李祥兵，沈 陽，王 帆

（1.神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430050；2.湖北大學材料與科學學院，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，保證滿足技術和性能要求的能力。通常來講，驗證車燈滿足可靠性的方法是通過模擬實際的使用環(huán)境，來考核車燈的性能是否達標。在耐久性測試中，由于產(chǎn)品本身在實際工況下需要考核的時間較長（產(chǎn)品使用壽命需要達到15年以上），這就給驗證增加了很大的挑戰(zhàn)，為保證產(chǎn)品可靠性的達標，就需要通過加速試驗來驗證。耐久加速試驗是在更加苛刻的試驗條件（遠遠高于實際使用工況）下，對產(chǎn)品的性能進行驗證的一種方法。加速試驗的難點在于如何準確求出加速時間（試驗時長），從而達到整車使用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，即在整車整個使用壽命周期內(nèi)，所有零部件都必須正常運行或工作，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℃，其驗證的時間為：最低溫度占總時間的10%，平均溫度占總時間的80%，最高溫度占總時間的10%。

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

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，相關的外觀和功能都不能降級。

整車耐久性要求如圖1所示。為滿足這個要求，就需要對車燈各個功能根據(jù)其自身的運行條件（比如對轉(zhuǎn)向燈而言，根據(jù)其激活或不激活的時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間。該時間即作為車燈在試驗過程中的持續(xù)時間。表1根據(jù)世界各個國家不同地區(qū)經(jīng)過市場調(diào)查確定的尾燈各個功能的激活次數(shù)和激活時間。

圖1 整車耐久性要求

表1 尾燈各功能的激活時間

2 車燈耐久性試驗方法

2.1 測試流程

車燈耐久性性能測試受多種因素決定，由于車燈及電路板自發(fā)熱現(xiàn)象的存在，導致車燈耐久性測試更加復雜。通常，在對車燈進行驗證時，首先要對車燈的自發(fā)熱溫度進行測試，然后由此計算相關的加速因子及加速時間，并判斷電路板的性能是否合格。耐久性性能測試流程如圖2所示。

圖2 耐久性性能測試流程

2.2 車燈自發(fā)熱的測量

當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電子件。在通電點亮過程中，時刻存在自發(fā)熱情況。電子設備在工作時候產(chǎn)生了熱量，使設備內(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)熱強度隨功耗的大小變化，若不及時將該熱量散發(fā)，設備會持續(xù)升溫，器件就會因過熱導致失效，電子設備的可靠性將下降。因此，對電路板進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。車燈的自發(fā)熱對車燈的影響主要有兩部分：注塑件以及電路板。對注塑件而言，只要保證在一定的環(huán)境溫度下，按照正常的點燈循環(huán)工作，以及在高溫下點燈，注塑件無變形、無熔化、無泛彩即可。而對于電路板而言，由于自身存在發(fā)熱，因此它的情況會更復雜一些。

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

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

2.3 加速因子

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

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

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——在實際工況下對應的熱力學溫度，K；T——在試驗室模擬條件對應的熱力學溫度，K。一般而言，加速因子應小于10，使老化現(xiàn)象更具有代表性。

2.4 耐高溫的持續(xù)時間

耐高溫的持續(xù)時間，即在試驗條件相對正常使用條件加嚴的前提下，完成試驗需要持續(xù)的時間。該持續(xù)時間與加速因子有關，其模型如下。

式中：A——在車上持續(xù)運行時間。

對某個特定的零件或特定的功能而言，在車上運行的持續(xù)時間是固定的。比如，對于近光燈，在整車15年220000km的使用壽命下，其持續(xù)時間是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。

2.5.1 零件在整車實際運行條件下的最高溫度

根據(jù)公式：

在技術文件中，一般定義運行時，T為常溫（23±5℃），ΔT（T）由車燈自加熱試驗確定，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，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測量每個元器件的表面溫度，即可以得到T。

2.5.2 零件在試驗箱中運行時的最高溫度

根據(jù)公式：

在試驗條件下，一般定義試驗室的環(huán)境溫度為85℃，在這種情況下，用溫度傳感器或紅外相機測量出對應的焊盤最高溫度。要注意的是，對于每一個元器件的表面溫度，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)指標之一。這個溫度一般指塑料微觀中高分子開始有大鏈接運動時的溫度。若應用溫度高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度，分子鏈接會有更多的自由度可以運動，塑料件會呈現(xiàn)出柔軟可繞曲的橡膠態(tài)。若應用溫度低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度，分子鏈接的運動大部分會被凍結(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)，堅硬但容易脆裂。在本項目實際設計過程中，PCB表面溫度驗證階段基于如下模型來判斷實際溫度是否滿足設計要求：

3 車燈耐久性能驗證舉例

3.1 試驗條件

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

3.2 自加熱測量

在環(huán)境溫度為常溫下（不通風）（23±5℃），測量車燈內(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。電路板的自加熱測量如圖3所示，自加熱測量數(shù)據(jù)見表2。

圖3 電路板的自加熱測量

表2 電路板自加熱測量數(shù)據(jù)

3.3 加速因子及驗證時間的計算

根據(jù)前面描述的模型（1）～（4），計算出各個功能的加速因子和試驗加速時間如表3所示。尾燈各個功能對應的激活時間（在滿足整車15年220000km的情況下對應的車燈激活時間）參照表1。

表3 加速時間計算

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

3.4 玻璃轉(zhuǎn)化溫度判斷

從上述測量結(jié)果（表2）來看，在最高運行溫度下測量得到，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)學模型來表征加速耐久性性能驗證方法，并通過尾燈的開發(fā)實例進行驗證。驗證結(jié)果表明，所提出的驗證模型，能很好表征耐久加速時間的確定以及電路板的性能。在未來的耐久性驗證研究中，還將從驗證的流程進行簡化，將加速因子的計算或獲取更加簡單化，并更好地模擬實際狀態(tài)。