汽车电子早期失效分析

现代汽车电子中的早期现场失效——概述、根本原因及预防措施

1. 引言

本文阐述了汽车电子设备在使用现场出现的早期失效问题，这些电子设备在零公里时大多工作正常。只有在正常运行与叠加的——通常是短暂的——特定干扰因素不幸结合的情况下，才会导致这些失效。本文重点介绍了令人意外的失效机制和根本原因，以及有效的预防措施。

2. 汽车离开制造厂后会发生什么变化？

从出厂开始，汽车便会暴露于各种环境影响之下，如灰尘、粉尘、湿气侵入看似密封的（电子）器件、机械冲击和振动、腐蚀性气体（包括塑料部件、橡胶密封件和轮胎橡胶的排气）以及热循环，还有环境和气候条件。

这些影响会对电子设备产生作用，而这些作用有时并不那么明显：
- 在新车中，橡胶软管是干净且绝缘的。行驶数千英里后，它们会轻微积聚表面灰尘，导致形成导电耗散表面。
- 在现代汽车中，安装了大量电动机。例如雨刷器、后视镜和座椅调节以及车窗升降器。这些电动机通常配备有碳刷以接触换向器。新的碳刷在磨合至集电极形状之前可能会产生高水平的感应脉冲。
- 接触面可能受到振动、腐蚀性气体以及烧蚀接触点的影响。
- LED中的枝晶和/或腐蚀
- 由于感应尖峰引入汽车内部电源系统而导致内存丢失。

3. 失效机制和根本原因

3.1. 发动机传感器、节气门、带传感器的空气滤清器、流量传感器等（例如机油/空气流/汽油）在橡胶软管内

这些系统通常安装或集成在发动机舱内的橡胶软管系统中（图1）。一些传感器具有隔离的金属部件或金属帽；对于节气门而言，甚至有一个金属板来调节空气流量。此外，传感器有时被安装在金属外壳中。在高速空气/气体流动的情况下，只要未施加接地连接，它们就可能因摩擦起电原理而突然发生严重的静电充电[1]。在这种情况下，放电会直接进入传感器，并通过相关的电缆布线传导，最终损坏控制电子设备。结果出现了发动机功率下降、发动机故障或电机控制单元损坏的情况。维修后，大多数情况下故障不再重现，因为行驶5000–10,000公里后，橡胶软管表面的灰尘使其具有轻微的静电耗散性。如果唯一可带电的金属部件是外壳，则从一开始就使用简单的铜制接地带即可避免该问题。但如果内部金属部件（例如传感器金属帽或节气门）处于隔离状态，则情况会稍微复杂一些（图2）。在这种情况下，必须避免暴露在气体流动中的金属部件开始积聚电荷并产生电压。一旦电压增长到足够高，达到千伏量级，就会发生电击穿，将积聚的能量释放到传感器系统中，如上所述。当然，最简单的方法是也将这些部件直接连接到地。然而，如果该金属部件是传感器的一部分且不能连接到地电平，具备耗散特性就足以抑制静电充电。这可以通过使用高阻值电阻连接到接地（<1000 MΩ）实现，或者 alternatively by using capacitors >1 纳法；电容器充电所需的电流在大多数情况下相对于电荷分离速率过高，因此无法形成高电压。

3.2. 电子印刷电路板

由于振动共振频率，印刷电路板有时会受到异常的振动或弯曲，导致陶瓷电容器或滤波器开裂（图3）[2]。随后，在湿度和电势的作用下，沿内部裂纹发生枝晶生长，引发延迟短路或电容漏电。此类问题的根本原因可分为三个主要方面：第一是组装的印刷电路板从拼板上分离（分板）时违反了陶瓷电容器布局规则。第二是在安装过程中印刷电路板的弯曲。例如，图4显示了一个小型印刷电路板被压入车门把手中的情况。除了安装引起的弯曲外，当车门用力关闭时，该印刷电路板还会遭受严重的机械冲击。第三，在将印刷电路板安装到汽车子系统中时，需要考虑支撑点，以抑制由机械振荡引起的与振动频率相关的弯曲，或由机械压力（例如按钮开关（汽车钥匙！）或插头连接器）引起的弯曲。除了陶瓷电容器开裂的风险外，印刷电路板与硅器件之间的互连也存在风险：图5显示了由机械振动引起的焊点裂纹（倒装器件情况下焊球开裂也存在风险）。然而，这些凸点之类的间歇性接触点也可能出现在半导体芯片内部。特别是随着微型化的不断推进，许多器件中模塑部分与引脚排布之间的重叠区域变得非常小。因此，这些器件对（热）机械应力和弯曲非常敏感。如果–由于无铅焊接而采用高温焊接曲线，则塑封料在引脚边缘可能发生轻微重构最终导致引脚处出现微小的微分层。这使得引脚可以轻微移动，而键合线仍由内模封装材料固定。由此产生的失效特征表现为stitch‐bond开裂。造成stitch‐bond开裂的其他工艺来源包括引线键合（stitch‐bond几何结构）、模塑（压力/退火）、框架冲压（导致封装开裂）、引脚弯曲（机械过应力）、焊接（温度过高）以及印刷电路板上的机械弯曲。角落引脚风险较高。

除了这些微机械问题外，子系统印刷电路板的电气地有时与车辆地不一致。结合输入/输出线束/电缆束，此类设计会导致未定义的地电位，其电位可能随实际负载而变化，甚至达到临界电位差。随着未来车载电源设计中使用不同的电池/电位，这种风险将进一步增加。

3.3. 连接器

不可忽视的一部分早期失效源于插头连接器。然而，若要详细讨论连接器所有可能的失效机制，将使本文篇幅过大；仅列举一些关键词以突出失效机制的方向，如微动磨损、压接问题、表面金属化结构、阳极腐蚀以及连接器针对电流和电压负载的尺寸设计。ESREF 教程将详细探讨连接器问题 [3]。但就插头设计而言，重要的是应尽可能确保各类元器件的接地连接在插入时最先接触，以避免通过“热端”发生静电放电以及敏感信号端子。静电放电对子系统的影响通常不会立即导致失效，但会产生物理上的漏电路径和裂纹，这些路径和裂纹可能被铝凸起和/或电化学作用（例如枝晶生长）填充，最终导致早期失效。

3.4. LED大灯和照明装置

发光二极管的防潮保护/密封有时与汽车的工作环境不匹配。因此，湿气侵入结合电势（即使在关断状态下）会导致LED内部枝晶生长（图6），最初表现为发光减弱，随后导致完全失效。橡胶密封件中腐蚀性化学物质的排气可能引起严重腐蚀 [4]。许多类型的橡胶含有硫，一旦发生排气，可能与湿气反应生成H₂S（气体）或H₂SO₃以及H₂SO₄。脉冲操作可能会叠加额外应力，显著缩短LED寿命。

3.5. 锁止系统/钥匙/射频识别标签

先进封装技术有时无法承受由振动载荷叠加的异常热机械应力。凸点、硅通孔或焊球开路以及引线键合断裂（图7）是这种叠加作用与极端微型化要求共同导致的结果。如果封装的微型化要求较为宽松，则封装可能有助于提高互连和引线键合的机械稳定性。这当然也适用于汽车内的其他电子设备。

3.6. 旋转部件或液体粉尘沉积引起的静电放电

尤其用于发动机或齿轮机构中的霍尔传感器对充电敏感，容易发生突然的充/放电故障。需要注意的是，（即使是导电的）液体在发生粉尘沉积时也可能产生充电（例如变速箱中的油）。

3.7. 电动机在早期运行中向电子设备发送尖峰，可能导致损坏

直流伺服电机在汽车中的众多应用（车窗升降器、泵、座椅和后视镜调节等）中被使用。只要它们的碳刷是新的且末端为平面（尚未研磨成换向器的曲率形状），如果未通过电容器接地来抑制尖峰（图8），则可能向车载电气系统发送显著的尖峰，从而导致电子设备损坏。在换向器处直接使用缓冲电容或采用无刷电动机可避免相关故障。

感应尖峰也可能由串扰引入。这种情况尤其发生在长线束与承载高感性负载的线路并行且未屏蔽安装时。典型示例如图9所示，其中启动开关直接连接到相应的电磁继电器线圈 –，而这些电缆部分与连接敏感电子设备的线束共用同一线束。

3.8. 胎压传感器

轮胎可能会释放出具有腐蚀性的含硫化学物质，从而在封装保护不足的情况下对内部（电池供电）压力传感器和电子设备造成损坏。硫的排气也可能来自橡胶密封件（例如前大灯或尾灯中），在湿度/温度作用下形成硫酸或H₂S，导致LEDs内部发生腐蚀。

还应提到，射频干扰可能会对敏感的内部信号接收器造成损害，这些接收器通常使用所谓的ISM频率来传输测量数据。这些频率被作为“孤岛”嵌入到其他部分高功率使用的频段中。例如，433兆赫的ISM频段位于70厘米超高频业余无线电频段的中间，该业余无线电频段范围为430–440兆赫。在此频段内，有射频输出高达100瓦的移动接收器在运行。在业余无线电频段附近，还有体育、基础设施网络、交通运输物流、警察等其他用户活跃。最坏情况下，汽车传感器接收器若暴露在附近的强超高频发射器附近，可能会被损坏。为了避免相关故障的发生，应考虑在汽车出厂前就按照汽车制造商的建议和规定安装各类移动通信设备。

3.9. 机械问题

有时，电子故障是由冲孔毛刺引起的，这些毛刺从穿孔钢板上脱落，如图10所示。如果这种细小的冲孔毛刺落入裸露电子设备中，可能会导致电气短路。由于脱落风险由振动和机械冲击引起，该机理发生在汽车使用寿命早期。

4. 结论

在扫描常见问题的所有失效机制时，可以得出以下重点。

首先，避免车载电气系统内的电涌非常重要。这可以通过使用共用接地轨（避免电容子系统接地）以及对来自噪声和电涌源（如感性负载、电动机）的供电线路进行滤波来实现。

其次，考虑到环境条件，汽车会经历极端范围的气候条件变化，具体取决于运行区域和当地季节气候。有时，失效机制依赖于此类局部气候条件。甚至本地限速或其他法律限制也可能影响故障率。重要的是，在基于系统的（汽车）细致病因分析中考虑这些本地因素，并结合故障统计评估，而不仅仅依赖器件分析结果。

第三，叠加振动应力（由汽车运行以及有时道路条件引起）可能导致故障。要预测、建模和仿真所有这些叠加的振动和冲击影响可能会非常困难。

第四，橡胶和塑料部件中腐蚀性化学物质的排气可能对电子系统和元件造成长期侵蚀。

所有这些情况在预认证阶段就需加以考虑。此外，发动机区域内的温度/化学环境有特殊要求。发动机区域内的静电充电仍相对未被充分研究，但多个案例研究表明，在特定运行条件下，这可能成为一个严重的故障问题。

最后，对于故障分析人员而言，可以得出结论：以器件为中心的故障分析几乎无法得出根本原因结论。即使在大多数情况下是半导体器件发生了失效，但与电子相关的汽车故障中仅有约10%是由半导体制造商引起的。在大多数情况下，进行彻底的故障病史分析是确定根本原因的关键。从这个意义上说，8D问题解决法需要修订和扩展，以涵盖整个供应链的整体视角，并包括特定国家和客户的具体环境与操作条件。