車燈高溫耐久性性能驗(yàn)證方法研究

李祥兵，沈 陽(yáng)，王 帆

（1.神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430050；2.湖北大學(xué)材料與科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062）

車燈產(chǎn)品品質(zhì)的可靠性，主要體現(xiàn)在量產(chǎn)階段，批量產(chǎn)品所具備的性能以及產(chǎn)品在使用過程中，保證滿足技術(shù)和性能要求的能力。通常來講，驗(yàn)證車燈滿足可靠性的方法是通過模擬實(shí)際的使用環(huán)境，來考核車燈的性能是否達(dá)標(biāo)。在耐久性測(cè)試中，由于產(chǎn)品本身在實(shí)際工況下需要考核的時(shí)間較長(zhǎng)（產(chǎn)品使用壽命需要達(dá)到15年以上），這就給驗(yàn)證增加了很大的挑戰(zhàn)，為保證產(chǎn)品可靠性的達(dá)標(biāo)，就需要通過加速試驗(yàn)來驗(yàn)證。耐久加速試驗(yàn)是在更加苛刻的試驗(yàn)條件（遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際使用工況）下，對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行驗(yàn)證的一種方法。加速試驗(yàn)的難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確求出加速時(shí)間（試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)），從而達(dá)到整車使用15年以上同樣的性能或品質(zhì)耗損，一直是行業(yè)面臨的難題。

1 整車及車燈耐久性基本要求

1.1 整車耐久性基本要求

整車使用壽命通常規(guī)定為15年/220000km，即在整車整個(gè)使用壽命周期內(nèi)，所有零部件都必須正常運(yùn)行或工作，并且符合法規(guī)要求。從汽車的工作環(huán)境來看，汽車始終工作在非常復(fù)雜的環(huán)境中，具體描述如下。

整車的外部環(huán)境溫度-30～50℃，平均溫度23℃，其驗(yàn)證的時(shí)間為：最低溫度占總時(shí)間的10%，平均溫度占總時(shí)間的80%，最高溫度占總時(shí)間的10%。

在不運(yùn)行狀態(tài)下，環(huán)境溫度為-40～85℃，相對(duì)濕度為0～99%，其運(yùn)行的環(huán)境為：濕熱、干燥、灰塵、鹽霧、振動(dòng)等。

1.2 車燈耐久性基本要求

車燈作為汽車外飾上的一種重要零部件，其耐久性要求必須與整車要求相匹配。由于車燈本身是一個(gè)易損件，要保證在15年內(nèi)不更換、不損壞，幾乎無法做到，因此，對(duì)整車一般滿足3年或者5年的耐久性要求即可。在該期限內(nèi)，車燈必須能正常工作且符合法規(guī)要求，相關(guān)的外觀和功能都不能降級(jí)。

整車耐久性要求如圖1所示。為滿足這個(gè)要求，就需要對(duì)車燈各個(gè)功能根據(jù)其自身的運(yùn)行條件（比如對(duì)轉(zhuǎn)向燈而言，根據(jù)其激活或不激活的時(shí)間以及廣大用戶使用轉(zhuǎn)向燈的頻次）定義滿足整車性能要求的車燈總的激活時(shí)間。該時(shí)間即作為車燈在試驗(yàn)過程中的持續(xù)時(shí)間。表1根據(jù)世界各個(gè)國(guó)家不同地區(qū)經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查確定的尾燈各個(gè)功能的激活次數(shù)和激活時(shí)間。

圖1 整車耐久性要求

表1 尾燈各功能的激活時(shí)間

2 車燈耐久性試驗(yàn)方法

2.1 測(cè)試流程

車燈耐久性性能測(cè)試受多種因素決定，由于車燈及電路板自發(fā)熱現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致車燈耐久性測(cè)試更加復(fù)雜。通常，在對(duì)車燈進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，首先要對(duì)車燈的自發(fā)熱溫度進(jìn)行測(cè)試，然后由此計(jì)算相關(guān)的加速因子及加速時(shí)間，并判斷電路板的性能是否合格。耐久性性能測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 耐久性性能測(cè)試流程

2.2 車燈自發(fā)熱的測(cè)量

當(dāng)前大部分車燈都使用了LED光源及電路板，故車燈被看作是一個(gè)電子件。在通電點(diǎn)亮過程中，時(shí)刻存在自發(fā)熱情況。電子設(shè)備在工作時(shí)候產(chǎn)生了熱量，使設(shè)備內(nèi)部溫度迅速上升，引起電路板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在，電子器件及線路均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化，若不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)持續(xù)升溫，器件就會(huì)因過熱導(dǎo)致失效，電子設(shè)備的可靠性將下降。因此，對(duì)電路板進(jìn)行散熱處理十分重要。

車燈的使用壽命，常常決定于車燈在正常工作溫度下，其自發(fā)熱的溫度是否超標(biāo)。車燈的自發(fā)熱對(duì)車燈的影響主要有兩部分：注塑件以及電路板。對(duì)注塑件而言，只要保證在一定的環(huán)境溫度下，按照正常的點(diǎn)燈循環(huán)工作，以及在高溫下點(diǎn)燈，注塑件無變形、無熔化、無泛彩即可。而對(duì)于電路板而言，由于自身存在發(fā)熱，因此它的情況會(huì)更復(fù)雜一些。

測(cè)量車燈的自發(fā)熱，主要用于確定車燈本身發(fā)熱的最高溫度。這些測(cè)量值能夠幫助判斷車燈對(duì)環(huán)境條件的承受能力，并決定高溫耐久性能試驗(yàn)以及電路板性能試驗(yàn)的方法。

通常，車燈耐熱性能測(cè)試方式是在不通風(fēng)的前提下，將車燈放置于大氣環(huán)境中（23±5℃），測(cè)量每個(gè)有源器件的表面溫度，然后將車燈放置在最高運(yùn)行溫度下（對(duì)于外飾件而言，通常定義為85℃），使用熱電偶或紅外相機(jī)等測(cè)量裝置測(cè)量每個(gè)元器件的表面溫度。在這些表面溫度上，各個(gè)元器件的焊盤相對(duì)于其他部位溫度更高。如果各個(gè)焊盤的溫度低于焊盤技術(shù)要求規(guī)定的極限溫度，則認(rèn)為試驗(yàn)合格。

2.3 加速因子

為保證在一個(gè)相對(duì)比較短且能接受的時(shí)間范圍內(nèi)，能快速驗(yàn)證出產(chǎn)品本身的耐久可靠性，就需要在一個(gè)相對(duì)苛刻的試驗(yàn)條件下，在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品可靠性的驗(yàn)證。

加速因子是用來求解加速時(shí)間的重要參數(shù)。在本研究項(xiàng)目中，產(chǎn)品的加速因子采用如下模型來計(jì)算：

式中：E——激活能量，通常取0.7eV；k——波爾茨曼常數(shù)，取8.6×10；T——在實(shí)際工況下對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度，K；T——在試驗(yàn)室模擬條件對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度，K。一般而言，加速因子應(yīng)小于10，使老化現(xiàn)象更具有代表性。

2.4 耐高溫的持續(xù)時(shí)間

耐高溫的持續(xù)時(shí)間，即在試驗(yàn)條件相對(duì)正常使用條件加嚴(yán)的前提下，完成試驗(yàn)需要持續(xù)的時(shí)間。該持續(xù)時(shí)間與加速因子有關(guān)，其模型如下。

式中：A——在車上持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

對(duì)某個(gè)特定的零件或特定的功能而言，在車上運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間是固定的。比如，對(duì)于近光燈，在整車15年220000km的使用壽命下，其持續(xù)時(shí)間是15000h。

2.5 加速因子影響因素

通常而言，加速因子與下面兩種情況下的溫度差有關(guān)。

2.5.1 零件在整車實(shí)際運(yùn)行條件下的最高溫度

根據(jù)公式：

在技術(shù)文件中，一般定義運(yùn)行時(shí)，T為常溫（23±5℃），ΔT（T）由車燈自加熱試驗(yàn)確定，單位是K，即在常溫下（如尾燈在車上的環(huán)境溫度35℃）電路板自加熱時(shí)，元器件表面溫度與溫度箱溫度之間的差值，通常用溫度傳感器或紅外相機(jī)測(cè)量每個(gè)元器件的表面溫度，即可以得到T。

2.5.2 零件在試驗(yàn)箱中運(yùn)行時(shí)的最高溫度

根據(jù)公式：

在試驗(yàn)條件下，一般定義試驗(yàn)室的環(huán)境溫度為85℃，在這種情況下，用溫度傳感器或紅外相機(jī)測(cè)量出對(duì)應(yīng)的焊盤最高溫度。要注意的是，對(duì)于每一個(gè)元器件的表面溫度，均不能超過元器件本身所規(guī)定的溫度使用范圍。

2.6 玻璃轉(zhuǎn)換溫度及要求

玻璃轉(zhuǎn)換溫度（Glass Transition Temperature，T）一般指塑料在玻璃態(tài)—橡膠態(tài)相互轉(zhuǎn)移時(shí)的溫度，它是環(huán)氧樹脂最重要的性能之一，也是PCB玻璃纖維布的品質(zhì)指標(biāo)之一。這個(gè)溫度一般指塑料微觀中高分子開始有大鏈接運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度。若應(yīng)用溫度高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度，分子鏈接會(huì)有更多的自由度可以運(yùn)動(dòng)，塑料件會(huì)呈現(xiàn)出柔軟可繞曲的橡膠態(tài)。若應(yīng)用溫度低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度，分子鏈接的運(yùn)動(dòng)大部分會(huì)被凍結(jié)，從而呈現(xiàn)出較多的晶格狀排列，即塑料呈現(xiàn)出玻璃態(tài)，堅(jiān)硬但容易脆裂。在本項(xiàng)目實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，PCB表面溫度驗(yàn)證階段基于如下模型來判斷實(shí)際溫度是否滿足設(shè)計(jì)要求：

3 車燈耐久性能驗(yàn)證舉例

3.1 試驗(yàn)條件

本項(xiàng)目開發(fā)了一款LED尾燈，其具有位置燈、制動(dòng)燈、轉(zhuǎn)向燈功能，各功能均采用LED技術(shù)，其中位置燈與制動(dòng)燈共用LED光源，用PWM技術(shù)來控制亮度和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的均勻性。

3.2 自加熱測(cè)量

在環(huán)境溫度為常溫下（不通風(fēng)）（23±5℃），測(cè)量車燈內(nèi)部所有有源器件表面的溫度。車燈內(nèi)的有源器件基本都集中在電路板上。電路板的自加熱測(cè)量如圖3所示，自加熱測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

圖3 電路板的自加熱測(cè)量

表2 電路板自加熱測(cè)量數(shù)據(jù)

3.3 加速因子及驗(yàn)證時(shí)間的計(jì)算

根據(jù)前面描述的模型（1）～（4），計(jì)算出各個(gè)功能的加速因子和試驗(yàn)加速時(shí)間如表3所示。尾燈各個(gè)功能對(duì)應(yīng)的激活時(shí)間（在滿足整車15年220000km的情況下對(duì)應(yīng)的車燈激活時(shí)間）參照表1。

表3 加速時(shí)間計(jì)算

從上述計(jì)算的加速時(shí)間來看，時(shí)間長(zhǎng)短不一，但相對(duì)于本身的壽命要求（對(duì)于外部車燈，正常工作溫度最高為50℃，時(shí)間長(zhǎng)度5年），在試驗(yàn)過程中，只需要驗(yàn)證在最高運(yùn)行溫度85℃環(huán)境溫度下，在所計(jì)算出的加速時(shí)間下，車燈的功能、外觀及性能是否存在降級(jí)，繼而來判斷車燈是否滿足可靠性性能要求，這樣試驗(yàn)過程就更具可操作性。

3.4 玻璃轉(zhuǎn)化溫度判斷

從上述測(cè)量結(jié)果（表2）來看，在最高運(yùn)行溫度下測(cè)量得到，TR9溫度最高為147.75℃，根據(jù)模型（5）得到：

1.15×[T+ΔT（T）]=1.15×147.75=169.92℃（6）

通過查詢，LED中環(huán)氧樹脂的玻璃轉(zhuǎn)化溫度一般為240℃，故：T＞1.15×[T+ΔT（T）]，滿足要求，即在正常溫度范圍內(nèi)，電路板的性能滿足要求。

4 結(jié)論與展望

基于電路自發(fā)熱的基本原理，創(chuàng)建了一系列數(shù)學(xué)模型來表征加速耐久性性能驗(yàn)證方法，并通過尾燈的開發(fā)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，所提出的驗(yàn)證模型，能很好表征耐久加速時(shí)間的確定以及電路板的性能。在未來的耐久性驗(yàn)證研究中，還將從驗(yàn)證的流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，將加速因子的計(jì)算或獲取更加簡(jiǎn)單化，并更好地模擬實(shí)際狀態(tài)。