當前位置: 華文世界 > 數碼

汽車電子/電氣部件的可靠性

2024-03-21數碼

汽車技術發展的一個重要趨勢是采用越來越多的電子/電氣系統,它們與機械系統相結合組成機電系統,例如汽車音響系統、電動車窗、電動座椅、發動機電噴系統、防抱死制動系統,自動變速器、電控可變力轉向系統、安全氣囊等。這些系統如果發生故障往往會造成比較高的經濟損失和基本功能的喪失,甚至可能引起安全性事故,這使得這些系統的可靠性保證成為汽車可靠性工程需要研究的重要內容。

可靠性工程和管理主要是在應對電子器材的可靠性問題中成長起來的。電子系統的設計和構造需要采用大量相似的元件,但是汽車電子系統設計和制造工程師不太好控制它們。例如,對於一種給定的邏輯功能,可能選擇一種特定的集成電路裝置。設計人員往往選用產品目錄中列出的產品。所采用裝置的可靠性主要透過在制造過程中采取的質素控制方法來控制。電路設計人員一般很難控制裝置的可靠性。自從開始生產復雜電子系統起,這種趨勢變得越來越顯著,隨著品體管讓位於集成電路(integral circuit,IC),大規模集成電路(large scale integration,LSI)和很大規模集成電路(very large scale integration,VLSI),由於電子系統設計人員大量選用「黑箱」,即標準集成電路,他們對一些影響可靠性的主要因素的控制能力也減弱了,但是這並不是說,設計人員保證可靠性的作用已經消逝。相反,電子系統的設計人員必須是可靠性團隊的一員,這個團隊還包括來自生產、質素控制、試驗策劃、可靠性工程和其他部門的人員。沒有這樣一種團隊工作方式,設計人員所作出的在功能上是正確的設計就可能很不可靠。

對於大部份電子元件和系統,可靠性的主要決定因素是所有生產過程的質素控制。對於非電子產品,也是這種情況。但是,大部份非電子器材一般便於進行檢驗和試驗,足以保證它們可靠地工作。而電子產品的檢驗一般都比較困難,因為它們幾乎都是封裝的。事實上,除了對可靠性要求極高的產品進行X射線檢驗以外,一般不可能對其內部進行檢驗。電子元件的生產變差會不可避免地對元件母體的分布規律造成影響。大缺陷(例如效能參數超出規範限)一般可以利用自動或手工檢驗探測出來。但是,不馬上影響效能的缺陷往往是引起電子元件失效的主要原因。而這些缺陷難以可靠地探測出來。

考慮一種典型的電子元件失效機理:導線與電子元件導電材料的焊點有缺陷。在電阻,晶體管或集成電路中都可能出現這種情況。在制造完成以後的試驗中以及所有的功能試驗中,帶有這些薄弱焊點的電子裝置可能表現正常。事實上,沒有實用的方法來探測這些缺陷。但是,在以後的某個時間,由於機械應力或過熱(由於流經這些缺陷焊點的電流產生比較多的熱量引起的過熱),這些焊點就會失效。幾種其他的失效機理也可能造成類似的失效現象,例如在半導體材料中的缺陷和密封件缺陷等。

典型的電子失效機理是缺陷元件的過應力(overstress)失效。對於「好」元件,在規定的時間施加規定的載荷將不會引起失效。盡管每一個缺陷元件都會有一個獨特的壽命特性,具體取決於缺陷的性質和所施加的載荷,但還是有可能對電子元件的失效分布規律進行歸納。例如,缺陷焊點的失效時間可能受到所施加的電壓、環境溫度和機械振動等的影響。其中溫度變化是加速其他失效機理(例如在一塊矽品中的缺陷)引起失效的主要原因。在半導體裝置中,溫度升高會導致更大的電流透過,這種正反饋作用可以導致「熱失控」(thermal runaway)。在電子裝置中的缺陷可以導致比較高的局部電流密度,當超過缺陷元件可以承受的臨界值時就會引起失效。經驗表明,對於大部份電子元件,溫度和電壓是加速失效發生的主要因素。電子元件一般都具有隨時間下降的失效率(早期失效),這是因為隨著缺陷(薄弱)元件的失效和被排除,在總體中的缺陷元件比例被減小了。與此類似,可修的電子系統通常也表現出隨著時間下降的失效率,這是因為缺陷元件失效以後被進行了更換,系統的制造缺陷(例如焊點缺陷)顯現以後進行了修理。電子元件或系統很少表現出磨損(wearout)特性(失效率隨著時間增大)。

當然,並不能說,所有電子系統的失效都是由缺陷元件造成的。設計人員仍然有責任確保施加到元件上的載荷不超過額定值或降額值,無論是在穩態、瞬態試驗還是在工作條件下。由於電子元件的可靠性受溫度影響,所以在設計中應該註意采用措施降低溫度,特別是局部「熱點」(hot spots)的溫度。總之,設計人員應該采用各種可靠性設計方法來保證電子產品的可靠性。

電子系統的失效也可能是由於元件中的參數漂移(parameter drift)、焊點缺陷導致的短路、繼電器電阻過高、電容器電介質擊穿等原因引起,也應該采取措施予以解決。

原則上講,可以把每一個電子部件(單一元件或電子儀器)作為一個「黑厘子」來考慮。一個「黑匣子」必須滿足一定的功能要求,其一般與其他系統以介面、輸入/輸出通道、電源介面等形式相連。通常,機械系統與電子系統有緊密的聯系。機械故障和幹擾通常對電子器件具有影響,所以「黑匣子」往往需要包括電子和機械兩個方面。「黑匣子」特性的任何一個偏差均被認為是失效。這種失效的種類一般包括:

(1)功能完全喪失:

(2)部份功能喪失;

(3)漂移現象(特性發生暫時的,或者是可逆轉的變化)

這種功能分析方式與非電子器件相比並沒有原則性的差別,所以其可靠性試驗與分析方法也基本上相同。