基于Peck模型的汽车电子产品加速试验设计.pdf

测试设备/Test equipment92AutoelectricpartsNo.10,2023基于Peck模型的汽车电子产品加速试验设计刘建飞，王涛，王秀鑫，曲岚峰，杨宸宁(潍柴动力股份有限公司，山东潍坊2 6 10 0 0)【摘要】随着汽车电子产品寿命的不断增加，加速老化寿命试验已成为产品研发过程中必不可少的一环。本文采用Peck模型对汽车电子产品的加速模式进行分析，结合指数寿命分布与MTBF进行加速老化寿命试验设计。通过介绍实际加速老化寿命试验的设计过程，为相关从业者提供参考。【关键词】Peck模型；加速老化寿命试验；指数分布；MTBF；汽车电子产品中图分类号：U463.6Design of Acceleration Test for Automotive Electronic Products Based on Peck ModelLIU Jianfei,WANG Tao,WANG Xiuxin,QU Lanfeng,YANG Chenning(Weichai Power Co.,Ltd,Weifang 261000,China)【A b s t r a c t)W i t h t h e i n c r e a s i n g l i f e s p a n o f a u t o mo t i v e e l e c t r o n i c p r o d u c t s,a c c e l e r a t e d l i f e a g i n g t e s t h a sbecome an indispensable part of product research and development.In this paper,the acceleration mode ofautomotive electronic products was analyzed by Peck model,and the accelerated aging life test was designed bycombining exponential life distribution and MTBF.The design process of accelerated life aging test is introduced toprovide reference for relevant practitioners.Key words Peck model;accelerated life aging test;exponential distribution;MTBF;automotive electronics作者简介刘建飞（198 5一），男，硕士，主要研究方向为发动机电子控制单元。1引言随着汽车电子行业的不断发展，产品的应用场景也变得愈加全面。多场景的应用，自然对产品的期望寿命与可靠性提出了更高的要求，因此在如今开发周期缩短以及多产品并行的高速研发阶段，绝大部分的车企都会在产品量产前进行一定的加速老化寿命试验以验证其性能。单一对产品的工作环境进行模拟试验，其所需要的时间成本以及经济成本往往是不可被接受的。特别是在如今高速研发的现状下，长时间的寿命耐久验证试验足够同类产品进行几轮更新换代。对于大多数主流的汽车电子产品而言，通常需要对其正常工作期间的失效模式进行分析，并进行适当的加速老化。而加速老化寿命试验就是一种通过故障激发的方式在短期内暴露产品在寿命期间需要较长时间才能出现缺陷的试验。几乎所有的加速老化寿命试验都是通过增加环境应力量级的方式，造成与产品期望寿命内等效的失效模式。主流的加速老化寿命试验有两种，一种是定性试验，另一种则为定量试验。定性实验通常指高加速寿命试验，通过分析应力-强度干涉模型得到理论工作极限叫。在加速应力提高至理论工作极限值的过程中，所有出现的失效模式原则上均是需要整改的缺陷。这种定性试验一般在产品的初始研发阶段进行，旨在提高产品自身的强度。定量试验则是收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 95文献标识码：A文章编号：10 0 3-8 6 3 9 2 0 2 3）10-0 0 9 2-0 3基于产品需求的可靠性表1应力类型与试验标准对照表试验，匹配所要满足的应力类型置信度、可靠度等指标。温度应力温度、温度循环、温变GB/T 34986试验标准将化学应力应力类型分为4种，分别电气应力为温度应力、化学应力、机械应力电气应力以及机械应力，具体分类见表1。在加速寿命老化过程中，需要根据加速应力类型与其对应的失效模式进行匹配。据相关数据统计，在汽车电子产品寿命期内出现的所有失效模式中，温度应力类型所激发出的故障数量是所有应力类型中最多的。温度应力因其高效的故障激发效率，也成为了加速老化寿命试验中最为常用的应力类型 2 。2Peck模型关于温度应力类型的试验，目前大多分为高温试验、低温试验、温冲试验等。其中，对于样件可靠性等级较高的试验包括湿热试验。顾名思义，湿热试验是一种模仿高温高湿环境的可靠性试验，用于检测样件因潮湿环境而出现某些电气故障。因而湿热也成为了加速产品失效过程的一种应力。对湿热应力加速效果进行描述的试验模型有很多，如Arrhenius模型、Eyring模型以及Peck模型。Arrhenius模型是一种典型的温度应力加速模型，用于描述产品长时间运行在高温环境中的加速效果。Eyring模型则与Arrhenius模型不同，适用于多种载荷的温度应力类型。在结合了Arrhenius模载荷湿度、腐蚀电压、电流、电源振动、冲击、脉冲93Testequipment/测试设备汽车电器2 0 2 3年第10 期型以及Eyring模型等特点，Peck于19 8 6 年提出了Peck模型。作为一种主流的加速试验模型，Peck模型通常适用于温度应力与湿度应力并行的工作场景。通过对当前试验环境的温度以及相对湿度特征参数进行分析计算，完成产品期望寿命的描述3。Peck模型将产品的寿命描述分为湿度、温度两部分，具体表达式如下：tpck=humX ten=(BrumRhum)(Alem e式中：tm湿度应力寿命描述部分；tom温度应力寿命描述部分；Bhum湿度常数；Rhm相对湿度；n模型参数；Aiem温度热常数；K激活能；Ta绝对温度；EBoltzman常数。与GB/T34986产品加速试验方法中描述相同，湿热试验的加速效果为二者（湿度、温度）加速因子的乘积。因为不同类型产品其结构可能存在差异且内部电路功率有所不同，所以各个参考点的温度值也会存在差异。通常，功率较大电路的参考温度值相比于功率较小电路的温度值要高，所以在加速寿命试验过程中，绝对温度Tem通常选择各个参考点的中位数或方均根值。由此，根据实际工作环境或加速试验环境的温度以及相对湿度参数不同，可以计算出该产品的期望寿命或加速寿命值。当两者所激发的失效模式性质相同时，便可视为后者相较于前者进行了加速老化寿命试验。加速时间因子为两者试验时间的比值，即为：nEKTolAF=LradTaetstesRield因为式(2)中的n、EA、K 均为固定参数，所以加速时间因子AF主要由实际工作环境以及加速试验环境中的温湿度参数决定。当加速试验环境中的温湿度参数量级增加时，加速时间因子也随之增加。3加速老化寿命试验设计在实际过程中，一个有效的加速老化寿命试验设计往往需要考虑较多因素，比如样件的数量、加速试验的时间以及可靠性指标等。只有当所有的参数指标均满足产品设定需求时，加速老化寿命试验的结果才具备一定的说服力。在加速试验方案设计时，首要就是分析该类型产品的寿命分布方式，不同的寿命分布往往会在试验参数上有着较大的差异。目前已知的产品寿命分布形式大多为指数分布、威布尔分布以及正态分布。其中，大部分的汽车电子产品寿命均服从指数分布，其寿命时间的分布概率如下。e*,x0,(入 0)lo,其它顾名思义，寿命时间分布概率是产品在当前时刻出现失效模式的概率，如图1所示。产品寿命时间的概率随时间的增加而不断降低，且不同的入所对应的分布模型其寿命时间的概率分布也有所不同。产品的失效分布函数，即为在时间点t时已经失效的概入13E)KTa)(1)1(2)(3)寿命时间图1指数寿命分布模型率总和。F(t)=/.f(x)dx=1-e-与失效分布函数相对应，可靠度函数就是当前时刻产品未失效的概率函数，即R(t)=1-F(t)=e-显然，时间点越小，则产品的可靠性越大。此时，失效率定义发生故障的产品数与正常工作的产品数之比，即为当前时刻的产品寿命概率与可靠度的比值。入(t)=f(t)/R(t)=入由此可知，当产品运行时间为时，在所有N个产品中随机抽取n个，失效数量r为c的概率服从二项分布，为F(t)xR(t)。因为汽车电子产品的实际失效率往往很小，所以(7)F(t)=入t(8)汽车电子产品的置信度通常被定义为真实效率等于允许的最大失效率时而被判为不合格的几率，即C=1-2(nat)xe-nl=0！由此，可知当失效个数c为0 时，产品的置信度往往最大且样件数量最小，为(10)n=ln(R(t)由式(10)可知，指数寿命分布加速试验的样件数量仅与其置信度、可靠度指标有关，而与运行时间或量产数量无直接联系。在得到加速老化寿命试验所需的样件数量与期望失效样件数量后，便可分析计算所需要的加速试验时间。通常情况下，采用MTBF（M e a n T im e Be t w e e n Fa ilu r e，平均故障工作时间）作为加速试验时间进行参考计算。MTBF是汽车电子产品所出现的两次失效模式之间的平均运行时间。在加速老化寿命试验中，试验时间为MTBF与其对应的时间因子的乘积，如tacc=-n式中：tac加速老化寿命试验时间；Cac时间因子；MTBF期望无故障时间。当n块样件运行时间tac后，若无一块样件出现失效模式，则认为该产品满足置信度C的要求。(4)(5)(6)R(t)1-入t(9)ln(1-C)CacMTBF(11)测试设备/Test equipment94AutoelectricpartsNo.10,20234示例假设某汽车电子产品需要在相对湿度为6 5%，并且温度为6 0 的工作环境下运行8 0 0 0 0 h。按照甲方需求，该产品的置信度为50%，可靠度为0.95。参照同类型相关产品通过大数据统计的寿命时间，确定该产品的寿命时间服从指数分布。根据上述要求，对该产品进行相关可靠性试验。在设计试验方案过程中，需要确定加速环境参数以及样件数量。为尽可能地减少所需要的时间及经济成本，将失效样件数量设为0 块，并代人置信度以及可靠度参数，计算出所需样件数量为2 3块。此时，当2 3块样件均不出现问题时，可判定该产品满足置信度50%的需求。在试验时间计算上，将产品期望寿命作为MTBF，代人置信度、时间因子以及允许失效样件数，可得到加速老化寿命试验的总体时间为239659h。在试验环境参数选择上，则需要根据实际条件以及产品的硬件性能进行选择。但需要注意的是，在提高环境应力量级时，要确保高量级应力与实际工作环境所造成的失效模式性质相同。参照IS016750-4相关试验参数，罗列了几组常见的温度湿度参数并计算加速因子及试验时间，见表2。由表2 可知，当温湿度均相对提高时，试验时间已大大表2 温湿度参数加速因子计算组别温度/165270375465570675765870975缩短。经过实际因素考虑，这里选择组4加速环境。当2 3块样件在温度6 5、相对湿度8 5%的加速环境下运行412 9.9 7 h内均不失效时，可认为该样件满足需求。5结束语本文基于目前定量加速试验的相关方法，对常见的应力类型进行了详细介绍。因湿热类型试验的产品失效激发率最高，结合Peck模型对湿热试验的加速过程进行了一定的分析。之后，基于目前汽车产品常用的指数寿命分布方式进行分析，计算了可靠度、失效率以及置信度等可靠性试验相关参数。通过结合Peck模型以及指数寿命分布方式，完成了湿热试验设计过程的示例，以及产品是否满足所设定可靠性指标的判断依据，为后续从业者进行相关的定量加速试验设计提供了依据。参考文献：1】康京山，李科，任伟光，等电子产品高加速寿命试验的实践及案例分析 J。电子产品可靠性与环境试验，2022,40(6):25-32.2 HOBBSGreggK.高加速寿命试验与高加速应力筛选M.丁其伯，译.北京：航空工业出版社，2 0 12.湿度/%加速因子试验时间/h802.195802.962803.965852.523853.405854.558902.877903.883905.1973 王裕鹏，高鑫，陈文淼，等基于Arrhenius模型的汽车4747.12电子产品加速寿命试验设计分析 J装备环境工程，2019,16(3):22-25.3517.874 2627.97.现代雷达，2 0 2 2，44(9)：8 5-9 2.4129.975 岳峰，史志伟.基于Hallberg-Peck模型的继电保护装置3060.18寿命评估及加速试验 J电工技术，2 0 2 2，57 1（13)：2286.07107-109.4621.806周静丽.加速试验在工业机器人MTBF验证中的应用 J3683.47环境技术，2 0 2 2，40（4)：9 3-9 9.2004.99王宏电子设备加速可靠性增长试验定量评估技术研究(编辑杨凯麟)(上接第91页）模型，在130 的温度应力下，试验时间已超出该电容的承受极限，所以，确定该PWM驱动断路故障由电容的温度耐受缺陷导致。对此，临时将其替换为温度技术规范上限更高的电容元器件，并在试验结束后进行更加细致的电容选型。4结论高加速寿命试验已被越来越多的企业采用，其高效快速的试验优势更加符合当前高速研发的现状。本文根据目前的技术发展现状进行了简单的试验过程介绍，为未来高加速寿命试验的不断完善提供了依据。参考文献：1】王涛，高鑫，谢诗轩，等.ECU可靠性试验方法与故障分析 J.汽车电器，2 0 2 2（8)：92-93.2 康京山高加速寿命试验技术分析及应用研究 1 电子产品可靠性与环境试验，2 0 2 2，40（5)：8 9-95.3 康京山，李科，任伟光，等。电子产品高加速寿命试验的实践及案例分析 电子产品可靠性与环境试验，2022,40(6):25-32.4 张鑫，韩建立，赵建印，等高加速寿命试验技术发展现状及应用展望 J装备环境工程，2 0 2 0，17（12)：13-19.5 HOBBSGreggK.高加速寿命试验与高加速应力筛选M.丁其伯，译.北京：航空工业出版社，2 0 12.6HarryW.McLean高加速寿命试验、高加速应力筛选和高加速应力审核诠释加速可靠性技术 M光电控制技术重点实验室，译.北京：航空工业出版社，2 0 14.7王裕鹏，高鑫，陈文淼，等基于Arrhenius模型的汽车电子产品加速寿命试验设计分析 装备环境工程，2019,16(3):22-25.(编辑凌波)