基于探测效果的测试分类方法研究

2021年5月14日
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摘要

在DFMEA探测度(D)评判表中,提到了新的测试分类方法,但新方法指向模糊,给从业者带了十分大的困扰。本文试图对基于探测度的测试分类方法进行探索和研究。

1  探测度(D)评判表适用的测试分类

为了掌握零部件,模块和整机的质量水平,验证产品是否满足预期的用途和功能要求,除了对失效造成的客户的影响进行评级(严重度Severity),也要对失效以及失效的原因进行预防,减低发生度(Occurrence),最终还必须进行一系列的测试,保证合适的探测度(Detection),从而达到优化设计,降低风险的目的。

在新版DFMEA的可检测度评级表中(表1),按照“探测方法的成熟度(测试程序的成熟是否验证过和测试时间在项目靠前还是靠后)”和“探测机会”两个维度来进行衡量。在“探测机会”中列出了三种测试类型:“通过测试”,“失效测试”和“老化测试”[1]。

可以从新的评级表看出,三种检查手段的效力是不一样的。如果是“通过测试”,则探测度的评级至少是4分,反过来,如果采用“老化测试",则探测度的评级则最多可以降低到2分,见表1。探测度评级越小,表明探测的效果越好,越能够揭露失效模式或者失效原因。

表1  根据探测方法成熟度和探测机会对探测度进行评级

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2  调查和溯源

测试的类型很多,从不同的角度出发,有不同的分类方法。根据测试的层次关系,可以分为材料测试,机械性能测试,电学性能测试,产品功能测试,环境可靠性测试等。根据测试的场地,可以分为现场测试,模拟场地测试和台架测试。根据样件的破坏情况,可以分为破坏性测试和无损检测。按照验证的阶段,可以分为DV设计验证和PV生产验证。根据开展测试的实验机构,可以分为客户测试,内部测试和第三方测试等。

DFMEA将测试手段分为通过测试,失效测试和老化测试。这三种测试方法之间究竟有什么样的联系和区别呢?手册并没有明确的定义,有必要进行进一步的探索和研究。

溯源FMEA的改版历史,发现这三种测试分类的提法,最早出现在“AIAG FMEA手册 2008年第4版”中。2019年,AIAG和VDA在发布合版的时候,作为妥协的产物,只借用AIAG三种测试分类的名称,却省略了说明,见表2。

表2  FMEA手册对于不同的测试类别的定义和说明

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在新版FMEA的作者做出进一步勘误和说明之前,比较合理的办法,是拓展使用“AIAG FMEA手册 2008年第4版”中的定义。

3  探测效果和典型案例

考察2008版本FMEA,发现对于测试分类的定义的可操作性仍然是很薄弱的。有必要做进一步地分析和归纳。研究证明,三种方法的聚焦点和数据完备程度不一样。数据越充分,探测效果更好,探测度就越好(得分就越低)。

3.1  通过测试(Pass-Fail Testing)

只测试和验证样件的功能,而不再进行任何延伸测试。如果样品通过测试,就判定为“通过”,如果没有通过测试,就判定为“不通过”。其判断逻辑见图1。

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图1  “通过测试”的判断逻辑

电通断测试是“通过测试”的比较典型的案例。电通断测试并不记录每一个回路的电阻,只测试回路电阻是否在阈值以下(阈值设置典型值:100欧姆),如果测试全部通过,就打印电测试合格标签,见图2。可以看出,阈值100欧是比较大的,有些线束缺陷根本测试不出来:例如电线的压接电阻过大(毫欧级别的变化),绝缘层的破损(需要加高压测试绝缘电阻)。

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图2  线束通断测试台和电测试通过后打印的合格标签

所以,“通过测试”的控制指向:产品的性能指标;“通过测试”的优点:快速进行符合性判断,衡量和评价;“通过测试”的缺点:定性分析,得到的数据少,比较难以开展进一步的产品改进。“通过测试”获得的数据:布尔类型(0,1)

3.2  失效测试(Test to Failure Testing)

样件需要经过持续加载测试或者加速测试,直到样品失效产生后,测试才停止。然后可以展开对故障的根本原因调查,如有必要,改进设计以消除原因。

3.2.1  持续增加载荷测试

载荷持续地增加,直到样件失效(出现裂缝,断裂,失去功能),考察其极限性能,见图3。

 

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图3  “失效测试”的判断逻辑1:持续增加载荷

拉力测试是“失效测试”的比较典型的案例。拉力持续增加载荷直到试棒断裂,见图4。 

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图4  金属试棒拉力测试

3.2.2  加速寿命测试

采用高于失效的载荷水平来进行循环加速测试,可以在比较少的循环中揭露系统中的瓶颈和发现失效形态,见图5。

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图5  “失效测试”的判断逻辑2:高度加速寿命测试

典型的示例测试包括:HALT(高度加速寿命测试HALT Highly Accelerated LifeTest)。HALT可能会检测出“裕度”大小、组件较弱等设计问题,见图6。HALT尤其在电子信息行业比较常见,因为电子产品的更新换代特别快,常规的寿命测试耗时太长,将可能错过抓住市场机会。

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图6  电子零件的HALT实验

“失效测试”的控制指向:载荷水平;“失效测试”的优点:能够快速发现系统中的弱点和失效形态,有利于开展产品改进;“失效测试”的缺点:破坏性试验,耗费样品费用;“失效测试”的获得的数据类型:少量数值。样品经过一段时间(或周期)的测试,并测量指定的关键特性,然后继续测试,并在一段时间(或测试周期)后再次测量相同的特性等等。它允许查看关键特性如何随时间/周期而变化的趋势——也就是“退化”,见图7。

3.3  老化测试(DegradationTesting)

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图7  “老化测试”的判断逻辑

根据USCAR 21 开展的压接加速环境暴露测试ENV(Accelerated Environmental Exposure Test),是一个比较典型的“老化测试”案例。短试样(图8)在经过热冲击循环和温湿度循环后,可以观察到压接电阻的变化趋势,见图9。

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图8  USCAR 21 ENV测试的试样

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图9  USCAR 21 ENV测试的结果

“老化测试”的控制指向:性能指标的变化趋势;“老化测试”的优点:此检测方法的排名比前两个更好,因为它在检测到样品特性的变化趋势;“老化测试”的缺点:时间比较长。“老化测试”的获得的数据类型:测试前中后的数值,数据量相对较多。

4  结语

FMEA作为提高质量,降低风险的工具,在工业企业中有着广泛的应用。新版DFMEA在2019年6月发布。它基于探测效果,对测试手段进行了区别于常规的分类。“通过测试”着力于产品的性能指标的直接量测,得到布尔逻辑数值(0=不通过,1=通过)。“失效测试”的控制焦点放在调整载荷水平,以期快速出现失效,找到系统的弱点来加以改进。老化测试持续测量和记录系列实验中的关键特性,得到更加完备的数值,它的探测效果比前两个更好,因为它能检测到样品的关键特性的变化趋势。明确FMEA三种测试方法的含义和典型案例,将有利于从业者更有有效地选择测试手段,更加明确的对探测度进行评分,从而降低设计风险。

来源:线束中国

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