汽车零部件检测实验室

广电实验室专辑|符合高可靠度需求验证测试有助汽车电子升级

 


  • 百年来,在汽车工业推展下,带动如材料、石化及机械及电子等产业的蓬勃,特别是在电子产业技术急速发展下,也让车辆工业技术由传统机械化转变为智能电子化。近年来,种类繁多的电子科技陆续被运用于汽车领域,如导航、辨识、雷达等,因此电子装置已成为汽车领域新技术组成的一员。
  • 比较电子装置与机械装置之差异,前者具有优越的汽车控制功能,以及可整合汽车各类系统(如安全防护、驾驶信息等)等性能,且具有成本、多样化和高设计弹性优势;另外,一般电子装置的特性或寿命较易受到使用环境条件影响,若与工业用或民生用电子装置相较,安装于汽车的电子装置因长时间暴露于大气外部,且受限于随机环境效应,如电压变动、高/低温度与振动等,因此须具备较高可靠度与高寿命特点。
  • 有鉴于此,本文首先将说明针对车辆电子之特殊环境效应,其次再针对现今开发之车用电子装置,于设计验证(Develop Validation,DV)阶段所面临之环境可靠度验证要求进行介绍,以协助台湾汽车电子产业技术升级。
  • 车辆开发须考虑环境因子/效应
  • 汽车长期行驶和暴露于户外,加上驾驶者的操作习惯与休闲爱好不同,此外汽车行驶过程如同一座工厂,会产生高温、噪音及规则或不规则之振动效应等,总的来说,汽车环境可包含自然环境因素与诱发因素两种。
  • 自然环境因素包含每天汽车可能行驶之理区域的气候变化环境,包括温度(高或低温)、温度变化、风雪、尘及太阳辐射等。而诱发因素则为自然环境除外之因素,例如个人驾驶习惯(涉水、行驶不良路面等)、汽车本身因素(如引擎室高温、引擎振动或电源噪声等),然而这些因素的组合可能同时发生。在某些情况下,这些因素组合效应往往较个别环境因素相加更加严苛。
  • 因此,对汽车电子开发人员而言,除了要认知系统所会面临到的环境效应外,更须熟悉后续进行DV阶段验证时,如何选定或设计恰当的试验项目与方式,例如一般湿度试验必须在高、低温循环下进行,因为此种组合式环境测试对于确认组件的密合性非常重要。另外,对于某些组件来说,高、低温与振动为另一种重要的组合式环境测试项目,其在不同疲劳效应复合下确认结构破坏。工程人员在设计分析时,就必须仔细研究汽车电子在整体环境效应或因素下,对装置安装位置影响之可能性,若有可能产生影响,组合式环境测试就必须考虑。一般而言,汽车电子与一般消费性电子之共同环境因子最主要有热和振动,而汽车电子更包括其他环境因子,以下将针对重要环境因子作简单说明。
  • 温度为最常见的环境因素
  • 温度因素对汽车电子装置是最常见的环境影响因子,包含高温、低温与温度变化三种。其来源包含以下几种:
  • 大气环境
  • 包含每天与季节性的温度循环,也必须考虑不同地理位置所造成的天候温度变化,例如冬天汽车行驶在加拿大北方,但同时在夏天也可能行驶在美国亚利桑那州的沙漠,此温度变化可达摄氏-40~80℃。
  • 汽车行驶时所产生之热源与散热
  • 主要由于来自引擎、传动系统及煞车系统之散热,因此汽车行驶时会产生许多温度变化过程,如经研究调查显示引擎表面温度的变动中,由排气系统表面至散热装置温差可达88~650℃,当然这类变化包含在不同之行驶模式下所产生的热传导、对流与辐射。
  • 电子装置本身散热
  • 最恶劣的情况是复合上述二种来源,将造成系统与装置散热不佳,必须在电力消耗上,提供更大稳态电压。
  • 汽车驾驶模式与装置安装位置
  • 受到邻近系统和装置所产生的最大热能与散热温度之影响。
  • 装车前之高低温储存与搬运
  • 一般空运货柜因为没有加温状态下,使得系统和装置的储存温度最低可达-50℃。另外,温度造成主要失效模式包含以下:
  • 温度循环效应
  • 包括印刷电路板(PCB)或陶瓷基板破裂、热应力或焊点疲劳失效、PCB与其他连接系统基板层脱落以及不同热膨胀所造成的直接机械应力,使得电路组件失效。
  • 高温效应
  • 涵盖聚合物或其他外壳零件变形或融化;被动组件特性发生变化,包含阻值与电容介电常数永久或暂时变化;因焊锡机械特性的改变而造成焊点强度发生变化;转动件间出现裂缝或破裂使水汽渗入结冰,造成强大的机械应力。
  • 低温效应
  • 包含转动件间润滑丧失;材料脆化,机械强度丧失;电性改变;液晶固化,造成屏幕画面亮度衰减,影像反应速率降低。
  • 湿度主要来自气候的湿气
  • 包含主要湿度与辅助湿度二种。主要湿度为环境气候所衍生之湿气,而辅助湿度即周遭湿气和车内操作产生之热源所产生的温度与机械应力,造成密封垫圈之内外气压变化,而这些温度变化所形成的温度梯度,将会造成水滴在系统和装置内外流动,对密封垫圈产生额外的应力。一般车内实际相对湿度会取决于车上操作热源的位置、水气、冷气与冷却效应,研究数据显示在38℃时会有98%的相对湿度。
  • 湿度所造成之主要失效模式包含电镀、电解、与水反应和pH值变化而造成金属部分锈蚀,其他亦有电气特性改变、电路间表面连接与有机物分解等。
  • 振动由引擎/道路引起
  • 振动为汽车常见之现象,而振动来源来自引擎作动或悬吊系统避震时所产生,这也是环境验证重要项目之一。振动的大小随着从引擎怠速到高速行驶崎岖道路会有所不同,而且随着汽车上不同位置,其振动响应也会有所差异(图1)。
  • 图1 汽车不同位置之振动加速度响应。(左)车内仪表(右)车外底盘
  • 振动所造成之主要失效模式包括因接头设计或装配不良而无法进行电力连接;因应力集中点之金属疲劳,使装置内部产生共振而失效;控制组件的加速度响应而造成装置性能变差;密合处与其他接口的机械弯曲,造成其他环测因素的入侵。
  • 盐雾腐蚀由车外带进车内
  • 通常车辆底盘、外装与引擎盖内部的电子装置容易受到盐雾的影响,如海边与路面因海风和天候较冷而有盐雾出现,或在冬季下雪之路面洒盐来除雪。虽然盐雾一般不会出现在车内与行李箱,但往往会随驾驶、乘客、系统和装置从车外进入车内时,而将残留盐粒成分留置车内或装置内部。盐雾所造成主要失效模式与水气大致相同,但针对盐份与pH值变化反而加速腐蚀并改变导电率。
  • 砂尘与碎石影响底盘极大
  • 砂尘对底盘、引擎室与外部电子装置有非常大的影响,因此,长期间可能对车内的仪表板下方与座椅处之电子装置造成问题。对底盘、外装与引擎室内部而言,飞尘是相当重要的环境因素。此外,碎石撞击对底盘与外部电子装置影响也相当大。
  • 砂尘与碎石主要会对活动与转动组件造成影响,不仅会使其导电(空气中磨擦产生静电后附着于PCB),此外,有些机电组件虽能防尘,但大型砂石却会影响或完全阻碍其机械动作,特别是在沙漠地区更加严重。
  • 电力特性受严重环境影响
  • 一般汽车行驶环境比大部分的电机电子装置还要严苛,其独特的因素与其他汽车电子装置会相互的影响,其包含电源电压变动、瞬时噪声电压、突波压降、使用者自行外加安装而所产生之干扰和电磁场等。通常汽车电气特性可归纳为下列二大类:
  • 稳态电力特性
  • 包含汽车特性频率在1Hz以下的直流电压变动量。
  • 瞬时电力特性
  • 包含所有噪声与特性频率在1Hz以上的瞬间高压。
  • 在正常行驶状态下,汽车的电压通常维持在+11~+16VDC之间,但在某些情况下,电源电压可能会降至约+9VDC或更低,此现象通常发生于汽车怠速状态下,有大量电力负载(如头灯系统与空调系统等)或电瓶消耗部分电力时。因此,随着应用的不同,工程人员在设计规格时,应确保+9~+16VDC电压范围间电子装置可正常运作。而对于引擎启动时电压范围设计,在-40℃温度冷车启动时,会造成+12VDC标准电压降至+4.5~+6VDC之间。
  • 在引擎启动后,电子装置性能一般在电压范围操作会稍微变差,因此,工程人员应注意电压与温度变化间造成失效之可能性。另外,在外部环境与内部散热而致使电压过大与高温的问题,均可能会造成电子装置温度过高而导致失效,电压过低也可能造成性能变差或无法操作。
  • 化学物质会影电子装置质量
  • 汽车电子装置会曝露在环境中或汽车本身产生之化学品与油污下,这类化学物质通常包括有汽油、引擎机油与添加剂、传动机油、后轮车轴机油、动力方向油、煞车油、清洗剂等。而当这些物质因老化或受到污染变质时,就得考虑化学特性的改变所造成之影响。电子装置外壳密封性不佳,也会造成内部组件锈蚀或受到污染,将会影响如传感器等电子装置之使用寿命。
  • 国际环境可靠度验证持续更迭
  • 国内车辆电子发展时间较国外晚,但在开发技术及产品性能有较大的提升空间,再者,除既有后装市场(AM)市场的竞争外,国内在原始设备制造商(OEM)市场也占有相当比重,但技术仍受限于技术母厂。而面对汽车电子装置日渐发展及应用,相形之下,其安全性及性能就必须要有相当之保障,以提供行车及人员更佳之安全。
  • 目前国内针对汽车电子装置相关法规仅针对安全类之气体放电式头灯有所规范,而国家标准CNS9589车用电子设备环境试验通则制定,距今已近26年之久,相较之下,国际上的标准化相当积极。
  • 由1978年国际汽车电子标准制定发展历程(图2)观之,2000年国外新的汽车电子标准相继颁布,诸如欧盟ECER98、R99气体放电式头灯、美国SAEJ2657胎压监控系统(TPMS)、日本JASOD014道路车辆电子装置环境验证条件及国际标准化组织ISO21750TPMS、ISO16750道路车辆电子装置环境验证条件等。其中以ISO16750较被关注,如前面所述,汽车电子随着电子科技发展,以往制定之验证标准已无法符合现今高可靠度需求,而国际车厂也持续投入在电子科技应用。因此,2000年始,ISO国际标准化组织结合各大车厂之会员,开始着手拟订符合现代高可靠度要求之汽车电子环境验证标准,并于2003年公告第一版,随着相关验证技术之成熟,目前此标准已更新至第三版(2007),可说是国际汽车电子环境验证最新标准,也由于内容涵盖各大车厂之验证精髓,为目前最严苛的国际验证标准。
  • 图2 汽车电子环境可靠度验证标准发展历程
  • 目前日本已针对其国内汽车标准JASO完成与ISO调和,而积极发展汽车产业的中国大陆与台湾等国家也开始进行调和告。因此,为让国内业者可对此验证标准内涵有所了解,下期将针对ISO16750对汽车电子装置验证要求作说明,以期提供国内业者无论跨足汽车电子的AM或OEM前,对本身开发之产品所需之环境可靠度验证提供作为参考。