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电子产品可靠性测试用例设计

2017年07月21日



  电子产品的一些隐患通过模拟测试实验根本发现不了(原因此处先不表)。因此,产品测试的四种路径分别是:
1.工程计算和容差分析(用数学计算的方式,将临界点找出来) 。
2.设计规范审查
  有些设计有问题,按照常规的经验和分析,能比较轻易地避免一些可能诱发潜在隐患的机会,比如电解电容布局在散热片的上方,散热片的热气自然的会影响到电解电容的环境温度,电解电容有一个失效机理就是电解液干涸,其激发的应力就是温度和时间。虽然,这个现象通过实验也能激发出来,但需要的应力较大,且试验时间较长,有的时候,经过较长试验时间,故障并未出现。但如果通过设计规范审查,将可能避免此类涉及的问题。
就像大风天避免在楼下走,窗玻璃被刮掉容易伤人;雷雨天不要在树下,容易受到雷击… … 不在河边走,自然少湿鞋。
3.模拟测试(这是测试部分的内容,下面将会重点介绍)
4.电子仿真(为了避免花费较大,又能快捷的发现隐患,现在较常见的软件工具是热设计仿真、电磁兼容结构设计仿真、信号完整性仿真,不详述)。
模拟测试的测试用例设计从6个方面切入:
a)标准符合性测试
b)用户模拟测试
c)组合应力测试
d)应力变化率测试
e)基于失效机理的应力测试
f)一致性测试
  模拟测试进行之前,先请凝神静气,闭眼合十,将大脑中的所有杂念全部扔到天际,确保没有产品的任何设计信息残留脑内。然后想象在脑海中勾勒EUT(Equipment Under Test待测设备)的实际使用场景,先回答出如下的问题:
1、环境因素
  工作高温、工作低温、存贮高温、存贮低温、工作最高湿度、存贮最高湿度、工作最低湿度、存贮最低湿度、温度冲击极限温度和恢复时间、最高海拔高度和大气压、大气成分的氧浓度硫化物、振动的频率/振幅/加速度、碰撞的加速度/周期、坠落的高度、风速/风向、砂尘灰尘、淋雨或泼溅对电路和运动摩擦的影响、散热环境是否密闭、散热通道的走向、盐雾的浓度、潮湿霉变导致电路板漏电流增加或短路、动植物的昆虫进入机器、化学物质(酒精擦拭、药物腐蚀)、照明状态(黑暗、白天、阴天)、光闪影响、空间尺寸、环境噪声的水平和频率、污染物(油污、毛发、花粉)、清洗擦拭或消毒、工作电源AC、DC的波动范围和波动频率、电网接地、设备应用环境附近是否有电磁发射站、共用设备中存在电磁干扰设备、高压线或变压器、电压波动、阻性负载、感性负载、容性负载、较强谐波干扰、机柜的避雷措施、自然静电和操作静电的等级、防静电措施是否充分。
2、人的因素
  列举使用者职业的范围、性别、年龄、健康状况、身高、体重、视力、听力、触觉、力量、耐力、距离、操作姿势、正常工作心理状态、异常工作心理状态、注意力、受教育程度、外语能力、专业知识、理解能力、培训效果、培训周期、培训素材有效性、相互干扰、共同作用、操作团队的一致性、责任心。
3、关联设备
输入能量的类型、范围、变化的程度、导致输入能量变化的因素、指令、形式、信号类型。
输出部分的量值、输出能力符合设计输入及标准要求、精度、精度符合设计输入、标准、监测(功能实现、精度、适用范围)、异常输出的保护措施、输出能量的显示。
控制部分:按钮(可单手操作、端面尺寸合适、操作生效有触感、操作范围适度、按钮尽可能在显示信息右侧、不同功能按钮防错按措施、按钮操作的舒适度)、键盘鼠标(放置合适,固定有效)、触模屏(触摸有效性、定位精确、触摸屏响应时间)、显示信息在左侧,操作信息在右侧、操作范围(单手操作、右手原则)、开关(易于发现、动作有效、误操作防护措施)。
4、设备本身
  报警部分:报警优先级要求、报警形式(声、光、文字、动作、振动)、报警提示后有无保护动作、听觉报警噪声水平、受背景噪声影响、噪声频段不少于两段、报警查觉距离、报警信息读取距离、报警信息查觉失效的动作感知与振动感知。
  软件界面:菜单位置符合实际及习惯、菜单级数不超过三级、常用功能位置、主要参数显示在同一界面、不同功能图标应区别明显、快速功能键操作步骤不超过两步、信息显示适合一般视力条件及使用实现情况、颜色分配(不可太杂3种以内、颜色字体显示内容体现主次、界面字体颜色考虑光线因素、长时间观察界面、字体颜色考虑视觉疲劳)、复杂操作提供提示信息且提示信息位置应就近指示或指示有效、主参数与辅助参数颜色字体区别对待体现主次。
  结构方面:倾斜可能,碰撞后倾斜可能、提拎舒适度,吊装、配合使用设备组装后重心应稳定、信号互连线缆的拉力、锐边、尖角、避免突出部分、悬臂结构、悬臂结构受力损坏、结构变形、附件连接防接错措施、信号连接公母口的触电防静电、电源连接LNG防错、正负极防错、电源线与信号线防错措施、连接强度要求、连接件强度适度、装配定位措施、电池防反设计、长时间不用取出提示、充电保护设计、装卸简单无需工具、拆卸不易损坏、密封设计与使用情况的合理性、密封设计与使用情况的合理性、密封材料的老化。
  标识符号:符号正确、符号符合用户认识水平、符号标识位置的可视性、符号标准颜色、文字母语原则、专业及习惯因素、国家规定、语言误解可能、图标提示信息、快速提示提示卡(铭牌)可视易懂。 
器件输出能力:器件寿命、频繁使用器件、关键器件可靠性评估结果、功率、负荷、持续工作时间、最大应力、使用寿命,更换要求、温度、湿度、气压等要求、器件之间配合度(各器件之间输入输出设计合理性评估)。
  回答出了以上的问题,基本上产品测试方案刚刚完成了1/3。下一个 1/3是什么呢?是要知道在上述的条件下,哪些地方容易失效。就像医生诊病望闻问切一样,第一个1/3是问的过程,下一步就是望和闻了,通过望和闻,加上已有的经验,初步判断出是哪些出现的失效,问这部分需要一点经验的分析。但幸运的是,我已汇总了多个行业的常见问题,在知道了这些地方容易发生问题之后,再了解了其失效机理,施加针对失效机理的应力下,产品测试的故障就容易出来了。易发生问题的点如下:
面膜:按键粘连;按键不起作用或直接导通;按键互锁功能不可靠;
显示屏:静电打坏;显示字库不全或乱码;乱码;破裂;受到干扰时候显示死机;亮度不均匀;触摸屏灵敏度失效;触控板不可靠;
数据接口:数据传输错误;数据传速率高导致数据刷新慢;直接通讯可以但光电隔离不可以;
接插件:松动;触点氧化接触不良;生产野蛮导致失效;
线缆:电缆断线;传输距离;电瓶串联线过流烧毁;
  电路板:芯片本身问题;变形导致虚焊或功能失效;焊点间距伪短路导致开关机;异常关机;接收信号失常;电源带负载不正常;RohS焊接良品率;上电时序导致电源跌落;控制器异常reset;断电上电冲击电流;超声清洗导致残留液体;
振动噪声:不抗摔;风扇长时间运行导致噪声;磨损导致断裂或噪声;共振导致断裂噪声大;重心不稳;
报警:防盗装置异常报警;
功能失常:发动机熄火;刹车不平衡;
  环境适应性:防进液等级;湿热环境下绝缘强度下降;高海拔引起的性能参数漂移或精度下降;电气环境条件电压;设备高温防范方法;通风过滤通道的设计和测试;水冷散热冷却剂引起的问题;
人机接口:操作者状态;听筒无声;连接方法的标识;
测量精度:纹波导致精度问题;高温导致参数漂移;湿热漏电流增加精度下降;接地导致偏差;长距离通讯接地问题;
元器件烧毁:电解电容爆裂或干涸;继电器粘连或不闭合或闭合电阻太大;MOSFET过热或烧毁;钽电容烧毁;不同厂家同指标性能不同;长时间存放充不满;静态电流过大导致电池供电能力不足;
安规或EMC超标:电源浪涌和EFT不过;ESD问题;设备相互干扰;接地不良问题;大功率设备的高频噪声;
机械断裂或锈蚀:高速下机械应力导致断裂;化学腐蚀盐雾腐蚀;
软件:内存泄露导致死机;跑飞;不兼容;开关端口过程会死机;外部存储介质读写数据异常;第三方软件驱动兼容性差;
插拔过程导致虚焊、器件烧毁、参数长期工作漂移误差大… …
以上的故障,到底是哪些失效机理激发的呢?鉴于涉及部分企业的具体产品的缘故,就不针对上述问题一一分析了。而只是给出一些个别案例,供大家参考。
举个简单例子来说明。比如,
第一步:我们知道应用环境下会有振动,振动强度的指标是多少自己去想,电路板的潜在虚焊或氧化会在用户现场震动中导致失效;
第二步:我们分析电路板,虚焊最容易在哪些地方发生?焊锡多的地方、重的地方、焊盘小焊锡少的地方、无铅焊接的地方;异金属连接的地方
第三步:结合上面的表格,找到能激发此类问题的应力,温度冲击+次数(表格的倒数第二行)、温度+时间(表格的倒数第十行),另外还有振动应力能激发的失效(另有相关资料,未予列出)
第四步:设计测试用例,对电路板在不带电状态下做温度循环和温度冲击试验,温度(以不会激发器件损伤性失效的上限温度为上限基准,下限同理)和次数(可自己定义或参考相关标准)选择好,然后就是具体的试验操作,那就是very easy,由实验员去完成就可以了。
以上是测试用例设计的基本过程和过程中的一些参考内容,涉及内容较多,不尽之处颇多,提供一个思路,抛砖引玉,供大家在一个引导性思路的帮助下,制定出自己的测试大纲来,限于诸多条件,言尽于此,见谅见谅。
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