車載信息娛樂系統可靠性強化試驗技術應用研究

李明峻，侯衛國，劉永明，曹德懷，李驍

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車載信息娛樂系統可靠性強化試驗技術應用研究

李明峻1,2，侯衛國1,2，劉永明1,2，曹德懷1,2，李驍1,2

（1.蕪湖賽寶信息產業技術研究院，安徽 蕪湖 241002；2.工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

車載信息娛樂系統是智能化汽車的關鍵部件之一。如何滿足汽車市場對高可靠性、快速更新換代產品的迫切需求，是車載信息娛樂系統面臨的一個重要課題?；诳煽啃詮娀囼灧椒ê蛙囕d信息娛樂系統產品特點，選取某款車載信息娛樂系統，開展了可靠性強化試驗研究，得到系統工作極限、潛在故障模式特征。結果表明，可靠性強化試驗能夠快速高效激發車載信息娛樂系統薄弱環節和潛在缺陷，具有較大的推廣應用價值。

車載信息娛樂系統；可靠性強化；故障模式；潛在缺陷

前言

車載信息娛樂系統在汽車電子的基礎上深度融合了消費電子、數字家庭理念，是產業創新和以人為本的重要體現。其在向著網絡化、智能化、集成化方向發展過程中，首先面臨著兩個瓶頸[1-2]：

（1）高可靠性、高穩定性要求與復雜應用場景之間的矛盾。室外使用、隨時移動、空間和電力供應有限的應用環境，對車載信息娛樂系統的環境適應性、可靠性、穩定性要求遠高于日用、辦公等消費類電子產品。

（2）如何協調電子業和汽車業在產品開發、市場投放、升級換代等方面存在的“時間差”。車載信息娛樂系統作為電子產品開發速度快、產品種類多、功能靈活、市場響應迅速，而汽車產品開發周期長、功能變化慢、市場響應遲緩。

針對車載信息娛樂系統開發過程和研發試驗現狀，基于盡早發展產品缺陷、降低后期試驗故障發生率、縮短研發周期、降低研發費用等現實需求，提出在車載信息娛樂系統開發和試制階段，引入可靠性強化試驗技術[3-5]，提升系統缺陷激發和缺陷改進速度和質量。

1 可靠性強化試驗方法

1.1 環境應力故障影響機理分析

溫度和振動應力是影響電子產品可靠性的主要因素，其主要通過影響材料的物理化學性質、元器件的功能性能指標、結構的強度剛度和完整性，進而影響產品整體可靠性的表現。其主要影響機理如下表所示，綜合環境應力會進一步互相強化對產品材料、功能和性能的影響。

表1 環境應力故障影響機理

可靠性強化試驗主要通過施加高環境應力，來激發產品可能存在的薄弱環節和潛在缺陷，考核產品設計余量和產品使用極限。根據應力施加和組合特點，可靠性強化試驗具體包括降溫步進、升溫步進、溫度循環、步進隨機振動、溫度-振動綜合等試驗項目。

1.2 可靠性強化試驗原理

可靠性強化試驗以快速激發產品的潛在缺陷和薄弱環節為主要目的。基于機械疲勞壽命模型和熱疲勞壽命模型[6]，可靠性強化試驗采用遠遠超過實際水平的環境應力，可快速激發產品的設計缺陷和工藝缺陷。通過對發生的故障和失效進行分析和改進，從而實現產品可靠性的提升。

1.2.1應力疲勞壽命模型

式中，是疲勞累積損傷函數，是材料特性參數，且＞1；是機械應力作用所產生的單位面積作用力；是應力條件下的疲勞循環壽命。

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

1.2.2溫度壽命模型

根據Arrhenius模型，化學反映速度與溫度成正比，其強化試驗的加速因子為：

式中，f、E、分別為加速因子、活化能和玻爾茲曼常熟；T、T分別為使用環境溫度和強化試驗溫度，單位。假設使用環境溫度取70℃，強化試驗溫度取120℃，計算出的加速因子為74，加速效果明顯。

1.3 可靠性強化試驗流程

可靠性強化試驗流程如圖1所示，按照溫度步進、快速溫度循環、振動步進和綜合環境的應力施加順序，從施加正常應力開始，將單一或組合應力逐步加大。若出現故障，需對故障進行分析，歸類故障模式，并判斷產品的工作極限和破壞極限。

圖1 可靠性強化試驗流程

2 可靠性強化試驗方案制定

2.1 樣品選擇

以某款車載信息娛樂系統為例，包括收音機、多媒體、藍牙電話、本地導航、導航T功能、生活資訊信息等功能。樣品設計、元件、材料和生產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節具有針對性，能夠更準確的分析產生缺陷的根本原因。

2.2 組成及數量

可靠性強化試驗采用小樣本試驗，樣品選擇10臺。每項步進應力試驗的樣本量為2個，且僅選取1個進行破壞極限試驗。保證試驗中試件失效形式具有代表性，能驗證某失效模式不僅僅是某一單個樣件上出現，又不至于因為強化試驗是一個破壞試驗而造成浪費。

2.3 試驗剖面

2.3.1溫度步進應力試驗

根據產品技術規范要求，產品使用溫度范圍為-30~70℃，貯存溫度范圍為-40~85℃。設定起始溫度為20℃，每步段降溫10℃，每步段溫度穩定后維持10min，在每步段穩定溫度時執行一次的通斷電啟動及拉載測試，如一切正常則將溫度再降10℃，并待溫度穩定后維持10min在執行上電啟動及拉載測試，當溫度降低到-30℃時，每步段溫降調整為5℃。以此類推直至發生功能故障，將溫度恢復至常溫并穩定后，在執行上電啟動及拉載測試，觀察其功能是否恢復，以判斷是否達到工作極限或破壞極限，如功能正?；謴停瑒t將故障前的低溫值記錄為工作極限，同時再將溫度逐段下降至發現當恢復常溫仍然無法使功能自動恢復的低溫，則此低溫即為低溫破壞極限。

在完成低溫應力試驗后，即依相同程序執行高溫應力試驗，即將試驗箱自20℃開始，每段升溫10℃，待溫度穩定后維持10mins，而后執行通斷電啟動及拉載測試，當溫度達到70℃時，每步段溫升調整5℃，為直到發現高溫工作極限及高溫破壞極限為止。

圖2 溫度步進應力試驗剖面

2.3.2快速溫度循環試驗

對于車載信息娛樂系統來說，快速溫度循環試驗的高低溫端點值選擇高低溫步進應力試驗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間內進行6個循環高低溫變化，在每個循環的最高溫度及最低溫度都停留10min。待溫度穩定后執行通斷電試驗及拉載測試，如發現待測物發生可恢復性故障，則將溫度變化率減少10℃/min在執行溫度循環，直到6個循環皆無可恢復性故障，則此溫度變化率即為此試驗工作之工作極限，在此試驗中不需要尋找破壞極限。

圖3 快速溫度循環試驗剖面

2.3.3振動步進試驗

圖4 振動步進應力試驗

試驗振動量級自5G開始，每階段增加5G，在每個階段維持10min后，在振動持續的條件下執行通斷電試驗及拉載測試，以判斷其是否達到可工作界限或破壞界限。如果正常，每次加速度增加5G，進行指標測試和功能測試，直到出現異常。

2.3.4綜合環境應力試驗

使用先前的快速溫變循環條件及溫變率，設產品隨機振動應力極限為Gmax，將隨機振動自Gmax/6開始配合每個循環遞增Gmax/6，且使每個循環的最高及最低溫度持續10min，待溫度穩定后執行通斷電及拉載測試，如此重復進行直至達到可工作界限及破壞界限為止。

圖5 綜合環境應力試驗

2.4 測試方案

表2 測試方案

考慮到車載信息娛樂系統功能多樣性和測試的可行性，制定可靠性強化試驗測試方案如表2所示，規定了測試項目、測試方法及功能性能、結構完整性要求。

3 結果分析

可靠性強化試驗結果如表3所示，針對此款車載信息娛樂系統，可得到如下結論：

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

（2）綜合環境應力試驗降低了車載信息娛樂系統的高溫工作極限和振動工作極限。

表3 可靠性強化試驗結果

（3）由于產品技術狀態和生產工藝未完全固化，樣機在綜合環境試驗條件下，出現失效條件和失效模式差異較大的情況。兩臺參與試驗的樣機，一臺樣機在7G、-30℃和7G、70℃分別發生失效，另一臺樣機只在30G、-30℃條件下發生了失效。

（4）單應力激發的產品故障模式具有一定規律性，而綜合應力激發出的產品故障模式具有多樣性。

4 結束語

針對車載信息娛樂系統功能多樣、使用環境復雜的特點，基于可靠性強化試驗原理，制定并實施了可靠性強化試驗方案，成功激發了產品的潛在故障和薄弱環節，得到了產品的工作極限和故障模式特征，為后期失效分析、設計改進、工藝優化、可靠性提升提供了有效支撐。

汽車電子產品占整車價值比例越來越高，并在整車的安全性、環保性、智能性方面發揮重要作用。可靠性強化試驗能夠快速、高效的激發產品故障，可有效縮短產品研發周期、降低研發成本、提升可靠性水平，對于保障汽車電子產品高質量高可靠性具有積極的應用和推廣價值。

[1] 韓青.標準化平臺提升產品可靠性和研發速度[N].中國電子報, 2009-08-04(007).

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

[3] 蔣培,陳循,張春華等.可靠性強化試驗技術綜述[J].強度與環境, 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.可靠性強化試驗在顯示器上的應用[J].電子產品可靠性與環境試驗,2017,35(01): 18-22.

[6] 劉加凱,齊杏林,范志鋒.可靠性強化試驗的機理探析[J].裝備環境工程,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，蕪湖賽寶信息產業技術研究院工程師，主要研究方向為可靠性與環境試驗、可靠性評價。參與完成國家產業振興和技術改造項目1項、國家自然科學基金項目1項、總裝基礎項目1項、國家火炬計劃產業化示范項目1項。發表相關學術論文4篇，獲得發明專利2項。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.025