汽车电子电气零部件可靠性试验分析

汽车电子电气零部件可靠性试验分析

赵振越

身份证号码：44082519861205xxxx

摘要：本文分析了影响汽车电子电气零部件可靠性的因素，简述了汽车电子电气零部件可靠性试验的类型、特点等，介绍了汽车电子电气零部件可靠性试验的分类和可靠性试验的必要性，并提出解决电磁兼容的方法和防止电磁干扰一系列措施。

关键词：汽车；环境适应性；验证；电磁兼容；电磁干扰

引言

随着汽车工业的快速发展，越来越多的高科技汽车电子产品的开发与应用，为了确保汽车零部件产品的质量，带来了不容忽视的重要课题——电子产品可靠性的研究。可靠性试验是针对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。通过对电子电气产品进行可靠性试验可以确认是否存在设计上的不足、生产设备与工艺技术上的缺陷、零组件的瑕疵、生产的变异和工程修改的完整性。产品在设计允许的限值范围内，运用加速技巧，把产品可能潜伏的问题点提前暴露出来，防止该产品在以后使用过程中遭受到环境应力下发生失效，造成不必要的损失。

1影响汽车电子电气零部件可靠性的因素

1.1气候环境对汽车电子电气零部件的影响

汽车电子电气零部件在各种自然环境因素的交互作用下，功能、性能和寿命均会受到影响。长期研究表明，影响汽车电子电气零部件环境适应性能的主要气候因素是气温、湿度、气压、太阳光（辐射）和沙尘等。典型气候环境因素对汽车电子电气零部件的影响见表1。

表1气候环境因素对汽车电子电气零部件的影响

1.2机械环境对汽车电子电气零部件的影响

汽车电子电气零部件在存储、运输和使用过程中可能会受到机械振动、冲击离心加速度等机械作用。这些机械作用会使紧固件松脱、机械机构或元器件损坏，电参数改变，金属疲劳破坏等。最具破坏性的是共振现象，即整机或其组成部件的固有频率与外界激振力频率一致，此时物体振幅最大，易造成元器件、组件或者机箱结构断裂或损坏。

1.3电磁环境对汽车电子电气零部件的影响

在汽车电子电气零部件工作的空间，存在着各种因素产生不同频率的电磁信号。这些信号绝大多数不是零部件所要接收的信号，构成了对电子电气零部件的电磁干扰，使产品输出噪声增大，工作稳定性降低，甚至不能工作。造成电磁干扰的主要原因有：周围空间的电磁场、放电过程产生的电磁波、电源干扰、信号线路上的电气噪声干扰。另外电子电气零部件内部元器件也存在相互干扰（如高频、高电位元器件对其内部元器件形成的干扰）。

2汽车电子电气零部件可靠性试验的分类及应用

可靠性试验是对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。可靠性试验可分：环境试验和电磁兼容试验。

2.1环境试验

环境试验是检验产品对各种环境应力的适应性，常用于快速暴露产品缺陷的试验，是可靠性试验的主要技术手段，是由气候环境试验和机械环境试验组成。环境试验的意义有：

1）确定产品在各种环境条件下工作或贮存时的可靠性，为设计、生产、使用提供有用的信息。

2）充分暴露产品的潜在缺陷，为产品的改进、减少维修费用及保障费用提供信息。

3）确认是否符合产品交收的可靠性定量要求。

4）发现—分析—纠正的循环过程，不断提高产品质量。

2.1.1气候环境试验项目

1）温度试验：高温/低温存储试验、高温/低温试验、冷热冲击试验、温度变化试验、快速温度变化试验、高温老化试验、温度循环试验；

2）湿度试验：恒定湿热试验、交变湿热试验、高温高湿试验；

3）外壳防护等级试验：IP5K3、IP5K4K、IP6K9K等；

4）三防试验：盐雾腐蚀试验（中性盐雾试验、交变盐雾试验、酸性盐雾试验）、湿热试验（恒定湿热、交变湿热）；

5）特殊试验：低气压试验、高气压试验、太阳辐射试验、淋雨试验、沙尘试验等。

2.1.2气候环境试验常见主要有以下几种

1）高温/低温存储试验：为了检查产品在非工作状态下高温/低温环境存储性能的工艺的是否稳定。设定一个恒定的温度应力和保持时间。试验后在规定时间内完成终点测试。在高温/低温应力的作用下DUT会缩短物理化学变化时间，这变化遵循阿伦尼斯公式（k=Ae－Ea/RT），有严重缺陷的DUT会在非平衡态向平衡态的转换过程诱发失效，高温/低温存储试验也是促使DUT从非稳定态向稳定态的转换过程。

2）温度循环试验：为了检查产品热机械性能承受一定温度变化速率的能力及对极端高温和极端低温环境的承受能力。主要是控制DUT处于高温和低温时的温度和时间及高低温状态转换的速率。高温或低温状态下的保持时间要求不少于10min。试验后当构成DUT各部件的材料热匹配较差或内部应力较大时，会引发机械结构缺陷恶化产生失效，如内引线断裂、芯片裂纹、密封性能下降等。

3）冷热冲击试验：为了检查产品热机械性能承受大温度变化速率的能力。试验环境的上下限一般使用高温/低温存储试验的上下限，温度切换时间＜30s。在短时间内大温度变化使DUT各部件的材料加速物理化学变化，快速凝露及结霜引起电子或机械故障，表面涂层开裂，密封部件泄露等。

4）耐湿试验：为了检查产品产品在潮湿和炎热条件下抗衰变的能力。湿热试验有两种，即交变湿热试验和恒定湿热试验。完成一次交变潮热一次循环大约需要24h，一般需要做10个循环。试验时DUT处于正常工作状态。产品在潮湿和炎热条件下衰变的主要机理是由化学过程产生的腐蚀和由水汽的浸入、凝露、结冰引起微裂缝增大的物理过程。试验也考核在潮湿和炎热条件下构成产品材料发生或加剧电解的可能性，电解会使绝缘材料电阻宰发生变化，使抗介质击穿的能力变弱。

5）盐雾试验：针对热带海边或海上气候环境设计的，以加速的方法评定元器件外露部分在盐雾、潮湿和炎热条件下抗腐蚀的能力。盐雾试验要求DUT不同方位的外露部分在一定的温度和盐淀积速率的条件下放置24h、48h、96h和240h等。表面结构状态差的元器件在盐雾、湘湿和炎热条件下外露部分会产生腐蚀。

2.1.2机械环境试验项目

振动测试（随机振动，扫频振动）、汽输车运测试（模拟运输测试、碰撞测试）、机械冲击测试、跌落测试、斜面冲击测试，堆码压力测试、温湿度+振动三综合、高加速寿命测试（HALT）、高加速应力筛选（HASS、HASA）、插拔寿命测试（插拔力、拔出力），钢球冲击试验、按键寿命测试、点划寿命试验、摇摆试验、铅笔硬度测试、耐磨测试、附着力测试、百格测试等。

2.1.3机械环境试验常见主要有以下几种

1）机械冲击试验：为了检查产品承受机械冲击（突然受力）的能力，例如：颠簸、急刹、撞击、卸货、跌落等时产品会受到突发的机械应力。试验时产品的壳体应刚性固定在试验台基上，外引线要施加保护。根据脉冲波形不同可以分为：半正弦波、梯形波、三角波。通过试验的应力可能引起产品的结构变形，安装松动，产生裂纹甚至断裂、电气连接松动，接触不良，造成时断时通，使产品工作不稳定、产品内部各单元的相对位臵发生变化，造成性能下降或超差、产品内部的一些大器件脱落，造成产品的功能失效。

2）机械振动试验：为了检查产品在运输和使用过程中承受外来振动或自身产生的振动而不破坏，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。振动试验主要有四种，即正弦振动试验（扫频耐久试验）、振动疲劳试验、振动噪声试验和随机振动试验。为了检查产品在不同振动条件下的结构牢固性和电特性的稳定性。振动试验最基本要素：频率（Hz）、加速度（g或m/s2）、振幅（mm）、方向（X\Y\Z轴）、持续时间（min/轴或h/轴）。

2.2电磁兼容试验

电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC包括EMI（电磁干扰）及EMS（电磁耐受性）两部分，所谓EMI电磁干扰，乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。国内外对汽车的电磁兼容问题非常重视，很早就开始了电磁兼容性标准的制订工作，目前已经形成了较为完善的汽车电磁兼容性标准体系。国内外汽车电磁兼容技术的主要标准如表1所示。

通过EMC试验能检验出产品的抗干扰能力和干扰能力是否满足标准要求，只有在满足标准的情况下才确保产品的正常工作。

2.2.1电磁兼容试验项目

辐射发射试验（RE）、传导发射试验（CE）、辐射抗扰度试验（RS）、大电流注入抗扰度试验（BCI）、磁场抗扰度试验、沿电源线的瞬态传导抗扰试验、信号线瞬态传导抗扰度试验、静电放电试验（ESD）、音频频率磁场抗扰度试验等

2.2.2电磁兼容试验常见主要有以下几种

1）辐射发射试验（暗室法）：测量产品正常工作时通过空间传播辐射骚扰场强是否超过标准要求的界限值，从而保证其它设备免受干扰，可分为磁场辐射和电场辐射。测试频率＜30MHz时，测试垂直极化方向；测试频率≥30MHz时，用双锥天线、对数周期天线和喇叭天线分别测试水平极化和垂直极化方向；测试频率＜30MHz时，只测试一个面，测试频率≥30MHz时，需测试三个面；在测试频率＜1000MHz时，天线正对被测产品线束中心位置，距离1m；测试频率≥1000MHz时，天线正对被测产品，距离1m

2）传导发射试验（电压法）：测量产品正常工作时通过电源线、信号线和互连线向外发射的干扰信号，测量这些能量是否超过标准要求的界限值，从而保证在公共电网上工作的其它设备免受干扰。通过人工网络分别测量被测产品的正极和负极，在测量人工电源网络一个端口时，另一个端口连接50ohm匹配负载。

3）大电流注入抗扰度试验（替代法）：检验产品在引线电缆通过传导方式耦合外界干扰到设备内部（最终以射频电压和电流所形成的近场电磁骚扰到设备内部）对产品产生干扰的抗干扰能力。电流注入探头放置于距离被产品引线电缆的150mm、450mm、750mm处，根据测试要求在频率范围内向电流钳注入对应的电流，观察产品工作是否受到干扰。

4）辐射抗扰度试验（电波暗室法）：检验产品在可能存在一定强度辐射环境下抗干扰能力，能否保持正常工作。所有测试频段天线都进行垂直极化方向测试，400MHz以上进行天线水平极化方向的测试；测试频段＜1000MHz，天线正对被测样件线束中心位置，距离1m；测试频率≥1000MHz时，天线正对被测样件，距离1m。

5）静电放电试验（ESD）：检验产品在可能存在静电放电的时候抗扰能力。静电放电分为直接放电和间接放电，直接放电通过接触放电和空气放电直接对产品进行干扰，间接放电通过耦合的方式进行干扰。产品在测试上电模式时，HCP需要接2个470KΩ的电阻与大地连接，根据产品的安装位置选择对应的容阻套件。

2.2.3防止汽车上电磁干扰的措施

电磁兼容（EMC）主要研究两个方面，一方面为电磁干扰，另一方面为电磁抗扰。

2.2.3.1电磁兼容三要素

产生电磁兼容问题，或者叫做电磁干扰问题，需要同时具备三个条件：

（1）干扰源：产生干扰的电路或设备。

（2）敏感源：受这种干扰影响的电路或设备。

（3）耦合路径：能够将干扰源产生的干扰能量传递到敏感源的路径。

2.2.3.2提高汽车电磁兼容性能的措施

针对电磁兼容的三要素。汽车电磁兼容所要面对的问题是如何将电器产生的电磁辐射控制为最小，如何把电磁敏感度降低到最小，如何保护电子设备不受恶劣汽车环境的影响等。下面介绍几种提高汽车电子设备抗干扰性能和抑制其产生电磁干扰的基本技术。

（1）电路设计模块化。在电路板设计中，根据电路在汽车上发挥的功能及位置的不同，将执行器电路、传感器电路、系统控制电路分开设计，形成不同的电路模块，使不同模块的电源、搭铁（金属车体）线分开，减少不应有的耦合，提高绝缘阻抗。为避免干扰，应先将电源传输到各个模块，而后分别进行整流、滤波、稳压、供电。

（2）加阻尼电阻。在点火装置的高压电路中，串入阻尼电阻，削弱火花产生的干扰电磁波。阻尼电阻值越大，抑制效果越好。但阻尼电阻太大，又会减少火花塞电极间的火花能量。阻尼电阻一般用碳质材料制成，电阻值约10～20kΩ。阻尼电阻加在点火线圈端和火花塞接头端。

（3）加并联电容器。在可能产生火花处并联电容器，如在调节器的“电池”接柱与“搭铁”之间和发电机“电枢”接柱与“搭铁”之间并联0.2～0.8μF的电容器；在水温表和机油压力表的传感器触点间并联0.1～0.2μF的电容器等。

（4）金属屏蔽。发电机、起动机、火花塞等电器设备产生的火花，都能产生电磁波。屏蔽是抑制电磁波干扰的有效方法。屏蔽电场或磁场时，可选用铜、铝、钢等导电率高的材料作屏蔽体。当屏蔽高频磁场时应选择导电率高的钢、铝等材料；屏蔽低频磁场时，选择导磁率高的磁钢、铍莫合金、铁等材料。为了有效发挥屏蔽体的屏蔽作用，还应注意屏蔽体的有效搭铁。

（5）合理的布局和布线。电路的布局和系统内部的布线，会直接影响系统的电磁兼容性，因此其布局需合理。一般来说，远场辐射对电路布局影响不大，而近场感应的大小与电路布局有着直接的关系。在布线时要遵循的原则如下：减小电路导线的闭合面积；最大可能地使电路隔开，正确布设导线的方向，限制电流的频率和上升时间。

（6）感抗型高压阻尼线。目前国内外多采用高压阻尼线，其线心是用0.1mm的镍铬钼丝绕成，相当于电感、电容及电阻三者的复合体，抑制效果比集中电阻的效果更好。

（7）采用滤波器。滤波器主要抑制通过电路通路直接进入的干扰，它是应用最普遍的抗干扰方法。根据信号与干扰信号之间的频率差别，可以采用不同性能的滤波器，抑制干扰信号，提高信噪比。

（8）采用平衡技术。平衡技术是一种消除串音干扰的有效措施。在汽车电路中，检测信号的输入、控制信号的输出，特别是在时序信号传输中，通常采用双绞线作为平衡线，双绞线的螺距要小，长度要尽量短。

（9）提高信号幅值。即提高信噪比，是抗干扰的重要方法。对于微弱的传感器信号（如温度信号、光电信号等），采用放大电路增大幅值，减小干扰的影响。同时，应采用平衡线传输。

（10）热设计。一般电子设备或元件在高温时其抗干扰容限会恶化，所以需要对汽车电子设备的安装位置、散热进行合理的热设计。从有利于散热的角度出发，电子块最好直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2cm。对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域，千万不要将其放在发热器件的正上方。

3结束语

汽车环境适应性验证，即通过在特殊环境下试验，充分验证汽车在设计、研制及材料选用等方面存在的环境适应性问题，及时改进产品开发质量，提高汽车的环境适应能力。

随着汽车工业的不断发展，汽车上应用的新技术大部分都来自电子产品的应用和提升。电子产品的大范围加装及应用，必然会出现电磁干扰，这就对汽车的电磁兼容性能不断提出新的挑战。

参考文献：

[1]汽车“三高”环境适应性试验开发和验证[J].程源，刘培培，赵林平，卢生林，徐有忠.公路与汽运.2016（03）

[2]环境试验特点及其发展方向[J].康志萍.环境技术.2012（04）

[3]浅谈汽车用PCB环境与可靠性试验[J].刘浩.印制电路信息.2011（03）

[4]混合动力汽车电磁兼容技术研究[J].金松涛，刘青松.客车技术与研究.2010（02）

[5]汽车电磁兼容的智能预测方法[J].欧阳丹.汽车工程师.2009（04）

[6]国内外汽车电磁兼容研究发展状况[J].余召锋，于颖，徐鸣谦.客车技术与研究.2007（02）

[7]ISO11452-1-2015道路车辆.用窄带发射的电磁能量进行电子干扰.部件试验方法.第1部分：总则和定义

[8]ISO11452-2-2000道路车辆.用窄带发射的电磁能量进行电子干扰.部件试验方法.第2部分：吸收电磁室

[9]ISO11452-4-2011道路车辆.用窄带发射的电磁能量进行电子干扰.部件试验方法.第4部分：散电流发射

[10]ISO11452-8-2015Roadvehicles--Componenttestmethodsforelectricaldisturbancesfromnarrowbandradiatedelectromagneticenergy--Part8：Immunitytomagneticfields

[11]CISPR25-2016Vehicles，boatsandinternalcombustionengines–Radiodisturbancecharacteristics–Limitsandmethodsofmeasurementfortheprotectionofon-boardreceivers

[12]ISO10605-2008道路车辆.静电放电引起的电干扰的试验方法

[13]ISO16750-4-2010道路车辆电气电子设备的环境条件和试验第4部分：气候负荷