HALT, HASS y HASA: técnicas de confiabilidad acelerada aplicadas a convertidores DC-DC

Introducción

Las pruebas aceleradas de vida y de estrés se aplican para reducir al mínimo, o eliminar, el proceso de burn-in en la fabricación de fuentes de poder sin comprometer la calidad del producto. Existen tres técnicas complementarias para lograrlo: HALT, HASS y HASA. Cada una corresponde a una etapa distinta del ciclo de vida del producto:

• HALT: se aplica en la etapa de diseño para encontrar y eliminar debilidades.

• HASS: se aplica al 100 % de la producción para precipitar y detectar defectos latentes de manufactura.

• HASA: se aplica a una muestra de la producción cuando el proceso ya es estable.

1. HALT (Highly Accelerated Life Test)

1.1 Origen y nomenclatura

El concepto de HALT ha crecido notablemente en las últimas décadas. Fue desarrollado por Gregg K. Hobbs a finales de los años ochenta como técnica de diseño. Está relacionado con el ESS (Environmental Stress Screening), aunque no deriva directamente de él: el ESS es un proceso de screening de producción, y su evolución directa es el HASS. HALT es la técnica de diseño que hace posible un HASS eficaz.

Según la empresa o el sector, HALT ha recibido distintos nombres, entre ellos:

• RET (Reliability Enhancement Test)

• STRIFE (Stress for Life), término usado originalmente en Hewlett-Packard

• ART (Accelerated Reliability Test)

• AST (Accelerated Stress Test)

Algunas organizaciones conservan su propio nombre por razones culturales, ya que la gerencia y el personal técnico se sienten más cómodos con la terminología que ya conocen. Sin embargo, no todas estas siglas describen exactamente el mismo proceso. Por ejemplo, un programa STRIFE puede no combinar temperatura y vibración simultáneamente, por lo que no sería equivalente a HALT.

Varios fabricantes lograron mejoras considerables en la calidad de sus productos durante los años noventa, aunque muchas otras compañías no consiguieron mejoras de confiabilidad comparables. Las empresas que alcanzan avances importantes con estos métodos a menudo publican poco o nada al respecto; afortunadamente, algunas comparten sus resultados públicamente.

1.2 Objetivo

HALT es un conjunto de pruebas escalonadas y destructivas cuyo objetivo no es solo provocar fallas, sino encontrar los márgenes del diseño. Para cada tipo de estrés se identifican dos límites:

• Límite de operación (OL): nivel de estrés en el que la unidad deja de funcionar correctamente, pero se recupera al reducir el estrés.

• Límite de destrucción (DL): nivel de estrés en el que la unidad sufre una falla permanente.

Cada falla encontrada se somete a análisis de causa raíz (RCA), se corrige el diseño y se repite la prueba. El ciclo continúa hasta que los límites alcanzan el límite fundamental de la tecnología empleada (componentes, materiales o proceso). Los límites así obtenidos son la base para definir el perfil de HASS.

1.3 Secuencia típica de prueba

Durante todas las etapas la unidad bajo prueba (DUT) permanece energizada, con estrés eléctrico aplicado (voltaje de entrada mínimo y máximo, variación de carga, ciclado de encendido) y monitoreada continuamente por un equipo de prueba funcional como el EVT (Electrical Verify Test) desarrollado en mi tesis de maestría.

*Valores de referencia; dependen del producto, de la cámara y del procedimiento interno de cada empresa.

1.4 Vibración

La vibración en HALT no se especifica en hertz, sino en Grms. Se trata de vibración aleatoria de seis grados de libertad (6-DOF), generada por actuadores neumáticos de impacto repetitivo (repetitive shock), con un espectro de banda ancha que va aproximadamente de 2 Hz a 5–10 kHz. Esto excita simultáneamente muchos modos de resonancia de la tarjeta y sus componentes.

Los niveles se incrementan en pasos (típicamente de 5 a 10 Grms), con un tiempo de permanencia de alrededor de 10 minutos por paso, hasta 40–60 Grms o más, según el producto. En cada paso se realiza la prueba funcional, frecuentemente con un nivel bajo de vibración (tickle vibration, ~5 Grms) para detectar fallas intermitentes, como soldaduras fracturadas o conectores flojos, que podrían no aparecer con la unidad en reposo.

1.5 Ciclado térmico

Durante el ciclado térmico las unidades se someten a escalones y transiciones rápidas de temperatura. Las cámaras de HALT, enfriadas con nitrógeno líquido (LN₂), pueden alcanzar aproximadamente de −100 °C a +200 °C, con tasas de cambio de 40 a 60 °C/min en el producto. Estas tasas son muy superiores a las de un ESS convencional (típicamente 5–15 °C/min).

El rango de −40 °C a 125 °C corresponde a especificaciones típicas de componentes, no a los límites de HALT. El propósito de HALT es precisamente ir más allá de la especificación hasta encontrar los límites reales del producto. En esta etapa es donde opera el equipo EVT desarrollado en mi tesis de maestría, verificando el funcionamiento eléctrico de la unidad a cada nivel de temperatura.

1.6 Disposición de las unidades

Las unidades sometidas a HALT consumen una parte significativa de su vida útil o resultan dañadas. Aunque algunas sigan funcionando, no pueden entregarse al cliente y se envían a scrap.

2. HASS (Highly Accelerated Stress Screen)

2.1 Derivación del perfil

El perfil de HASS se obtiene a partir de los límites de operación encontrados en HALT. A diferencia de HALT, HASS no lleva las unidades a la falla: los niveles de estrés se fijan por encima de la especificación del producto, pero dentro de sus límites de operación, con un margen de seguridad. El objetivo es precipitar defectos latentes de manufactura (soldaduras frías, componentes dañados, ensambles defectuosos), es decir, eliminar la mortalidad infantil antes de que el producto llegue al cliente.

2.2 Fases del perfil

• Precipitación: se aplican estrés térmico y vibratorio elevados (ciclado rápido y vibración 6-DOF) para convertir defectos latentes en defectos detectables.

• Detección: se reduce el estrés a niveles moderados mientras se realiza la prueba funcional completa para identificar las unidades que fallaron.

También pueden verificarse funciones de protección del producto, como el apagado por sobretemperatura (thermal shutdown), cuyo punto de disparo depende del diseño de cada convertidor.

2.3 Validación del perfil: Safety of Screen

Antes de liberar un perfil de HASS a producción se debe demostrar que no consume una parte significativa de la vida útil. Esto se hace mediante la prueba de Safety of Screen (SoS), también llamada Proof of Screen (POS): un grupo de unidades se somete al perfil completo de forma repetida (por ejemplo, de 10 a 20 veces o más) sin que presenten fallas. Si las unidades soportan N repeticiones, una sola aplicación del perfil consume, como máximo, una fracción pequeña de su vida.

Es importante distinguir conceptos: HASS no tiene como objetivo envejecer el producto ni establece por sí mismo una garantía de vida útil. El rango de operación especificado al cliente (por ejemplo, −20 °C a 60 °C) lo define el diseño; el perfil de HASS trabaja fuera de ese rango para asegurar que cada unidad producida tenga el margen esperado.

2.4 Disposición de las unidades

Las unidades que aprueban HASS sí se entregan al cliente, ya que el perfil validado por Safety of Screen garantiza que el estrés aplicado no reduce de forma significativa su vida útil.

3. HASA (Highly Accelerated Stress Audit)

HASA es la versión por muestreo estadístico de HASS. Se adopta cuando el proceso de manufactura es estable y el historial de HASS muestra una tasa de fallas baja y controlada. En lugar de aplicar el perfil al 100 % de la producción, se aplica a una muestra definida estadísticamente, cuyo tamaño depende del volumen, del historial de fallas y del riesgo aceptado.

HASA funciona como un monitor del proceso de manufactura: si aparece una falla en la muestra, se investiga la causa raíz y, normalmente, se regresa a HASS al 100 % hasta que el proceso vuelve a demostrar estabilidad. HASA no determina el MTBF del producto.

4. Nota técnica: MTBF y vida útil

El MTBF suele obtenerse mediante predicción (MIL-HDBK-217F, Telcordia SR-332), pruebas de demostración de confiabilidad (con estadística χ²) o datos de campo, pero no a partir de HALT, HASS o HASA. Además, el MTBF no equivale a la vida útil del producto. Ejemplo con un MTBF de 8 millones de horas:

Esto significa que, en la región de tasa de fallas constante, cerca del 1.1 % de la población fallaría en 10 años. No significa que cada unidad dure 913 años. La vida útil real la determinan los mecanismos de desgaste; en fuentes de poder suele estar limitada por los capacitores electrolíticos, cuya vida se reduce aproximadamente a la mitad por cada 10 °C de aumento de temperatura (regla de Arrhenius).

5. Comparativa

Referencias

• McLean, H. W. HALT, HASS & HASA Explained: Accelerated Reliability Techniques. ASQ Quality Press, Milwaukee, WI.

Glosario de acrónimos