淺談汽車電子產品的高加速壽命試驗設計

曲嵐峰， 王秀鑫， 王 濤， 楊宸寧

（濰柴動力股份有限公司， 濰坊 山東 261000）

隨著先進柴油技術的愈加完善，柴油車已擺脫體積過大、易污染環(huán)境等一系列問題的困擾。與此同時，其又因油耗低、動力強的特點深受人們的喜愛，市場占有率逐年提高。從道路、非道路的簡單區(qū)分到輕重卡、農機以及工程機械等方面的專項應用，多樣的場景為相關研發(fā)提出了更高的要求。在如今開發(fā)周期縮短以及多產品并行的高速研發(fā)階段，高要求也意味著在設計、生產等方面不可避免地會存在一些影響產品可靠性的缺陷。對于這些潛在的可靠性缺陷，絕大部分的企業(yè)會在產品量產前進行相應的環(huán)境可靠性試驗。

常規(guī)的環(huán)境可靠性試驗基于傳統(tǒng)試驗方案進行，如高低溫運行試驗、振動試驗以及濕熱試驗等。此類傳統(tǒng)試驗方案目前已較為成熟，并形成了通用的試驗標準，如ISO 16750-3、ISO 16750-4以及GJB 150.16 A-2009等。同時，一些車企會根據自身產品的獨特性，設計形成內部獨有的企業(yè)特色標準，如GM 3172、VM 80101等[1]。通常情況下，企業(yè)的內部標準相較于通用標準會更為嚴苛，這也意味著通過試驗的產品往往具備更高的可靠性。

傳統(tǒng)的可靠性試驗大多基于不同類型的環(huán)境應力分別展開，如：工作環(huán)境的溫濕度閾值、溫度變化的速率以及振動強度等。之后，根據產品需求的失效率、置信度等一系列可靠性參數進行試驗方案設計，包括產品的樣件數量、各類試驗的周期等。就目前而言，一款產品的可靠性試驗通常需要幾十塊的樣件并進行長達至少4個月的試驗周期才能夠全部完成。因此，無論在研發(fā)時間成本或是樣件成本上，生產的每一款成熟可靠的產品都意味著一筆巨大的開銷。除此之外，在如今多產品并行的研發(fā)階段下，有時也會存在一定的試驗資源沖突。

對此，為適應高速研發(fā)現狀以及降低可靠性試驗時間及樣件成本，Hobbs博士在20世紀80年代末至90年代初提出了一種高加速壽命試驗方法[2]。

1 高加速壽命試驗介紹

高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Testing，HALT）是一種通過施加大幅值應力來快速激發(fā)暴露產品內部缺陷的可靠性試驗[3]，這種大幅值的應力一般會遠高于產品所規(guī)定的技術規(guī)范上下限值。其中，技術規(guī)范限值被定義為生產廠家對產品工作環(huán)境應力所限定的閾值[4]。

作為一種新興的可靠性試驗方法，高加速壽命試驗采用應力-強度干涉模型作為方案的理論基礎，用于揭示產品因可靠性問題而出現失效故障的原因。在應力-強度干涉模型中，主要是描述“應力”和“強度”的概率分布以及彼此間的相互聯(lián)系。其中，應力可以視為一種使產品失效的作用力，如：外界的溫度、濕度以及振動等。而強度則是產品自身用于抵御應力并保證自身工作正常的“反作用力”。

如圖1所示，產品所受到的“應力”與其自身的“強度”在一定程度上會有所干涉。每一種產品在設計時都會存在這樣的一種干涉區(qū)域，也就是其發(fā)生失效或故障的概率。這種干涉存在的原因有很多，如：“產品的工作壽命累計到一定程度而出現的自身強度下降”、“產品某一時刻工作在超出技術規(guī)范應力的環(huán)境”以及“產品內部零件不匹配造成強度降低”等。

圖1 應力-強度干涉模型

在高加速壽命試驗過程中，絕大多數的失效故障都會被視為疲勞損傷。通常情況下，這種疲勞損傷是由于產品當前時刻的“強度”小于所處環(huán)境的“應力”導致。故障物理學認為任何可靠性試驗所施加的外界應力在產品內部都會轉化為機械應力，而當產品受到同樣量值的機械應力時，相對薄弱的環(huán)節(jié)要遠比正常環(huán)節(jié)的損壞時間早得多，具體的疲勞損傷計算如下：

式中：D——產品累積受到的疲勞損傷；N——產品所受到的應力循環(huán)數；S——產品內部的機械應力；β——材料指數（大部分為8～12）。

相關的文獻表明[5]，內部存在缺陷的薄弱環(huán)節(jié)在同樣外界環(huán)境下，其自身所受到的機械應力約為正常環(huán)節(jié)的2～3倍，所以，當產品進行高加速壽命試驗時，薄弱環(huán)節(jié)的疲勞損傷能夠快速地累積，直至失效故障閾值暴露出來，而此時，正常環(huán)節(jié)仍保留著至少99.9%的強度。

因而，高加速壽命試驗基于應力-強度干涉模型，不斷地整改產品所存在的設計缺陷來提高自身強度。通過一次次將“強度”的概率分布模型“向右移動”，達到使失效故障的概率縮小乃至消失的目的。

2 高加速壽命試驗設計

高加速壽命試驗的理論標準近年來也正在不斷增加，如GB/T 29309、GB/T 34986等。GB/T 29309是一種定義高加速壽命試驗流程方法的理論標準，將試驗順序依次設定為5個環(huán)節(jié)：步進低溫、步進高溫、快速溫變、振動以及綜合試驗。其中，振動試驗是高加速壽命試驗中發(fā)現缺陷最多的一個環(huán)節(jié)，故障檢出比率大概為45%；排名第2的是綜合試驗，故障檢出比率僅為20%[6]。

步進低溫試驗因其對于產品的破壞性最小，通常作為試驗方案中的第1項。在步進距離的選取上，室溫至-40℃（ISO 16750-4規(guī)定參數） 范圍內，基于相似產品的可靠性結果，可以選擇設置較大的步進距離，如15℃。為防止產品因密封膠或其它隔熱材料導致溫箱與產品內部的溫差較大，應以產品內部的熱電偶溫度采樣值為準。在每個步進階梯處，應當停留15min以確保產品在該階梯處無失效故障出現時才可進行下一梯度的試驗。達到技術規(guī)范后，需要適當地縮小步進距離，如10℃，直至確定產品的工作極限以及破壞極限。同理，故步進高溫試驗不再過多贅述。

快速溫變試驗是通過快速升高或降低產品外部環(huán)境溫度，進而分析溫變速率對產品運行狀態(tài)有無影響的一種可靠性試驗。一次完整的高加速壽命試驗，至少包含著5輪快速溫變試驗。通常情況下，溫變速率視所選擇的三綜合試驗箱參數而定。

振動類試驗是高加速壽命試驗中缺陷檢出最為有效的一種方式，以ISO 16750-3的商用車發(fā)動機隨機振動參數為例，根據標準給出的PSD與頻率的關系，計算該振動的加速度均方根Grms為177m/s2。首先，需確認產品在1Grms下運行狀態(tài)正常且無外殼損壞。之后，步進增加或降低振動強度，以每次2～3Grms的步進距離逐步增加或遞減[7]。

綜合試驗是高加速壽命試驗的最后一步，需將前期所進行的所有環(huán)境應力結合在一起。各個環(huán)境應力剖面在設計時需根據試驗時間的差異進行匹配，進而保證在綜合試驗過程中，每一個應力剖面都是在不斷變化的。

3 失效分析與改進措施

作為汽車電子系統(tǒng)中最為核心的部分之一，電子控制單元ECU負責發(fā)動機控制系統(tǒng)的管理與控制，如：傳感器信號的采集、執(zhí)行器的驅動以及系統(tǒng)間的信號通信等。

近年來，因電子產品種類的不斷增加，ECU所需要處理計算的信號也隨之增多，其內部電路的復雜度自然也不斷增加。在ECU內部的PCB結構上焊接著大量的電容、電阻以及控制芯片等。如此密集的結構，一旦出現可靠性問題，發(fā)生短路、斷路等故障，則很容易發(fā)生事故。ECU內部電路示意如圖2所示。

圖2 ECU內部電路示意圖

在一次實際試驗過程中，發(fā)現ECU的上位機監(jiān)控軟件報出一路PWM驅動發(fā)生斷路故障，進行連接導通性檢查未發(fā)現異常，此時，判斷為ECU內部電路存在失效故障。將試驗暫停后，目視ECU控制器外部沒有可視的損壞或形變。晃動控制器，發(fā)現內部存在元器件脫落。拆除ECU外殼并觀察電路板，發(fā)現為電容炸裂導致上端部分分離。電容炸毀示意如圖3所示。

圖3 電容炸毀示意圖

對此，查閱該電容參數手冊，發(fā)現該電容的技術規(guī)范上限為在85℃的溫度應力下運行20000h。結合故障出現的試驗時間以及S-N圖模型，在130℃的溫度應力下，試驗時間已超出該電容的承受極限，所以，確定該PWM驅動斷路故障由電容的溫度耐受缺陷導致。對此，臨時將其替換為溫度技術規(guī)范上限更高的電容元器件，并在試驗結束后進行更加細致的電容選型。

4 結論

高加速壽命試驗已被越來越多的企業(yè)采用，其高效快速的試驗優(yōu)勢更加符合當前高速研發(fā)的現狀。本文根據目前的技術發(fā)展現狀進行了簡單的試驗過程介紹，為未來高加速壽命試驗的不斷完善提供了依據。