車載信息娛樂系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用研究

李明峻，侯衛(wèi)國(guó)，劉永明，曹德懷，李驍

?

車載信息娛樂系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用研究

李明峻1,2，侯衛(wèi)國(guó)1,2，劉永明1,2，曹德懷1,2，李驍1,2

（1.蕪湖賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，安徽 蕪湖 241002；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

車載信息娛樂系統(tǒng)是智能化汽車的關(guān)鍵部件之一。如何滿足汽車市場(chǎng)對(duì)高可靠性、快速更新?lián)Q代產(chǎn)品的迫切需求，是車載信息娛樂系統(tǒng)面臨的一個(gè)重要課題?；诳煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)方法和車載信息娛樂系統(tǒng)產(chǎn)品特點(diǎn)，選取某款車載信息娛樂系統(tǒng)，開展了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)研究，得到系統(tǒng)工作極限、潛在故障模式特征。結(jié)果表明，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)?zāi)軌蚩焖俑咝Ъぐl(fā)車載信息娛樂系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)和潛在缺陷，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

車載信息娛樂系統(tǒng)；可靠性強(qiáng)化；故障模式；潛在缺陷

前言

車載信息娛樂系統(tǒng)在汽車電子的基礎(chǔ)上深度融合了消費(fèi)電子、數(shù)字家庭理念，是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和以人為本的重要體現(xiàn)。其在向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化方向發(fā)展過程中，首先面臨著兩個(gè)瓶頸[1-2]：

（1）高可靠性、高穩(wěn)定性要求與復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景之間的矛盾。室外使用、隨時(shí)移動(dòng)、空間和電力供應(yīng)有限的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)車載信息娛樂系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、穩(wěn)定性要求遠(yuǎn)高于日用、辦公等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。

（2）如何協(xié)調(diào)電子業(yè)和汽車業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)、市場(chǎng)投放、升級(jí)換代等方面存在的“時(shí)間差”。車載信息娛樂系統(tǒng)作為電子產(chǎn)品開發(fā)速度快、產(chǎn)品種類多、功能靈活、市場(chǎng)響應(yīng)迅速，而汽車產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、功能變化慢、市場(chǎng)響應(yīng)遲緩。

針對(duì)車載信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)過程和研發(fā)試驗(yàn)現(xiàn)狀，基于盡早發(fā)展產(chǎn)品缺陷、降低后期試驗(yàn)故障發(fā)生率、縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)費(fèi)用等現(xiàn)實(shí)需求，提出在車載信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)和試制階段，引入可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)[3-5]，提升系統(tǒng)缺陷激發(fā)和缺陷改進(jìn)速度和質(zhì)量。

1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法

1.1 環(huán)境應(yīng)力故障影響機(jī)理分析

溫度和振動(dòng)應(yīng)力是影響電子產(chǎn)品可靠性的主要因素，其主要通過影響材料的物理化學(xué)性質(zhì)、元器件的功能性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度和完整性，進(jìn)而影響產(chǎn)品整體可靠性的表現(xiàn)。其主要影響機(jī)理如下表所示，綜合環(huán)境應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步互相強(qiáng)化對(duì)產(chǎn)品材料、功能和性能的影響。

表1 環(huán)境應(yīng)力故障影響機(jī)理

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)主要通過施加高環(huán)境應(yīng)力，來激發(fā)產(chǎn)品可能存在的薄弱環(huán)節(jié)和潛在缺陷，考核產(chǎn)品設(shè)計(jì)余量和產(chǎn)品使用極限。根據(jù)應(yīng)力施加和組合特點(diǎn)，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)具體包括降溫步進(jìn)、升溫步進(jìn)、溫度循環(huán)、步進(jìn)隨機(jī)振動(dòng)、溫度-振動(dòng)綜合等試驗(yàn)項(xiàng)目。

1.2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)原理

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)以快速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷和薄弱環(huán)節(jié)為主要目的?；跈C(jī)械疲勞壽命模型和熱疲勞壽命模型[6]，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際水平的環(huán)境應(yīng)力，可快速激發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷和工藝缺陷。通過對(duì)發(fā)生的故障和失效進(jìn)行分析和改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的提升。

1.2.1應(yīng)力疲勞壽命模型

式中，是疲勞累積損傷函數(shù)，是材料特性參數(shù)，且＞1；是機(jī)械應(yīng)力作用所產(chǎn)生的單位面積作用力；是應(yīng)力條件下的疲勞循環(huán)壽命。

一般取值8~10，從應(yīng)力疲勞壽命模型可以看出，應(yīng)力水平提升1倍，在相同疲勞累積損傷的條件下，疲勞循環(huán)壽命縮短1000倍左右。因此，通過加大應(yīng)力水平，可較快激發(fā)產(chǎn)品缺陷。

1.2.2溫度壽命模型

根據(jù)Arrhenius模型，化學(xué)反映速度與溫度成正比，其強(qiáng)化試驗(yàn)的加速因子為：

式中，f、E、分別為加速因子、活化能和玻爾茲曼常熟；T、T分別為使用環(huán)境溫度和強(qiáng)化試驗(yàn)溫度，單位。假設(shè)使用環(huán)境溫度取70℃，強(qiáng)化試驗(yàn)溫度取120℃，計(jì)算出的加速因子為74，加速效果明顯。

1.3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程如圖1所示，按照溫度步進(jìn)、快速溫度循環(huán)、振動(dòng)步進(jìn)和綜合環(huán)境的應(yīng)力施加順序，從施加正常應(yīng)力開始，將單一或組合應(yīng)力逐步加大。若出現(xiàn)故障，需對(duì)故障進(jìn)行分析，歸類故障模式，并判斷產(chǎn)品的工作極限和破壞極限。

圖1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程

2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案制定

2.1 樣品選擇

以某款車載信息娛樂系統(tǒng)為例，包括收音機(jī)、多媒體、藍(lán)牙電話、本地導(dǎo)航、導(dǎo)航T功能、生活資訊信息等功能。樣品設(shè)計(jì)、元件、材料和生產(chǎn)所使用的制造工藝都已基本確定，保證了暴露出來的薄弱環(huán)節(jié)具有針對(duì)性，能夠更準(zhǔn)確的分析產(chǎn)生缺陷的根本原因。

2.2 組成及數(shù)量

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)采用小樣本試驗(yàn)，樣品選擇10臺(tái)。每項(xiàng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的樣本量為2個(gè)，且僅選取1個(gè)進(jìn)行破壞極限試驗(yàn)。保證試驗(yàn)中試件失效形式具有代表性，能驗(yàn)證某失效模式不僅僅是某一單個(gè)樣件上出現(xiàn)，又不至于因?yàn)閺?qiáng)化試驗(yàn)是一個(gè)破壞試驗(yàn)而造成浪費(fèi)。

2.3 試驗(yàn)剖面

2.3.1溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范要求，產(chǎn)品使用溫度范圍為-30~70℃，貯存溫度范圍為-40~85℃。設(shè)定起始溫度為20℃，每步段降溫10℃，每步段溫度穩(wěn)定后維持10min，在每步段穩(wěn)定溫度時(shí)執(zhí)行一次的通斷電啟動(dòng)及拉載測(cè)試，如一切正常則將溫度再降10℃，并待溫度穩(wěn)定后維持10min在執(zhí)行上電啟動(dòng)及拉載測(cè)試，當(dāng)溫度降低到-30℃時(shí)，每步段溫降調(diào)整為5℃。以此類推直至發(fā)生功能故障，將溫度恢復(fù)至常溫并穩(wěn)定后，在執(zhí)行上電啟動(dòng)及拉載測(cè)試，觀察其功能是否恢復(fù)，以判斷是否達(dá)到工作極限或破壞極限，如功能正常恢復(fù)，則將故障前的低溫值記錄為工作極限，同時(shí)再將溫度逐段下降至發(fā)現(xiàn)當(dāng)恢復(fù)常溫仍然無法使功能自動(dòng)恢復(fù)的低溫，則此低溫即為低溫破壞極限。

在完成低溫應(yīng)力試驗(yàn)后，即依相同程序執(zhí)行高溫應(yīng)力試驗(yàn)，即將試驗(yàn)箱自20℃開始，每段升溫10℃，待溫度穩(wěn)定后維持10mins，而后執(zhí)行通斷電啟動(dòng)及拉載測(cè)試，當(dāng)溫度達(dá)到70℃時(shí)，每步段溫升調(diào)整5℃，為直到發(fā)現(xiàn)高溫工作極限及高溫破壞極限為止。

圖2 溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

2.3.2快速溫度循環(huán)試驗(yàn)

對(duì)于車載信息娛樂系統(tǒng)來說，快速溫度循環(huán)試驗(yàn)的高低溫端點(diǎn)值選擇高低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中得到的破壞極限的80%；以每分鐘60℃的快速溫度變化率在此區(qū)間內(nèi)進(jìn)行6個(gè)循環(huán)高低溫變化，在每個(gè)循環(huán)的最高溫度及最低溫度都停留10min。待溫度穩(wěn)定后執(zhí)行通斷電試驗(yàn)及拉載測(cè)試，如發(fā)現(xiàn)待測(cè)物發(fā)生可恢復(fù)性故障，則將溫度變化率減少10℃/min在執(zhí)行溫度循環(huán)，直到6個(gè)循環(huán)皆無可恢復(fù)性故障，則此溫度變化率即為此試驗(yàn)工作之工作極限，在此試驗(yàn)中不需要尋找破壞極限。

圖3 快速溫度循環(huán)試驗(yàn)剖面

2.3.3振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)

圖4 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

試驗(yàn)振動(dòng)量級(jí)自5G開始，每階段增加5G，在每個(gè)階段維持10min后，在振動(dòng)持續(xù)的條件下執(zhí)行通斷電試驗(yàn)及拉載測(cè)試，以判斷其是否達(dá)到可工作界限或破壞界限。如果正常，每次加速度增加5G，進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試和功能測(cè)試，直到出現(xiàn)異常。

2.3.4綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)

使用先前的快速溫變循環(huán)條件及溫變率，設(shè)產(chǎn)品隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力極限為Gmax，將隨機(jī)振動(dòng)自Gmax/6開始配合每個(gè)循環(huán)遞增Gmax/6，且使每個(gè)循環(huán)的最高及最低溫度持續(xù)10min，待溫度穩(wěn)定后執(zhí)行通斷電及拉載測(cè)試，如此重復(fù)進(jìn)行直至達(dá)到可工作界限及破壞界限為止。

圖5 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)

2.4 測(cè)試方案

表2 測(cè)試方案

考慮到車載信息娛樂系統(tǒng)功能多樣性和測(cè)試的可行性，制定可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)測(cè)試方案如表2所示，規(guī)定了測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試方法及功能性能、結(jié)構(gòu)完整性要求。

3 結(jié)果分析

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，針對(duì)此款車載信息娛樂系統(tǒng)，可得到如下結(jié)論：

（1）此款車載信息娛樂系統(tǒng)低溫工作極限-30℃，高溫工作極限80℃，振動(dòng)工作極限30G。

（2）綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)降低了車載信息娛樂系統(tǒng)的高溫工作極限和振動(dòng)工作極限。

表3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果

（3）由于產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)和生產(chǎn)工藝未完全固化，樣機(jī)在綜合環(huán)境試驗(yàn)條件下，出現(xiàn)失效條件和失效模式差異較大的情況。兩臺(tái)參與試驗(yàn)的樣機(jī)，一臺(tái)樣機(jī)在7G、-30℃和7G、70℃分別發(fā)生失效，另一臺(tái)樣機(jī)只在30G、-30℃條件下發(fā)生了失效。

（4）單應(yīng)力激發(fā)的產(chǎn)品故障模式具有一定規(guī)律性，而綜合應(yīng)力激發(fā)出的產(chǎn)品故障模式具有多樣性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)車載信息娛樂系統(tǒng)功能多樣、使用環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，基于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)原理，制定并實(shí)施了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，成功激發(fā)了產(chǎn)品的潛在故障和薄弱環(huán)節(jié)，得到了產(chǎn)品的工作極限和故障模式特征，為后期失效分析、設(shè)計(jì)改進(jìn)、工藝優(yōu)化、可靠性提升提供了有效支撐。

汽車電子產(chǎn)品占整車價(jià)值比例越來越高，并在整車的安全性、環(huán)保性、智能性方面發(fā)揮重要作用。可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)?zāi)軌蚩焖?、高效的激發(fā)產(chǎn)品故障，可有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、提升可靠性水平，對(duì)于保障汽車電子產(chǎn)品高質(zhì)量高可靠性具有積極的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

[1] 韓青.標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)提升產(chǎn)品可靠性和研發(fā)速度[N].中國(guó)電子報(bào), 2009-08-04(007).

[2] 宋歌.車載信息娛樂系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車與配件,2014(27): 82-85.

[3] 蔣培,陳循,張春華等.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)綜述[J].強(qiáng)度與環(huán)境, 2003(01): 58-64.

[4] GREGG Hobbs.Accelerated reliability engineering:HALT and HASS [M].Manhattan: John Wiley & Sons Ltd, 2000.

[5] 朱建山,花一秋,黃琴.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在顯示器上的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2017,35(01): 18-22.

[6] 劉加凱,齊杏林,范志鋒.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的機(jī)理探析[J].裝備環(huán)境工程,2009,6(06):36-38+45.

Research on the Application of Reliability Enhancement Test Technologyin In-car Infotainment System

Li Mingjun1,2, Hou Weiguo1,2, Liu Yongming1,2, Cao Dehuai1,2, Li Xiao1,2

（1.Wuhu CEPREI IT Research Institute, Anhui Wuhu 241002; 2.Fifth Institute of Electronics, Ministry of Industry and Information Technology, Guangdong Guangzhou 510610）

The in-car infotainment system is one of the core parts of intelligent car. How to meet the urgent requirements of the automotive market for high reliability and rapid updating is one of the important issues for in-car infotainment system. Based on reliability enhancement test method and characteristics of in-car infotainment system, a reliability enhancement test method is put forward and carried out, the working limits, potential failure modes are found out. The results show that the method can quickly and efficiently stimulate the weak links and potential defects，and it has certain popularization and application value in the research and development process of similar products.

in-car infotainment system; reliability enhancement test method; failure modes; potential defects

U467

B

1671-7988(2018)20-71-04

U467

B

1671-7988(2018)20-71-04

李明峻（1987-），男，碩士研究生，蕪湖賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院工程師，主要研究方向?yàn)榭煽啃耘c環(huán)境試驗(yàn)、可靠性評(píng)價(jià)。參與完成國(guó)家產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)、總裝基礎(chǔ)項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家火炬計(jì)劃產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目1項(xiàng)。發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文4篇，獲得發(fā)明專利2項(xiàng)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.025