效机理分析是最为重要的，而激发故障所施加的应力则不应受到过多的关注。
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高加速寿命试验
高加速寿命试验（HALT）是指在产品研制阶段，施加高于正常水平的步进应力，不断地找出产品的设计缺陷与薄弱环节并加以改进，提高产品固有可靠性，同时获得产品的应力极限信息。
步进应力是指逐步提高施加在产品上的应力，如图5所示。常用的应力包括温度、温变速率、湿度、振动、电压、电压循环等。特殊场景的产品所承受加的应力与其使用环境相关。例如，辐照环境下可施加辐照强度应力，海洋环境下可施加海水腐蚀应力等。在进行HALT方案设计时，应结合被试产品的特点，确定各应力量级下的驻留时间与应力增量，部分应力增量的推荐值如表1所示。
图5 典型步进应力试验剖面
表1 每种应力的推荐步长
应力极限有多种，如图6所示。其中，环境应力筛选施加的应力范围一般在设计极限上下限之间，工作极限与破坏极限通过HALT施加单一应力获得。需要注意的是，并非所有应力的应力极限上下限同时存在，例如振动应力仅有工作极限上限而无下限。
图6 产品应力极限
理论上，HALT施加的应力类型包括产品使用时所受的应力，但并非每种应力对激发故障都有显著效果。此外，实施HALT的目的是寻找可以改善产品设计或工艺的机会，因此除了施加单一应力外，HALT还可施加综合应力，且施加综合应力的效果往往比施加单一应力要好。例如，针对电子产品实施HALT时，包含了快速温变循环与振动步进综合应力试验。
通常HALT需多次进行，因为在产品经历试验、改进后，再试验时仍有可能暴露更多的缺陷。因此，利用设计或工艺改进后的产品再次进行试验十分必要，直到试验结果符合预期，或者经费、成本超过预期。
Hobbs总结性指出，HALT技术难以被接受的阻力主要有三种错误观念。第一种错误观念是抵制时间压缩的概念，认为HALT采用加速应力方式激发的故障未必会在正常应力水平下出现。造成这一错误观念的原因是对HALT技术的理论与目的理解不透彻。事实上，HALT技术的理论支撑之一是累积损伤模型，加速应力加快了损伤累积速率和故障激发，使得在研制周期有限的条件下快速对产品进行设计迭代。此外，相比于关注施加的应力，HALT更关注激发的失效模式与失效机理分析。
第二种错误观念是认为应用HALT技术进行健壮设计，意味着产品的设计与制造是超规范的，超规范产品的设计与制造所需的成本远高于满足规范要求的产品的成本。造成这一错误观念的原因是未考虑产品全寿命周期费用。如果仅考虑设计与制造，上述观点也许是对的，但忽略了三点有益效果：一是应用HALT技术缩短研制周期带来的效益，二是健壮设计将会提高产品的市场份额，三是健壮设计产品使用阶段的维修成本将会大幅降低。
第三个错误观念是质疑HALT技术如此强大，为什么没有得到广泛推广应用。造成这一错误观念的原因是已成功应用HALT技术的案例并未得到公开。实施HALT所产生的回报是巨大的，因此许多成功实施HALT的研究者、管理者为了保持技术领先地位，并不愿意公开实施HALT所获得的成果。这点从Hobbs博士签订的关于HALT工作的200多个保密协议中可以得到印证。
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高加速应力筛选与筛查
高加速应力筛选（HASS）用于对批生产产品进行100%筛选。所施加的应力通过HALT的应力极限进行确定，且往往高于产品正常使用下的应力水平。
实施HASS包括以下四项工作：剖面设计、安全性验证、有效性验证以及HASS实施，通常以HALT的结果作为输入。剖面设计包括应力类型、应力量级、驻留时间以及应力施加顺序等。HASS安全性是指在所使用的筛选剖面条件下，验证通过筛选的产品的剩余寿命是否满足用户要求。HASS有效性验证是指验证所实施的HASS确实能有效发现产品中的潜在工艺缺陷。HASS剖面经安全性验证与有效性验证后，即可用于对批产品开展100%的HASS。
实施HASS能够剔除有工艺缺陷的产品，但同时也使通过筛选的产品寿命被部分耗费。尽管经HALT技术充分消除了产品潜在的缺陷与薄弱环节，有效地改善了可靠性，产品在HASS中耗费的寿命微不足道，但产品还剩多少寿命是用户关心的，且所选的HASS剖面是否会对产品寿命造成不利影响仍需进行验证。换言之，应关注HASS实施后，产品寿命剩余多少，而不是HASS耗费了多少。但若对未开展HALT的产品开展HASS，通过筛选的产品寿命将被耗费太多而影响使用，且由于施加加速应力，导致部分合格产品因未通过筛选而被认定为不合格产品。
因此，需进行HASS安全性验证。最直接的HASS安全性验证是将少数几个通过筛选的产品投入使用，直至发生失效，以此评估筛选后产品的剩余寿命。当HALT效果显著时，该方法所需的时间是几年甚至几十年，最终无论产品经HASS后剩余寿命满足或不满足要求均已意义不大，唯一能证明的是HASS的剖面是否合理。因此，HASS安全性验证的一种可取方法是在几个产品上依据HASS剖面重复实施筛选，直到产品发生失效。此时，即可得到每个剖面下产品寿命消耗的百分比。例如，在第10个HASS筛选剖面试验结束时，产品发生失效，则产品经HASS后剩余寿命为90%。
上述过程仅能确定HASS耗费产品寿命的百分比，并不能证明其可靠性指标是否满足要求。因此，可将HASS筛选通过后的产品用于鉴定试验，若仍能通过鉴定，即认为产品经HASS筛选后的剩余寿命满足用户要求。
相比于安全性验证，HASS有效性验证实施较为困难。HASS有效性验证通常需将缺陷植入产品中，实施HASS以确定是否能将缺陷筛选出来。该方式在一定程度上是有用的，但当HASS施加的应力不足以将缺陷激发为故障时，则会据此得出所实施的HASS无效的错误结论。此外，缺陷植入方式与位置是否正确将直接影响有效性验证的结论，在HASS工作中，有效性验证并非必要。
HASS剖面经安全性验证与有效性验证（若有）后，即可用于对批产品的全数筛选。由于是100%的筛选，因此HASS适用于产品生产规模较小的阶段，如产品试制、小批量生产。对于大批量生产的产品，可在批产品中抽取样本代替全数实施HASS工作，即高加速应力抽查（HASA）。随着产品工艺水平得到有效控制，HASA可进一步减少甚至取消。
值得注意的是，只有在设计阶段实施HALT的产品才可以在生产阶段实施HALT或HASA。
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可靠性强化试验技术的应用与展望
HALT和HASS技术广泛应用于电子设备，并随着其应用与推广，形成了诸多规范与指南。例如GB/T 29309-2012和GB/T 32466-2015，是我国电工电子产品可靠性强化试验开展的重要依据文件。
5.1 典型电子产品的高加速寿命试验
电子设备的试验项目一般包括低温步进试验、高温步进试验、快速温变循环试验、振动步进试验、快速温变与振动步进综合试验，如图7所示（图中红色线段表示在该应力等级下产品发生失效，黑色线段表示在该应力等级下产品正常工作）。
图7 电子设备典型的HALT试验项目与顺序
以低温步进试验为例，产品发生失效后，将温度应力恢复至上一等级时，产品恢复工作，该温度值即为低温工作极限；继续步进地提高温度应力，直到产品再次发生失效，且温度恢复至低温工作极限时仍不能恢复工作，则所使用的最低温度应力即为低温破坏极限。
贺春等采用高加速寿命试验快速激发继电保护装置的设计薄弱环节，同时获得低温、高温、振动等应力极限信息，最后结合试验数据对继电保护装置的平均故障间隔时间（MTBF）进行评估。叶雪荣等设计了随机振动步进应力试验方案，开展LED灯的高加速寿命试验，获得其可靠性薄弱环节，支撑设计改进。鲍进等尝试将HALT技术推广应用至智能电表行业，选取市场主流的智能电表开展高加速寿命试验研究。除此之外，高加速寿命试验在导弹贮存延寿、智能传感器、显示器等领域均有应用。
5.2 非电子产品的高加速寿命试验
除电子产品外，HALT技术还广泛应用于机械、机电产品，如电磁阀、鱼雷、汽车等。需要注意的是，部分研究并未充分考虑机电、机械产品的失效模式和失效机理与电子产品的差异，在开展机电、机械产品可靠性强化试验时，仍按图7施加环境温度、振动应力等。
对于机电产品，由于其包含电子组件与机械组件，因此按照图7开展HALT在一定程度上可暴露电子组件的薄弱环节；但对于其中的机械组件以及机械产品，按部就班地应用该剖面难以充分暴露产品的薄弱环节，即使实施了HALT，产品可靠性也不一定得到改善。
HALT的目的是通过施加较大应力，快速将产品的设计缺陷与薄弱环节激发为故障。因此，凡是可能激发产品缺陷的应力都可作为HALT中施加的应力，包括但不限于环境温度、振动、使用电压、使用温度等。此外，并非所有的应力都有显著的故障激发效果，因此，针对不同的产品，需结合FMECA等识别出敏感应力作为HALT的应力。
5.3 可靠性强化试验技术应用前景
作为一种故障激发试验，可靠性强化试验在产品投入使用前主动将产品设计和制造缺陷暴露出来，避免将缺陷带到使用阶段。随着科技创新发展和新材料、新技术、新场景下的应用，产品在使用阶段越来越趋向于高可靠、长寿命、零故障的特点，可靠性强化试验技术是产品研制和生产阶段实现上述目标的重要途径。
当前短周期、低成本的研制要求将推动可靠性加速试验的发展与应用，在短时间内实现故障快速激发以及验证、检验产品的可靠性是未来发展的趋势。而可靠性强化试验不仅可以强化设计，提高产品的生存能力，还能获得产品的应力极限信息，为加速寿命试验的应力选择提供依据，确保加速寿命试验在不改变失效机理的条件下进行。
在当今商业、军事竞争激烈的环境下，可靠性强化试验技术的应用为企业带来的收益远高于其付出的代价。将产品缺陷在上市前识别、改进与剔除，避免产品上市后因召回带来的巨额赔偿和声誉损失。此外，产品质量与可靠性的提升也有助于企业占领更多的市场份额。未来，可靠性强化试验技术将是企业在产品研制、生产过程中提高竞争力的重要手段。
人工智能技术、数字化技术等的发展与应用，加快了重塑可靠性强化试验范式的进程，包括但不限于试验设备更新升级带来的试验能力和试验效率提升，以及计算机软件、监测仪器仪表的升级带来的数据分析能力提升。
基于以上分析，可靠性强化试验技术在产品研制、生产等阶段将发挥重要作用，为产品质量提升与可靠性增长提供有力支持。
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结语
高加速寿命试验将产品设计薄弱环节快速激发为故障，对其加以改进后提高产品固有可靠性；高加速应力筛选将产品制造缺陷快速识别并加以剔除，确保制造缺陷不引入产品使用过程。二者为产品的高可靠性设计及其应用提供高效的实现方法与检验手段，助力于在当前短周期、低成本的研制要求下实现产品高可靠、长寿命、零故障的目标。本研究对传统的高加速寿命试验和高加速应力筛选进行综述，但随着技术革新与理论发展，高加速寿命试验与高加速应力筛选技术不再是传统意义上的可靠性强化试验技术。未来，可靠性强化试验技术与人工智能、数字化等技术的结合将持续助力高可靠、长寿命产品的研制。
*本文节选自《阀门 · 学术版》2026年第4期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。