CN101416151A

CN101416151A - 可靠性仿真方法和系统

Info

Publication number: CN101416151A
Application number: CNA2007800078837A
Authority: CN
Inventors: 亚伯拉罕·瓦龙-温雷布
Original assignee: Expert Dynamics Ltd
Current assignee: Siemens Industry Software NV
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: EP1996999A2; CN101416151B; US7975252B2; US7707525B2; CA2644975A1; US20080275672A1; AU2007224315A1; AU2007224315A2; IL193808A; JP2009529173A; KR20080113050A; US20100286975A1; EP1996999B8; WO2007102155A2; WO2007102155A3; IL174186A0; JP5285436B2; EP1996999B1

Abstract

本发明涉及用于寻找包括多个部件的PCB组件的设计薄弱之处和潜在现场故障的方法，该方法包括以下步骤：a)建立所述PCB组件的模型，其中通过所述PCB组件的所述模型能够确定所述PCB组件的固有频率和振型；b)执行固有频率仿真以确定所述PCB组件的固有频率和振型；以及c)分析所确定出的固有频率和振型，并识别出部件的本地主振荡，被识别为具有所确定出的振型中的至少一个振型中的的本地主振荡的部件被识别为发生现场故障的可能性相对高的部件。

Description

可靠性仿真方法和系统

技术领域

本发明的领域涉及对印刷电路板(PCB)组件(assembly)及相关设备执行可靠性测试的方法和系统。更具体地说，本发明涉及以有效、简单和可靠的方式对HALT测试或者其他可靠性或验证测试进行仿真的方法和系统，该测试可以在最初的设备开发阶段或者在任何后期阶段尽早地容易地执行，并且无需物理上获得被测设备或者其部件。在优选的情况下，展示了对其上装配有所有部件的PCB的HALT测试的仿真，并给出了与真实的HALT测试的结果具有非常高相关性的结果。

背景技术

在电子设备的开发中，最为重要的因素之一就是以故障率和寿命衡量的可靠性和耐久性问题。在电子工业中存在对用于在可靠性和耐久性方面优化硬件设计的有效工具的持续增长的需求。

几乎任何机械或电子设备都会遭受变化的环境条件，例如随机振动、摇动(shake)、动态冲击(dynamic shock)、温度变化等。这种变化的条件会导致设备的功能故障。显然，设计者、制造商、供应商和用户会力求避免这种故障。

为了确定设备的耐久性和可靠性，并预测和消除未来的故障，通常在设计和制造周期期间对设备(这里也称为“产品”)执行各种测试。这些测试会对被测设备施加各种动态的和热学的载荷，例如随机振动、动态冲击等，以识别可能发生故障的易损部件。

在现有技术中，一个已知的重要并被广泛接受的可靠性测试是高加速寿命测试(HALT)。HALT测试通过施加随机振动和变化温度条件形式的随机应力(stress)而对复杂疲劳问题进行仿真和激励。在HALT测试期间施加到设备上的应力通常超过预期的最极端现场条件，并且希望将产品发给用户之前，在短期内揭示出设计弱点。而常规的成败测试方法不总是提供足够的可靠性安全裕度，HALT提供了不同的方法：其理念是促使发生故障，而不是促使通过测试。

HALT测试的使用有效地提高了产品的运行裕度，创建了规定极限和实际运行极限之间的更大差距(gap)。HALT测试是在施加振动和热学载荷的室中进行的。振动是大多数HALT程序的基础。HALT使用的振动方法比较特殊。与在给定时间使用单轴加速度或激励的常规振动测试技术不同，HALT使安装在室台(chamber table)上的产品同时在六个自由度(即三个平移方向和三个旋转方向)上随机振动。除了振动以外，HALT测试的某些阶段还可能进行其他的加载程序，例如热-冷的热转变。如所述，HALT测试的目的是在产品工作于真实生活中之前发现潜在的设计弱点。通过仿真和加速产品老化，HALT测试揭示了产品的真正可靠性，并识别可能会潜伏数月或数年的与时间相关的缺陷或设计问题。当HALT测试揭示出被测产品的毛病时，需要并且通常进行设计修改，随后使用修改后的产品重复进行HALT测试。这种重复测试和设计修改可能会发生数次，直到获得了满意的结果。

已利用计算机软件对很多种实验室测试进行仿真。与需要昂贵的测试设备、人员和用于进行先期测试准备以及用于测试本身的大量时间的物理的实验室测试相比，执行计算机仿真节省了大量时间和成本。此外，显然，实验室测试需要物理样品(prototype)，而计算机仿真优选地在最初的设计过程期间且在提供可用样品之前，较早地在设计周期中进行。有几种典型的方法可用来执行这种计算机仿真。最普遍的程序之一是有限元技术，有限元技术能够分析在振动和热载荷的各种动态状况(dynamic regime)下被测设备的行为。有限元分析技术能够处理多个动态状况，包括：(a)其中力或加速度随时间变化的冲击；(b)在频域中对模型进行分析的情况下的动态频率和谐波响应；以及(c)模型受到以PSD表示的单轴随机振动的情况下的动态随机响应。术语PSD代表功率谱密度，或者更具体地说，以每频率均方加速度(g²/Hz)为单位的随机振动密度的功率。

如所述，HALT实验室测试已被认为是在现有技术中用于预测未来故障的最可信赖的测试之一。然而，尚未提供对HALT测试的仿真。如所述，HALT测试施加六自由度同时振动，而所有的现有技术有限元解决方案，包括PSD有限元分析，都在每个给定时间对单轴动态状况进行操作。现有技术尚未提供对HALT测试或者对用于预测电子或机械设备中的故障的同时进行多轴加载的其他测试的仿真。

因此，本发明的一个目的是提供无需任何物理测试设施并且无需具有物理被测对象(即被测产品本身)就能够执行的对可靠性、稳健性或者疲劳测试的仿真。

本发明的另一目的是提供无需任何物理测试设施并且无需具有物理被测对象就能够执行的对HALT测试的仿真。

本发明的另一目的是提供无需任何物理测试设施并且无需具有物理被测对象就能够执行的对同时进行多轴加载的测试的仿真。

本发明的另一目的是提供无需任何物理测试设施并且无需具有物理被测对象就能够执行的对被设计成用于发现被测产品的工作裕度(operational margin)或者用于揭示被测产品的最薄弱部件的可靠性测试的仿真。

本发明的另一目的是提供以下仿真，该仿真能够在产品的最初开发阶段期间尽早地执行，例如在布局或者最初设计阶段期间或者在尚未提供被测产品的可用的物理样品时执行。

本发明的另一目的是通过能够在产品开发的早期阶段消除未来故障，并通过消除或减少对包括HALT或者任何其他实验室测试的物理实验室测试的需要，来节省时间和成本。

本发明的一个特别的目的是使得能够使用仿真对PCB工业中的电子板或相关设备的设计的可靠性和稳健性进行分析。

随着说明的深入，本发明的其他目的和优点将变得显而易见。

发明内容

本发明涉及用于寻找包括多个部件的PCB组件的设计薄弱之处(weakness)和潜在的现场故障的方法，该方法包括以下步骤：(a)建立PCB组件的模型，通过该模型可确定PCB组件的固有频率和振型(modeshape)；(b)执行固有频率仿真以确定PCB组件的固有频率和振型；以及(c)分析所确定出的固有频率和振型，识别出部件的本地主振荡(dominant oscillation)，被识别为具有所确定出的振型中的至少一个振型中的本地主振荡的部件被识别为发生现场故障的可能性相对高的部件。

优选的是，该方法进一步包括以下步骤：预定义振型类型并为每个振型类型指派威胁权重，其中所述分析步骤包括以下步骤：在所确定出的振型和所预定义的振型类型之间进行匹配，由此针对被识别为具有所确定出的振型中的至少一个振型中的本地主振荡的每个部件，确定对应的威胁权重。

优选的是，与仅在一个固有频率下在同一个部件中出现与本地主振荡相关的单个振型类型的情况相比，在一个以上固有频率下在同一个部件中出现与本地主振荡相关的两个或更多个振型类型表示更高的威胁权重。

优选的是，与部件的非纯粹主本地振荡的振型类型相比，与同一部件的纯粹主本地振荡相关的振型类型表示所述部件的更高威胁权重。

优选的是，该方法进一步包括以下限制中的一种或更多种：(a)将固有频率的频率范围限制在所述仿真内；(b)将所述固有频率仿真限制在前面预定数量个固有频率的范围；以及(c)将该方法结果限制在寻找发生现场故障的可能性相对高的前面预定数量个部件。

在本发明的一个重要实施方式中，该方法用于预报HALT实验室测试的结果。在这种情况下，该方法被校准以类似于特定制造商的特定HALT机，用于与所述机器执行的HALT测试更好地保持一致。优选的是，所述机器具有特定PSD加载状态曲线，并且所述校准是通过以下方式获得，即与相关频率范围内的其他频率相比，对于具有恰好位于其中所述机器提供了以g²/Hz为单位的相对高的PSD水平的频谱内的主本地振荡的部件，考虑较高的威胁，反之，与所述相关频率范围内的其他频率相比，对于具有恰好位于其中所述机器提供了以g²/Hz为单位的相对低的PSD水平的频谱内的主本地振荡的部件，考虑较低的威胁。

在本发明的一个更通用的实施方式中，该方法用于预报实验室测试的结果，以找到设计薄弱之处，并找到PCB组件的潜在现场故障。

优选的是，该方法在比其中能够提供所述PCB组件的样品的阶段更早的PCB组件设计的早期阶段来执行。

在本发明的一个方面中，该方法可以作为对HALT实验室测试的补充处理。

优选的是，所述建立的模型是有限元模型。

优选的是，所建立的模型包括对所述PCB部件导线的建模。优选的是，所建立的模型还包括对焊接处的建模。优选的是，所述模型还包括对涂层的建模。

在本发明的一种实施方式中，所述模型是“p元素”网格。优选的是，整个所述网格是体积“p元素”网格。在另一实施方式中，所述模型是有限元“h”模型。

可选的是，考虑了热学方面。

在一种实施方式中，基于预热应力分析来更新所述有限元模型的刚度矩阵。

可选的是，在执行固有频率仿真的步骤之前，基于与温度有关的假设来更新施加到所述模型的材料性质。

可选的是，所述温度假设是基于从稳态或者瞬态热学仿真而获得的热学映射。

在本发明的另一实施方式中，所述模型是有限差分模型。

在本发明的另一实施方式中，所述模型是有限体积模型。

在本发明的另一实施方式中，所述模型是边界元模型。

优选的是，对一些部件的所述建模是详细的，而对其他部件的所述建模是近似的。

优选的是，所分析的所述振型中的每一个都展示了位移向量。在一种实施方式中，所述位移向量是空间位移向量。在又一实施方式中，待分析的所述振型的每一个都展示了可用的多至六个可能的自由度中的仅一个自由度的位移向量。

在本发明的另一特定实施方式中，待分析的所述振型的每一个都定义了仅一个平面内的位移向量。

在另一实施方式中，待分析的所述振型的每一个都展示了应力向量。

在本发明的另一实施方式中，待分析的所述振型的每一个都展示了应变向量。

在本发明的另一实施方式中，待分析的所述振型的每一个都展示了应变能向量。

在本发明的另一实施方式中，待分析的所述振型的每一个展示了在固有频率仿真中可获得的任何特征向量。

在本发明的另一实施方式中，待分析的所述振型的每一个都展示了作为固有频率仿真中可获得的两个或更多个特征向量的任何数学组合而计算出的向量。

优选的是，部件发生现场故障的相对高可能性是通过对所述向量中的两个或更多个进行检查而定义的。

优选的是，威胁权重是通过对所述向量中的两个或更多个进行检查而定义的。

在本发明的一个实施方式中，所述模型的建立忽略了所述多个部件中的一些部件。优选的是，所忽略的部件是已知具有以下一种或更多种特性的部件：a)极高的可靠性；b)非常小的尺寸；c)非常轻的重量；d)非常接近所述板表面的重心。

在本发明的一个实施方式中，所述模型的建立是对多个部件中的一些进行近似。优选的是，所忽略的部件是具有以下一种或更多种特性的部件：a)极高的可靠性；b)非常小的尺寸；c)非常轻的重量；d)非常接近所述板表面的重心。

优选的是，仅考虑这些部件对所述模型的质量的贡献来表示这些部件。

在本发明的一种实施方式中，考虑所述这些部件对所述模型的质量和所述模型的刚度二者的贡献来表示它们。可选的是，所述近似的部件是通过改变所述板本身的建模的性质来表示的。

可选的是，所述PCB组件的所述板是利用多层层压复合板元素来建模。

可选的是，所述PCB组件的所述板是利用多层体积元素来建模。

可选的是，所述PCB组件的所述板被建模为单个各向同性层。

在本发明的一种实施方式中，所述模型包括PCB组件及其封装物。

在本发明的一种实施方式中，所述模型包括一个以上PCB组件，以及所述PCB组件外壳。

可选的是，所述模型包括电子板的整个组件，及其一个或更多个附加部分。

可选的是，这些部件中的一些是与其导线一起建模的，而对一些其他部件进行近似。可选的是，所述近似是通过对所述部件建模而不对其导线进行建模来实现的。

优选的是，所述近似部件是基于以往的经验被认为发生现场故障的可能性低的部件。

附图说明

在附图中：

-图1例示了在HALT测试的假想仿真中涉及的步骤；

-图2简要地象征性并概略地例示了本发明的方法的主要步骤；

-图3a和图3b分别是示出PCB“G”的俯视图和透视图；图3c是以透视图示出了同一PCB的图片。该PCB用于说明几种振型类型；

-图4a和图4b分别例示了位移幅度等值面中的预定义的振型类型1和位移幅度变形形状；

-图5a和图5b分别示出了在位移幅度等值面中具有两个最大中心点P1和P2的振型类型2和变形形状图；

-图6a和图6b分别是例示振型类型3的位移幅度等值面和位移幅度变形形状图；

-图6c是例示振型类型3的位移幅度变形形状的放大图；

-图7a和图7b分别示出了PCB“H”的俯视图和透视图。图7c是以透视图示出了同一PCB的图片。所述PCB“H”用于说明几种预定义的振型类型；

-图8a和图8b是例示预定义的振型类型4的位移幅度等值面图；

-图9a和图9b分别是PCB“C”的俯视图和透视图。图9c是以透视图示出同一PCB的图片。所述PCB“C”用于说明几种预定义的振型类型；

-图10a和图10b是例示振型类型5的位移幅度变形形状图；

-图10c是图10b中例示的位移幅度变形形状的放大图；

-图11是例示振型类型6的位移幅度变形形状图；

-图12是例示振型类型7的位移幅度等值面图；

-图13是例示振型类型8的位移幅度等值面图；

-图14a和图14b分别是例示振型类型9的位移幅度变形形状图和位移幅度等值面图；

-图15a和图15b分别是PCB“D”的俯视图和透视图。图15c是以透视图示出同一PCB的图片。所述PCB“D”用于说明几种预定义的振型类型；

-图16a和图16b是例示振型类型10的位移幅度等值面图；

-图17a和图17b分别是PCB“E”的俯视图和透视图。图17c是以透视图示出同一PCB的图片。所述PCB“E”用于说明几种预定义的振型类型；

-图18a和图18b是例示振型类型11的位移幅度等值面图；

-图19示出了如在实施例1的仿真中模拟的安装到实验室HALT机上的PCB“F”；

-图20a和图20b分别是PCB“F”的俯视图和透视图；

-图21是示出了同一PCB“F”的图片；

-图22a例示了实施例1的模型的有限元“p”网格。图22b是该模型的局部放大图；

-图23a是位移幅度等值面图，图23b和图23c是与PCB“F”的第一固有频率的振型有关的位移幅度变形形状图；

-图24是与PCB“F”的第二固有频率的振型有关的位移幅度等值面图；

-图25a和图25b是与PCB“F”的第三固有频率有关的振型图；

-图26是与PCB“F”的第四固有频率有关的振型图；

-图27a和图27b是与PCB“F”的第五固有频率有关的振型图；

-图28a、图28b和图28c是与PCB“F”的第六固有频率有关的振型图；

-图29以总结出实施例1的所有故障部件的方式示出了PCB“F”；

-图30是总结实施例2的结果表；以及

-图31示出了特定HALT机的特定PSD加速加载曲线。

具体实施方式

如所述，尽管在现有技术中存在能够对沿一个轴的随机振动(PSD)进行仿真并能够对均沿一个轴的频率响应和动态瞬时载荷进行仿真的求解器，但是还不存在针对HALT的有限元求解器或者等效的求解器。然而，不存在对于涉及沿着多于一个方向(多达六自由度)同时地施加振动载荷的HALT或者任何其他类似的动态状况的仿真解法。

处理HALT仿真的难点是显而易见的。HALT测试涉及对产品提供状况非常复杂的载荷，包括同时六个自由度的随机振动。假设已经准备好了精确的有限元模型以及边界条件，其中该有限元模型包括具有所有所需物理和材料性能的节点和元素的网格。如图1所示，HALT测试的假想仿真(如果总是试图执行的话)应当涉及对有限元模型执行以下步骤：

a.模态分析：该步骤形成了任何动态仿真的基础，并应当找到产品的固有频率[以Hz为单位]；

b.频率响应：该步骤涉及模型对单位正弦载荷的频率响应分析。该分析应当执行六次，六个自由度中的每个自由度一次。此后，依习惯，这六个自由度表示如下：T_x-沿x方向的平移；T_y-沿y方向的平移；T_z-沿z方向的平移；R_x-围绕x轴旋转；R_y-围绕y轴旋转；以及R_z-围绕z轴旋转；

c.对有限元模型“应用”PSD分析：在该步骤中，作为频率的函数的以[g²/Hz]为单位的PSD加载曲线应当应用于该模型。PSD(随机振动)分析是频率响应分析的一种后处理程序。同样，PSD阶段应当执行六次，六个自由度中的每个自由度一次；

d.PSD结果(1)：PSD分析得到了对于六次单独的PSD分析中的每一次定义了法向RMS应力和剪RMS应力的RMS应力张量(tensor)。此后，依习惯，应力向量表示如下：σ_xx-沿x方向的法向应力；σ_yy-沿y方向的法向应力；σ_zz-沿z方向的法向应力；τ_xy-沿x-y平面的剪(切向)应力；τ_xz-沿x-z平面的剪(切向)应力；τ_yz-沿y-z平面的剪(切向)应力；以及

e.PSD结果(2)：使用PSD分析，需要找到从所述PSD得到的振动的符号变化率(以[周期/秒]为单位)；

f.找到等效应力张量：在该步骤中，需要找到根据步骤(d)中分别获得的所述单独的张量而得到的等效应力张量。该假想步骤是有问题的，并且通常不能执行，这是因为这些RMS应力张量中的每一个都是从作为频率的函数的σ²/Hz形式的不同PSD值而得到的。因此，例如，不能认为将T_x方向的PSD和将T_y方向的PSD合并后的RMS σ_xx为

(因为它们是RMS值)。这就是为何该步骤仅是假想的步骤的主要原因；

g.找到等效应力标量：该应力值是步骤(f)的各种张量分量的等效标量。该等效应力值(如果能够找到的话)可能会形成以下疲劳计算的基础。同样，该假想步骤也是有问题的，并且通常不能执行，这是因为这些RMS应力值中的每一个都是源自作为频率的函数的σ²/Hz形式的不同PSD值。例如，使用Von Mises或者Treska假设的常规计算会导致错误结果。然而，假设，如果设法找到了这种等效应力值(以N/mm²或等效单位为单位)，则程序应当继续进行到步骤(h)；

h.寿命/疲劳计算：假设能够设法计算出步骤(g)的等效应力值(尽管如所述，目前还不知道如何进行这种计算)，则之后进行寿命/疲劳计算，同时考虑步骤(e)的符号变化率以及步骤(g)的等效应力。该步骤(h)可以使用断裂力学计算或者疲劳S-N曲线计算；

i.对寿命/疲劳计算的热学影响：在试图找到步骤(h)的寿命/疲劳结果的同时还应当考虑热载荷对前面的应力计算和所采用的材料的性能的影响。

以上所有复杂程序可以反映为了对HALT测试进行仿真或者更具体地说为了提供HALT测试的结果而需要采取的步骤。然而，上述程序或者其等效程序的执行很可能是不可行的，因为其涉及冗长的、极端复杂的步骤(其中的一些还尚未解决)，这导致累积的分析上的、数值上的和其他的错误和误差。即使该程序能够设法完成，结果也很可能是极其不精确的并且因此而不可接受。所述程序如此之复杂，以至于既没有如何成功将其完成的知识，也不存在(在不执行实验室物理测试本身的情况下)用于获得HALT测试的结果的任何替换程序。

本发明通过提供对所述物理测试的仿真而克服了需要执行物理HALT测试而导致的缺点。本发明的仿真结果已经显示出与真实的物理HALT测试的极高的相关性。与真实的物理HALT测试相比，本发明的仿真能够以更廉价和快速的方式执行，并且同样重要的是，本发明的方法既不需要任何物理设备也不需要被测产品本身，因此能够在产品开发的初始阶段或者在产品开发过程的任何其他阶段期间尽早地执行。换言之，本发明无需等待提供可用的物理HALT测试所需的物理样品来执行可靠性调查，因此能够在产品设计和开发的非常初始阶段就能够预测故障并将其校正。

发明人已经发现，图1的非常复杂的并且至少部分地假想的程序能够利用显著简化的程序来替代。本发明消除了图1的非常复杂的假想方法的大多数步骤。根据本发明，首先执行第一步骤模态分析(a)(见图2)。接着，对模态分析结果执行包含后处理操作的相对简单的步骤(X)，直接得到最终的HALT故障预测结果，即得到故障部件的预测。以这种方式，全部消除了非常复杂的步骤(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)和(i)(这些步骤中的一些是假想的并且实际上不能执行)。

乍一看，对获得HALT测试结果的程序的这种简化看起来是不可能的。然而，对HALT测试程序的原理的仔细研究得到了解释本发明的这一突破的理论上的物理基础。该解释在于保守(非HALT)加载状态和HALT的振动状况之间的主要差别。每个常规的(非HALT)PSD测试试图对特定环境条件进行仿真，这些特定环境条件中的每一个都具有特定方向、幅度和频率范围。例如，沿平移z轴方向施加的特定PSD载荷可以代表在崎岖的道路上行驶而产生的沿z轴的典型的随机加速度。另一方面，HALT测试试图以任何可能的方式对被测产品进行仿真。HALT通过六个自由度同时地施加宽幅度和频谱范围的高加速度振动并且在某些阶段添加某种热载荷而对产品进行激励。如下所述，从质量和数量两方面来看，HALT和保守测试状况在方法上的差异都是显著的。

在处理常规的(非HALT)动态仿真时，在基于公式[k]{u}+[m]{u″}＝0的用于寻找模型的固有频率和特征向量的模态分析解与基于公式[k]{u}+[c]{u′}+[m]{u″}＝{f}_l的受到某类型的动态激励的给定模型的完全动态解之间没有单射(一对一)关系，其中[k]是刚度矩阵，[c]是阻尼矩阵，[m]是质量矩阵，{f}_l是载荷向量，{u}是位移向量，{u′}是速度向量，而{u″}是加速度向量。

在常规动态仿真(包括常规PSD仿真)情况下缺乏直接关系的原因是由于在常规动态仿真中，载荷是以预定的有限范围的频谱和幅度沿单轴施加到模型上的。对于包括PSD、频率响应和瞬态响应在内的所有类型的常规动态分析来说，都是这样的。在所有这些情况下，仅有其振型与外部激励的方向相匹配并且其振动频率与外部激励的频率相匹配的那些固有频率和相关的特征向量才会参与到被仿真产品的动态激励中来，该参与又会最终导致疲劳应力。然而，诸如HALT测试中的动态仿真同时启动了在宽频谱范围并且使用逐渐增大到高水平的载荷幅度的沿所有方向(自由度)的动态激励。这导致了其中产品的所有主固有频率(dominant nature frequency)都参与进来的动态激励。因此，在HALT或者类似的程序中，在固有频率问题(模态分析，有时称为特征值问题)的解和完全动态问题的解之间存在单射(一对一)关系相关性。因此，本发明的基本原理是发明人发现的：在HALT测试中发生故障的PCB部件是特征值解中的以稍后将深入说明的方式“活跃”的那些部件，即与PCB板和其他部件相比，当对被检模型的固有频率的各种振型进行检查时，它们具有能够观察到的相对明显的位移幅度(3D幅度或特定方向幅度)。换言之，当对与PCB组件模型的固有频率相对应的各种振型进行检查时，所述部件具有能够观察到的主振荡(dominant oscillation)。因此，通过使用较短的计算后处理程序(在图2中标记为(X))，固有频率问题(其是相对简单的问题)的解几乎直接导向极其复杂的HALT问题的解。

应当注意，通过进行一些必要的改变，本发明在本质上能够适用于各种产品，例如PCB组件连同其封装物或壳体以及其他部分，如PCB组件安装至的塑料外壳或金属架(chassis)或篮(basket)。然而，由于目前HALT测试大多应用于PCB组件，以下实施例将假设所讨论的产品是PCB组件。本发明中的术语PCB组件(印刷电路板组件或者PCBA)是指装配有多个部件的印刷电路板，或者是指具有多个部件的其他类型的电子板，或者是指任何其他类型的电子电路。尽管现有技术有时将术语PCB称为印刷电路裸板，但在本申请中术语PCB还指代如上所述更广泛定义的PCB组件(即，包括所装配的部件的印刷电路板、或者具有多个部件的任何其他类型的电子板，或者任何其他类型的电子电路)。这些部件通常位于板的顶部和/或底部。装配到板上的所述部件可能包括无源和有源部件、机电部件、机械部件(例如加强件)和其他类型的部件。这些部件通常安装到板上。在特定情况下，一个部件可以安装到另一个部件上，而该另一个部件进而安装到板上。在另一特定情况下，装配有多个部件的副板经由隔板(spacer)安装到主板上。因此，本发明能够以与常规的印刷电路板类似的方式适用于多种类型的电子电路和电子板。还应当注意的是，本发明可以适用于具有多个一个PCB的组件，以及装配有这些PCB的其对应结构或者架或者篮，均一起进行分析。

本发明的方法通常包括以下步骤：

a.振型类型预定义：定义了术语“振型类型”以用于本申请。振型类型预定义步骤涉及对可能的振型类型(即振型的类型，每种类型具有稍后讨论的特定特征)的预定义。该步骤还涉及对各种振型类型指派威胁权重。威胁权重表示一个部件发生故障的可能性：当涉及一个部件时较高的威胁权重表示较高的故障可能性，即表示较高的潜在可靠性问题。更具体地说，对于各可能的振型类型，该步骤将该类型与存在可能的可靠性威胁(即设计薄弱之处)之间的关系指派给PCB部件中的一个或更多个。该步骤是通用的并被定义一次。一旦做出了该定义，其就可以用于任何设计的所有PCB。

b.模型建立：在该步骤中，建立所分析的PCB产品的详细有限元网格模型。该模型应该包括板本身以及PCB部件。通常，该网格模型应该包括并考虑部件导线。

c.进行固有频率仿真：在该步骤中，进行PCB的模态分析，从而找到模型的固有频率及其对应的振型。术语“振型”在现有技术中通常是指对象的变形形状，其与对象的特定固有频率(特征值)相关。虽然在本申请的大部分篇幅中，术语“振型”涉及从有向的(directional)平移特征向量得到的位移幅度向量的所述常规定义(即变形形状)，但该术语在本申请中有时扩展到也包括其他特征向量，稍后将进行说明。该步骤通常针对典型的有关的预定义频率范围而执行。该范围通常可以涵盖在特定HALT测试中使用的范围，或者如后所述地另行定义。

d.分析并导出结论：在该步骤中，对于所找到的每个固有频率和对应的振型，通过将在所述仿真中找到的振型与所述预定义振型类型进行比较来做出分析以确定易损(vulnerable)部件。

以上步骤(a)和(d)是本发明特有的，步骤(b)和(c)代表模型建立和固有频率仿真，它们优选地使用公知的有限元技术执行。可以考虑将其他技术用于步骤(b)和(c)，这些技术包括但不限于有限差分法、有限体积法和边界元法，只要能够获得固有频率和对应的振型解即可。

下面将更详细地说明本发明的方法。

a.振型类型预定义

如所述，定义了术语“振型类型”以用于本申请。定义了各种振型类型，每种振型类型具有稍后讨论的特定特征。对于术语“振型”本身，在以下讨论中，并且除非另有明确的说明，术语“振型”是指与特定固有频率有关的空间位移(即变形形状)。如所述，本发明的方法基于对位于通常给定的范围内的各固有频率的振型进行分析，并基于各分析出的振型，该方法可能将表示所述一个或更多个部件的薄弱程度的威胁权重提供给所述一个或更多个部件。更具体地说，该方法将定义了振型的特征向量解与可能导致现场故障或者在诸如HALT的可靠性测试期间发生故障的特定PCB部件的设计薄弱之处关联起来。为了实现这一目标，对固有频率振荡的振型的相对幅度进行检查。发明人已经发现，某些振型类型比其他振型类型更容易导致PCB部件的故障。并且，通过分析找到振型并将它们与振型类型进行比较，能够揭示出哪个PCB部件在现场或者在HALT测试期间实际发生故障。因此，在该步骤中，预定义了振型的类型及其对应的威胁权重。

以下是几种特定振型类型及其对应的威胁权重。图3a和图3b分别是示出PCB“G”的俯视图和透视图。图3c是以透视图示出同一PCB的图片。该PCB“G”是用于说明以下振型类型1、2和3的示例。PCB“G”是包含各种部件的PCB的一个示例。应当注意，稍后描述的振型类型名及其顺序是任意的：

1.振型类型1：振型类型1的特征在于振荡板的位移通常以某种弯曲或扭转运动进行振动，而位于弯曲或扭转区域处的部件与该板一起运动。振型类型1具有最大振幅的一个中心点。根据振荡区域的大小，与该板一起运动的部件是该板部件的一些或全部。发明人已经发现，类型1振荡具有低威胁权重。更具体地说，类型1威胁通常不表示特定部件的故障。例如，图4a和图4b分别例示了等值面轮廓线中的类型1振型和变形形状图。图4a使用等值面轮廓线例示了位移幅度。在这种情况下，等值面轮廓线代表板上的具有相同参数值即相同幅度水平(位移幅度)的所有点的集合。应当注意，在模态分析中，如现有技术所公知的，对所有特征向量进行归一化。唯一绝对输出值是固有频率本身。特征向量代表相对值。因此，将幅度范围归一化为零(无变形)到一(最大变形)之间的范围。在该实施例中，板以在该实施例中恰好为第一固有频率384.6Hz发生振荡。在图4a中可以看到，振荡的最高幅度位于中心点P处，而幅度水平的66.6％边界和33.3％边界分别由轮廓线A和B表示，它们代表等值面轮廓线。应当注意，图4a(以及以下所有的示出了位移幅度等值面轮廓线的图)最初是生成为彩色的，并且所提供的图是从彩色图转换而来的。在彩色图中，轮廓线A用红色标记，轮廓线B用蓝色标记。轮廓线A内的所有区域都具有在从0.66至1.0范围内的位移幅度。在轮廓线A和B之间的所有区域都具有在从0.33至0.66范围内的位移幅度，并且轮廓线B以外的所有区域都具有在从0.0至0.33范围内的位移幅度。图4b通过显示出变形形状而例示了板的第一固有频率的同一位移幅度。应当注意，PCB的变形是以放大的比例显示的，以使得变形可见。还应当注意，该模型中使用的有限元网格在图4b中是不可见的，而在图4a中是可见的。

2.振型类型2：振型类型2的特征在于板的位移以与振型类型1类似方式的发生振荡，然而，在具有两个或更多个中心点(即两个或更多个局部最大振幅点)的情况下，当然不一定具有相等的振幅水平。图5a是位移幅度等值面图，其例示了分别具有两个最大中心点P1和P2的振型类型2。在这种情况下，板以恰好为该板的第三固有频率555.8Hz发生振荡。图5b例示了该板的相同第三固有频率的变形形状。发明人已经发现，类型2振荡也具有低威胁权重。更具体地说，类型2威胁权重通常也不表示特定部件的故障。实际上，发明人已经发现，与振型类型1相比，振型类型2通常甚至更为不严重，这是因为更加难以找到以该相对更复杂的振型来激励该板的实际外部载荷。

3.振型类型3：振型类型3的特征在于特定部件的纯粹(pure)主本地振荡(术语“本地”在本申请中是指单个部件的振荡，“纯粹”在该申请中表示仅有该部件发生振荡)。板的其余部分和所有的其他部件完全不发生振荡，并且是静止的。应当注意，即使板的其余部分或者其他部件存在相对小的振动，所述部件的本地振荡也应当认为是纯粹的。板的其他部分和其他部件的所述小的振动可能是由于以下原因而发生：(a)存在模拟(analog)物理现象和非0/1二元特性(b)仿真存在数值误差。因此在本发明的上下文中，如果PCB(包括所有其他部件)的任何其他部分的幅度位移是部件的幅度位移的小的百分比的幅度位移(其可以预先定义)，则所述部件振荡是纯粹的。换言之，振型类型3是指单个部件的振荡。发明人已经发现，振型类型3振荡对于振荡部件具有非常高的威胁权重。这与几个原因有关，这些原因包括但不限于：(a)这种本地模式会导致显著的疲劳，因为其与部件中的法向应力和/或剪应力有关；(b)部件相对于板的变形很大；(c)部件的质量参与因子很显著，即所有的部件质量都参与到振型振动中；以及(d)该振型非常简单，因此非常容易受到动态激励，这与实际上很难进行激励的复杂振型不同。换言之，当例如在HALT中所执行的，使用处于非常大频率范围的6DOF激励时，该振型类型3振荡必然被激励，导致对应部件的显著疲劳，致使所述部件发生预期的疲劳。因此，发明人已经发现，类型3振型的出现强烈地预示在实验室HALT测试中将很可能被展现出的设计薄弱之处(尽管不一定是以特定的常规一轴有限范围加载状态形式的设计薄弱之处)。图6a是示出了单个部件的振型类型3的位移幅度等值面轮廓线图，在这种情况下该单个部件是以恰好为板的第二固有频率488.7Hz振荡的陶瓷盘形电容器44。应当注意，等值面轮廓线A给部件44加上了边，表示其高位移幅度。轮廓线A和B(B在图中不可见)均限于部件44。图6b示出了相同固有频率的变形形状。可以看出，部件44相对于其原始位转移发生变形(即，虽然最初其相对于板是垂直的，但可以看出在该图中它是倾斜的)。应当注意，图6b(以及示出了位移幅度变形形状的以下所有的图)最初是生成为彩色的，并且所提供的图是从彩色图转换而来的。在彩色图中，根据在图中未包括的颜色图例，颜色的差异(在本申请中为灰度的差异)表示了振动的幅度(例如红色为0.66至1.0范围等)。图6c是同一部件44的区域的放大图。应当注意，在图6a和图6c中有限元网格是可见的，而在图6b中是不可见的。

4.振型类型4：振型类型4与振型类型3类似。然而，在类型4中同一部件是以两个或更多个不同的固有频率而振荡。所述振荡中的每一种分别是同一部件的具有同一振荡方向(例如弯曲x平移)的类型3振荡。和类型3中一样，板的其余部分和所有其他部件都完全不发生振荡并且是静止的。换言之，振型类型4也涉及类似于类型3的单个部件振荡。发明人已经发现，类型4振荡也具有非常高的威胁权重。振型类型4的威胁权重甚至比振型类型3还高。对所述甚至更高的威胁权重的理论解释是，当经受六DOF宽频率范围振动(例如在HALT中)时，所述部件有可能在两个不同的激励频率内受到激励。图7a和图7b分别示出了PCB“H”的俯视图和透视图。图7c是以透视图示出同一PCB的图片。图8a和图8b是两个振型(分别称为PCB“H”的第10(1081.2Hz)和第11(1113.8Hz)固有频率)的位移幅度等值面轮廓线图。这些图示出了同一部件，在该情况下是在所述两个振型的每一个中以纯粹本地振荡方式在同一方向上振荡的薄膜电容器70。

5.振型类型5：振型类型5与振型类型4类似。与振型类型4类似，同一部件以两个或更多个不同的固有频率进行振荡。所述振荡中的每一个分别是同一部件的类型3振荡。然而，振荡方向在每个振型中不同，因此每一个均导致在部件内的不同位置处的应力，并且有时甚至应力类型也不同。例如，假设所述部件导线由于振荡而是弯曲的。一个振型可能会导致沿x轴方向的弯曲，而另一振型可能会导致沿y轴方向(或者任何任意方向)的弯曲。通常，部件的弯曲导线的截面的靠外的线处的最大法向应力围绕该导线的界面的外围在不同位置发展(evolve)。而在另一实施例中，一个振型可能导致沿特定方向的弯曲，而另一振型可能导致围绕特定轴的扭转。显然，虽然也存在剪应力，但所述振型的一个中的主应力是弯曲对象的横截面的靠外的线处的法向应力(张力和压力)，而所述振型的另外一个中的主应力是剪(切向)应力。因此，振型类型5的特征在于在同一部件中但是沿不同方向振荡的两个或更多个振型(每一个都是类型3振型)的纯粹本地振荡。与类型3中一样，板的其余部分和所有其他部件不发生振荡并且是静止的。换言之，与类型3和4类似，振型类型5也涉及单个部件振荡。已经发现，类型5振型也具有非常高的威胁权重，可能要高于振型类型3。图9a和图9b分别是PCB“C”的俯视图和透视图。图9c是在透视图中示出同一PCB的图。图10a和图10b是两个振型(分别称为PCB的第一固有频率(258.7Hz)和第五固有频率(722.4Hz))的位移幅度变形形状图。这些图示出了同一部件，在该情况下是晶体(crystal)75，该晶体75在所述两个振型的每一个中以纯粹本地振荡方式振荡、但是在这两个振型的所述第一个中该晶体弯曲，而在第二振型中该晶体扭转。图10c是以所述第5固有频率振荡的同一晶体75的区域的放大图。应当注意，有限元网格在图10c中是可见的，而在图10a、图10b中是不可见的。

6.振型类型6：与振型类型3类似，振型类型6是特定固有频率的单个振型，其特征在于特定部件的主本地振荡，然而该主本地振荡不是纯粹的。换言之，虽然所述部件确实明显是以本地特性振荡，但板的其余部分的某一些是以类似于类型1的振荡而振动。应当注意，如果板的所述类型1振荡出现在以类型3振荡的所述部件的同一区域，则所述两个振荡(板的部件和其余部分的振荡)无论是在其振幅水平上还是在其振荡方向上都可彼此区分。还应当注意，如果所述类型1振荡和类型3振荡都位于PCB的同一区域处，并且如果它们都具有类似的振荡振幅水平和方向，则它们可能会合并成类型1振型。该情形与所述合并的情形越接近，类型1威胁变得越占主导地位，导致总的威胁权重减小到低权重。因此，振型类型6涉及不纯粹的单个部件振荡即本地振荡。已经发现，类型6振荡也具有非常高的威胁权重(除非所述合并的情形出现)。图11是示出了单个部件的PCB“C”的位移振幅变形形状图，在该情况下，该单个部件是在恰好为板的第11固有频率1399.9Hz振荡的铝电解电容器80。同时，PCB的另一区域81以振型类型1振荡。可以看出，部件80相对于其原始位置发生变形。由于区域81位于距离部件80很远的完全不同的位置，部件80的威胁权重非常高，就好像它可能会是或者近似是类型1振型。

7.振型类型7：振型类型7与振型类型3类似。其特征在于同一振型(即同一固有频率下)的两个或更多个特定部件的纯粹本地振荡。与类型3类似，板的其余部分和所有的其他部件完全不振荡并且是静止的。已经发现，与振型类型3类似，对于所述振荡部件中的每一个，类型7振荡也具有非常高的威胁权重。应当注意，如果所述部件中的振荡方向不同，则在所述振型类型7中涉及的部件越多，威胁权重越小。这种现象的原因在于，涉及的部件和振动方向越多，找到将导致这种复杂激励的真正外部载荷就越困难。图12是示出了在恰好为板的第八固有频率775.7Hz振荡的两个振动部件85和90(在该情况下为陶瓷盘形电容器)的PCB“G”的振型的位移幅度等值面图。所述部件85和90的威胁权重非常高。然而，应当注意，所述部件85和90在两个垂直方向(虽然在图12中不能看到)上振荡。因此，威胁权重比类型3威胁权重略低。如果涉及更多部件和更多振荡方向，则可能认为威胁权重甚至会降低到特定水平。

8.振型类型8：振型类型8类似于振型类型7。其特征在于处于同一振型(即同一固有频率下)的两个或更多个特定部件的纯粹本地振荡。板的其余部分和所有的其他部件完全不发生振荡并且是静止的。然而，这些特定部件中的一个的振荡幅度比其他的高。已经发现，与振型类型7类似，对于所述振荡部件中的每一个，类型8振荡也具有非常高的威胁权重。然而，应当注意，对于振幅水平代表更高水平变形的那些部件来说，威胁权重在某种程度上更高。图13是示出了两个振动部件95和100的PCB“H”的振型的位移幅度等值面图，在该情况下这两个振动部件是均以恰好是板的第13固有频率1239.9Hz频率振荡的铝电解电容器。然而，部件95的振荡幅度显著地高于部件100的幅度。在图13中可以看出，部件95以表示变形形状位于0到1变形范围的上三分之一(即0.66-1.0范围)内的变形形状的标记A为边界，而部件100以表示在该部件的边界内振荡是在0.33至0.66之间的范围内的标记B为边界。应当注意，应当仔细地检查振幅水平比较：在所述实施例中，部件95和100均具有相同的几何和力学性质(即它们具有相同的封装(package))。当所述性质相同时，更为可能的是，其振荡幅度具有更大变形(在该实施例中这意味着该部件的导线具有更大的弯曲角度)的部件更容易发生故障，并且将最可能首先发生故障。

9.振型类型9：振型类型9类似于振型类型4。和在振型类型4中一样，同一部件以两个或更多个不同的固有频率发生振荡。所述振荡中的至少一个是部件的类型3振荡，而至少另外一个振型是同一部件的类型6振荡。换言之，振型类型4也涉及单个部件振荡。已经发现，类型9振荡也具有非常高的威胁权重，甚至比振型类型3还要高，尽管其可能在某种程度上低于振型类型4。图14a是参考PCB“C”的第11(1399.9Hz)固有频率的位移幅度变形形状图。图14b是PCB“C”的第12(1430.0Hz)固有频率的位移幅度等值面轮廓线图。这些图示出了同一部件，在该情况下，该部件是以第12固有频率下的纯粹本地振荡类型3并且以第11固有频率下的本地的但是非纯粹的振荡类型6(所述类型6振荡中所涉及的区域在图14a中表示为区域106)而振荡的铝电解电容器105。

10.振型类型10：振型类型10也类似于振型类型4。与在振型类型4中一样，同一部件以两个或更多个不同的固有频率而振荡。所述振荡中的至少一个是部件的类型3振荡，而至少另一个振型是涉及同一部件以及另一附加部件的类型7或类型8振荡。已经发现，对于以两个或更多个所述固有频率振荡的部件，类型10振荡具有非常高的威胁权重，比振型类型3还要高。图15a和图15b分别是PCB“D”的俯视图和透视图。图15c是在透视图中示出同一PCB的图片。图16a和图16b分别是PCB“D”的第六(741.3Hz)和第七(774.4Hz)固有频率的两个振型的位移幅度等值面图。这些图示出了同一部件，在这种情况下该部件是以所述第七固有频率的纯粹本地振荡类型3和以第六固有频率的振型类型8(在这种情况下与铝电解电容器115一起)振荡的晶体110。

11.振型类型11：振型类型11是类型4和类型7的组合。和在振型类型7中一样，两个或更多个部件在特定的固有频率下以纯粹本地振动方式振荡。然而，与在振型类型4中一样，同一所述部件在附加的固有频率下以纯粹本地振动方式振荡。已经发现，对于所涉及的部件，类型11振荡也具有非常高的威胁权重。图17a和图17b分别是PCB“E”的俯视图和透视图。图17c是在透视图中示出同一PCB的图片。图18a和图18b分别是PCB“E”的第七固有频率(1032.9Hz)和第八固有频率(1096.5Hz)的两个振型的位移幅度等值面图。这些图示出了两个部件，在这种情况下这两个部件是在所述两个固有频率的每一个下以纯粹本地振荡类型7方式振荡的陶瓷盘形电容器120和125。

当然，除了以上列出的以外，可以找到或定义其他的或附加的振型类型。这种附加的振型类型例如可以是以上振型类型中的一个或更多个的组合。当然，在定义这种振型类型时，最好也提供这些附加类型中的每一个的威胁权重。

应当注意，所有的所述振型类型和相关的图均取自根据本发明进行了仿真并由实验室HALT机测试了的真实PCB。应当注意，所述仿真和所述HALT实验室测试之间的相关性极高。下面将提供进一步的实施例。

b.模型建立

一旦如前所述已经定义了振型类型，下一步就是建立被测产品即PCB组件的有限元模型。更具体地说，建立PCB的正确、详细和精确的有限元模型，其中所述模型包括板及其部件。通常，部件导线也必须要正确地表示出来。对导线建模的重要性在于，在许多情况下，导线是部件的最薄弱部分，导线弹性通常是部件振荡的原因，并且导线经常由于疲劳而断裂。重要的是在有限元模型中使用正确类型的元素(element)，以正确表示部件和板。这些元素例如可以是线元(如常用的商用有限元软件MSC.NASTRAN中的条和杆)、或者面元(三角形或扇形)、或者体元，或者同一PCB模型中的各种类型元素的组合。如果将与每节点DOF(自由度)数量不匹配的不同类型的元素合并(例如将每节点3DOF的体元与每节点6DOF的线元或每节点5DOF的面元合并)，则可能必须要定义现有技术中所公知的不同元素的节点的不同DOF之间所需的数学关系(例如MSC.NASTRAN中的多点约束等式)，或者使用现有技术中公知的其他方法对所述DOF不匹配问题进行补偿。当选择网格形成策略时，需要确定是使用“h”元素(线性的或抛物线的)还是“p”元素。(“p”方法的途径(approach)是，通过增大定义了元素形状函数和有限元解的多项式阶数而实现网格的细化(refinement)。在“p”方法中，网格保留了路线(course)，但每个元素可以具有更靠内的节点，而不是将元素划分为更小尺寸的元素。“h”方法的途径是通过使用更精细的网格(即具有低多项式阶数的更大数量的更小尺寸元素)来实现网格的细化。符号“h”在现有技术中是指元素的典型大小，而符号“p”在现有技术中是指元素的多项式阶数。)在组成网格之前几何模型的准备策略以及组成网格策略本身应当导向固有频率和模型形状/特征向量分析的精确解。对部件的导线的不当表示(misrepresentation)可能会阻碍找到并提取这些部件的本地模型形状。对PCB的不当表示通常不会导向模态分析的精确的、详细的、所需的解。适当元素的一个例子是“p”型四面体(金字塔元素，四个顶点，每节点3DOF)。该元素使得能够创建导向精确解的体有限元网格。另一方面，考虑到所需的精度，不推荐“h”型线性四面体。“h”型线性4节点四面体元素在市场上的许多有限元预处理器中非常常见，但是与“h”型线性8顶点(盒)和6顶点元素(可以使用，但网格形成会非常复杂)不同，该元素被认为是“恒定应变”元素。原因在于，将解从该节点扩展到整个元素空间的该元素的形状函数是平面函数，即位移解在元素域内线性变化(该位移解被定义为形状函数的线性组合)。这导致元素域内的恒定应变解，这是因为应变是沿轴向位移的梯度。与应变解成比例的应力解(通过将应变张量(strain tensor)乘以弹性模量矩阵而得到)在元素空间中也是恒定的。所述“h”类型线性4节点四面体元素通常能够提供很好的静态分析位移解，但不能提供精确的应力解。所述元素也能够提供热学问题的很好的温度解，其中它充当恒定热流元素，然而，对于固有频率动态解，该元素存在“过刚度(over stiffness)”问题，这意味着即使网格非常精细，通过仿真获得的固有频率也将具有比真实值更高的值。这是例示了为何应当避免常用的线性4节点四面体元素的例子。然而，用更高多项式阶数(抛物线的或更高阶)定义的四面体元素不存在这种“过刚度”问题和线性形状函数。因此，使用抛物线“h”型四面体是用于获得精确的和详细的模态分析解的合理途径。“p”类型四面体元素对于获得所述希望的解甚至更好，因为它具有一些额外的优点。首先，当使用“p”元素时，与使用“h”元素时通常推荐的最大5:1的纵横比相比，通常可以允许使用最大30:1的纵横比而不会影响解的质量。这意味着使用“p”方法能够更方便地形成具有更少DOF数量的网格。这是很重要的，这是因为，无论如何，可以预期，在尝试产生这种详细的PCB有限元模型时，模型都是大的，具有大量节点。当然，使用“p”方法的另一优点是其公知的基于预定义的收敛准则使用迭代自动处理来增大元素多项式阶数直到收敛的能力。这使得更容易确保获得所需的精度水平。使用“p”方法的又一优点是，“p”元素通常给出了用于处理困难的几何纵横比问题的更好的手段。当处理典型的PCB几何时这是很重要的。例如，如果使用“p”，则部件的小直径导线可以按以下方式使用沿着其横截面的单个元素来表示，该方式为该元素的一个边与横截面的一个靠外的线相切，而同一元素的相对的一个边与横截面的相对的靠外的线相切。显然，这样形成网格更容易，这是因为典型的元素可能非常大。当使用“p”单元时这是允许的，因为在增大元素的多项式阶数的迭代过程期间，可以添加另外的中节点

(mid-node)，达到整个截面上9个节点(假设求解器使用具有高达8阶的多项式阶的元素)，或者整个截面上8个节点(假设求解器使用具有高达7阶的多项式阶的元素)，等等。这相当于极其精细的“h”元素网格。显然，使用这种“p”元素获得的解遵循例如从一个边处的法向应变的最大正值到相对边处的法向应变的最大负值的整个横截面上的应变的高梯度。这意味着，“p”的网格形成过程更容易，又保持了解的质量。所有这些都是针对本发明的特定目的，出于选择最优元素类型和网格形成技术的一些考虑。

如所述，通常重要的是提供部件(包括部件导线)的详细网格。然而，典型的PCB可以包括已知极其可靠的部件。这种极其可靠的部件通常可以是例如尺寸小、重量轻并且重心非常靠近板表面的部件，例如小型SMT(表面安装)电阻器。如果这种部件不发生故障的概率极高，则为它提供所述详细网格不是必须的。在这种情况下，例如，可以使用近似表示来向仿真的PCB提供所述部件的刚度分布或者质量分布或者刚度分布和质量分布二者。例如，部件可以用定义了适当的盒型(没有部件导线)的结构化元素来表示。在另一实施例中，部件可以用附接到属于板的网格的节点上的标量质量元素来表示。在又一实施例中，部件可以用附接到位于该部件的重心处的节点上的标量质量元素来表示，并且该节点使用刚体元素连接到该板。在另一实施例中，板本身的网格性质(例如弹性模量和质量密度)可以是局部(或者不是局部而是整个板)改变的以考虑一个或更多个这种部件。在另一实施例中，部件可以通过对其建模而不对其导线建模来近似，因此在模型中部件和板之间的接触面是非常近似的，甚至与真实的接触面完全不同(例如对一个单矩形形状接触面建模而不是精确表示部件导线和板之间的接触面)，所述近似适用于基于以往经验被认为发生现场故障的可能性很低的部件。

板的多层结构可以用例如层压面(板)元或者多层体元来表示。通常，即使在同一部件中，也可以将不同的材料性质(各向同性或者各向异性)用于网格的不同部分。

应当注意，能够并且在某些情况下可能希望通过用焊接(solderingjoint)及对应的材料性质的适当有限元网格，或者通过局部地改变板和/或部件的性质，来表示焊接处。相同的讨论类似地适用于一个或更多个部件、部件导线和板的涂层。

施加给模型的边界条件(约束)应当表示HALT测试约束或者所期望的其他约束。如现有技术中所公知的，术语“边界条件”或者“约束”在这里表示板附接到其支撑结构的方式。显然，约束施加到板的特定位置。应当注意，在建立网格本身时应当进行约束考虑以确保节点位于约束位置的边界内。约束可以以这些节点自由度中的一些或者全部而施加到节点，用于正确地表示仿真的PCB的实际安装。应当注意，出于某些目的，也可以进行无约束模型的自由体模态分析。

c.执行固有频率仿真

在完成PCB建模后，过程进行到执行固有频率仿真的步骤。如所述，在该步骤中，利用有限元求解器执行PCB的模态分析，从而找到模型的固有频率及其对应的振型。应当注意，过程的这一步骤在现有技术中是公知的。该步骤通常针对典型的相关预定义频率范围执行。该范围通常但不一定要涵盖特定HALT测试中使用的范围。例如，对于在一些HALT实验室的大多数测试来说，典型的是0Hz到2000Hz的范围。因此仿真可以设置为提取位于0Hz到2000Hz范围内的所有固有频率和振型。另一途径可以是将有限元求解器设置以提取前面预定数量个固有频率，例如提取前8个固有频率和对应的振型。又一途径可以是例如将这些所述途径合并以提取0Hz到2000Hz范围内的不少于前20个固有频率且不少于所有的频率。还应当注意，如果使用“p”求解器，则在该阶段还能够通过设置收敛准则来定义所期望的解精度。

所述固有频率仿真的过程的结果包括位于设置中预定义的范围内以Hz为单位的所有固有频率。对于各固有频率，所述过程的结果还包括定义了针对在每个节点的DOF处的位移的特征值解的对应的一组特征向量，以及包括应变能量、应变、应力等的其他特征值向量。惯例是将向量的很大一组字母数字输出图形化表示出来。以下将在本发明的上下文中展示这种表示。

d.分析并导出结论

当找到了预定频谱内的固有频率和振型时，该过程对分析并导出结论这一最终步骤准备就绪了。如所述，在该步骤中对于在仿真中找到的各固有频率和对应的振型，与预定义振型类型的集合进行比较，以找到所述找到的振型与振型类型的匹配。找到了这种匹配，也就找到了对应的威胁权重。与在仿真中找到的所有振型对应的所有振型类型的集合指向所有的易损部件。术语“易损部件”是指可能由于PCB的设计薄弱之处而发生故障(例如现场故障或者HALT测试期间的故障)的部件。

总之，分析并导出结论的步骤包括两个子步骤，如下：(a)比较并找到匹配的振型类型和对应的部件或者具有显著的威胁权重的部件；以及(b)建立归纳了所找到的具有显著威胁权重的所有部件(如果有的话)的总列表或图形化表示。应当注意，这些子步骤(a)和(b)都既能够借助于对相关特征向量进行检查的软件自动地执行，又能够借助于对振型的图形化表示可视地检查而执行。

应当注意，可以将结论的分析和导出限于找到发生现场故障的可能性相对高的前面预定数量个部件，例如限于找到具有与振型类型3(如前所述，具有非常高的威胁权重)或者与具有甚至更高的威胁权重的其他振型类型(例如振型类型4)相匹配的振型的前四个部件。假设在该实施例中，在检查了前7个固有频率的振型之后找到了具有类型3的威胁权重或更高威胁权重的前四个部件。在该情况下，将不检查第八及以上固有频率的振型。又一实施例：找到具有类型4的威胁权重或更高威胁权重的前两个部件。

总之，通过使用如下所述的一个限制或者两个或更多个限制的组合，可以对使用本发明的待识别部件的数量加以限制，这些限制为：

a.限制固有频率仿真的频率范围；

b.将固有频率仿真限制在前面预定数量个固有频率；以及

c.将方法结果限于找到发生现场故障的可能性相对高的前面预定数量个部件。

至此，在本发明的详细说明中，振型和振型类型被认为与位移有关。在更具体的方式中，这些术语被称为与空间位移(即位移幅度变形形状)有关。然而，应当注意：

a.可以并且在某些情况下有用的是，参照一个特定自由度(例如T_x-仅沿x轴的平移)下的位移向量来检查振型和对应的振型类型。而在另一实施例中，可以采用R_y-围绕y轴的旋转。

b.可以并且在某些情况下有用的是，参照位移或旋转向量(例如选定平面(如xy平面)的位移)的组合来检查振型和对应的振型类型。在该实施例中，针对各节点待检查的位移将被计算为

其中d_x表示该节点沿x方向的位移，d_y表示该节点沿y方向的位移。在该实施例中，忽略了沿z轴的位移。这一技术的使用在某些情况下提高了观察的灵敏度，并且揭示出不这样将不能观察到的薄弱部件。

c.如所述，至此，术语“振型”和“振型类型”被认为与位移有关。然而，应当注意，类似地，这些术语在本发明的上下文中可以同样涉及从固有频率仿真而得到的其他特征向量。这种向量例如可以但不限于是应变或应力特征向量。在这种情况下，定义了与各种应力向量、应变、应变能等有关的振型类型的集合。下面，分析将使观察到的振型(例如应力“振型”)与对应的振型类型相匹配。这种应力“振型”可以例如利用现有技术中公知的软件工具，使用等值面或者其中不同的颜色指代不同应力值范围的可变颜色图，按类似方式图形化地展现为变形振型。甚至可以通过利用沿特定方向(例如垂直于板原始平面的法向)的等效变形值来表示应力值水平(被归一化到零和一之间并乘以一个比例因子以使变形形状可见)而图形化地表示“变形形状”。可以认为这些等效“变形形状”是虚拟振荡或虚拟振动，其表示周期变化-不是位移周期-而是在本实施例中诸如应力的其他物理参数的周期。因此，在本发明的上下文中术语“振荡”不但是指位移振荡，而且是指应力振荡、应变振荡等。发明人已经发现，在某些情况下，并且对于特定类型的部件，有用的是利用所述应力“振型”、应变“振型”等来实现本发明的方法。过程在本质上仍是相同的，即通过固有频率和特征向量仿真的相对简单的后处理分析进行HALT仿真或者更常用的部件故障预测仿真。正如对于应力那样，对于应变“振型”、应变能“振型”等，同一概念是有效的。例如，应变振荡(或者应变“振型”)方面的振型类型3可能指代位于单个部件的一根导线或多根导线处或者位于所述导线与板相连接处的非常高的应变值，而模型中所有其他位置处的应变值为零或相对很小。因此，在本申请的全部内容中，术语“振型”和“振型类型”可以按这一更广泛的上下文来解释(即，这些术语涉及根据本发明的对任意的或所有的特征向量或者特征向量的组合的分析，例如应力、应变等，而不限于位移)。

d.本发明的方法可以按所述形式中的任意一种来执行，即所述基本形式，以上可选形式(a)、(b)或(c)中的任意一种，或者所述四种形式的任意组合。

应当理解，振动是实验室HALT程序的基础，并且振动是部件故障的主要原因。然而，HALT还包括热载荷、稳态冷热步骤和快速热转换。如所述，本发明的方法即使在不考虑热学方面的情况下，在HALT仿真的上下文中，以及在更常用的与被称为HALT的实验室程序无关的可靠性仿真的上下文中，都提供了良好的结果。然而，热学方面可以容易地添加到本发明的方法中。如前所述，假设为振荡模型材料中的每一种都定义了热膨胀系数，用于本发明的有限元模型适用于热应力仿真。实际上，所述模型对于热应力仿真来说“超出了需要”，因为对固有频率仿真的网格要求要高得多。因此，热学方面可以加到本发明的方法中。这可以在几个方面中实现。例如，在考虑热学问题的一个方面中，可以进行预应力分析以计算热应力。然后，可以使用预应力模型利用其更新后的刚度矩阵执行固有频率仿真。另一热学方面可能涉及在运行固有频率仿真之前直接更新材料性质。例如，随温度变化的特定材料的弹性模量可以更新为代表以下的温度，其中在该温度下对模型进行仿真以找到固有频率。应当注意，可以通过首先执行精确的热学分析以对模型的每个节点的实际温度进行映射来实现对考虑热应力方面的额外改进。这可以在具有热学性质、热学边界条件和施加到模型上的热载荷的情况下完成。总之：HALT的热学方面可以应用于本发明的方法，然而这通常是不必要的。应当注意，热载荷对实验室HALT测试的主要贡献之一是其缩短了出现故障时间，例如如果施加热应力，则部件会在振动20分钟之后发生故障，而不是在没有热载荷情况下振动25分钟后才发生故障。这解释了为何在根据本发明的分析中所述热学方面通常被认为没有必要的一个主要原因：根据本发明的分析直接识别出(而不经由与时间有关的激励)具有高威胁权重的特定部件的相关振型和对应的振型类型。时间不是根据本发明的分析中的参数。因此通过包括热载荷而在HALT的实验室测试期间获得的时间节省与本发明无关。HALT实验室测试经常使用热载荷以提高在更早识别部件的故障方面的测试灵敏度。因此，本发明的一个优点是其可以代表持续时间相对较长的HALT测试或者涉及结合有热负荷的高GRMS(以g为单位的均方根加速度值)振动，因此本发明的一个优点是可以灵敏地识别部件的故障，而不需考虑热学影响。

应当注意，以下事实在本发明的上下文中不是一个问题，即阻尼没有表示在特征值解中，因此在根据本发明的方法的部件故障预测期间没有被考虑进来，这是因为：(a)阻尼在随机振动中是不显著的，因此在HALT中是不显著的(与其中阻尼极其显著的频率响应问题不同)；以及(b)不管怎样，不考虑阻尼提高了用于识别设计薄弱之处的解的灵敏度。

还应当注意，本发明可以以简化形式应用，在该简化形式中仅定义了高威胁权重的单个水平，即是否存在振型类型3族。这里，振型类型3族指以下振型，即该振型可以被识别为具有PCB的一个特定部件或多个部件的本地的主导的振动或振荡模式。因此，振型类型3族包括以上定义的振型类型3-11(或者可以根据本发明来定义的等效的其他振型类型)的组。被识别为具有类型3族振型的所以部件将被认为是预计会有现场故障问题的部件。

实施例1

在实验室中进行标记为“F”的印刷电路板组件(PCBA)的HALT测试并且还根据本发明进行了仿真。图19是以对PCB“F”进行仿真的方式示出了安装到由Screening System Inc.公司制造的HALT测试机的HALT台上的PCB“F”的图。

为了根据本发明针对HALT对PCB“F”进行仿真，建立板及其相关联部件的3D立体模型。然后，生成整个组件的立体模型。图20a和图20b分别是PCB“F”的立体模型的俯视图和透视图。图21是示出了PCB“F”的同一立体模型的图片。

接着，建立整个组件(PCB“F”)的有限元网格。在该实施例中，所有的组件以及板本身都利用具有每节点3个平移自由度的体积四面体“p”元素来网格化。基于收敛准则将网格多项式阶数设置为从3开始并根据需要增大到9。还添加了模型的材料性质，它们代表了板以及多个部件中每一个的正确的杨氏模量(Young Modulus)、泊松比(Poission′s Ratio)、质量密度等，包括部件导线的正确性质。

在下一步骤中，向模型施加边界条件。所述边界条件代表在HALT实验室测试期间由机械台夹具施加的约束。夹具是图19中所示的那些，并且标记为C₁至C₆。

板的在模型中被施加了约束的六个区域在图20a和20b的PCBA图中用剖面线表示，并且还记为C₁至C₆。所述区域中的每一个都是矩形。网格在包括位于所述矩形区域的各顶点处的节点。对这些节点(24个节点，即6个区域，每个区域4个顶点)施加3个自由度(均为平移DOF)约束。

所述模型的整个网格由18259个元素和原始数量为334875个等式(亦即334875个自由度)组成(最初，所有元素的多项式系数为3)。

设置(Parametric Technology Corporation这个公司的)Pro/Mechanica求解器，以提取在0[Hz]-1500[Hz]范围(这是所需的预定义的频谱)内的所有固有频率。针对所述范围内的所有固有频率，将收敛准则设置为1％。在最大多项式阶数为5以及总共385867个等式处获得收敛。图22a例示了模型的有限元“p”网格。图22b是该模型的局部放大图。

接着，获得针对这些固有频率中的每一个的模型的总3D平移的振型幅度图。已经发现第一固有频率561.9[Hz]是标记为部件125的部件(其是扬声器，见图23a)的类型3的纯粹本地模式。图23a示出了所述PCB“F”的所述第一固有频率的位移幅度等值面振型图。边界A表示具有最大位移幅度的66.6％的等值面轮廓线。图23b是同一个第一固有频率振型的位移幅度变形形状图，图23c是集中于部件125的区域的放大图。

如图24所示，在第二固有频率796.4[Hz]处，发现了振型类型8，即，发现了部件130(其是陶瓷盘形电容器)的纯粹本地位移以及部件131(其是铝电解电容器)的纯粹本地位移(稍弱一些)。位于部件130的周线(outline)处的边界A表示该部件的位移幅度在所述固有频率振型的最大位移幅度的66.6％至100％的范围内。同样地，位于部件131的周线处的边界B表示该部件的位移幅度在所述固有频率振型的最大位移幅度的33.3％至66.6％的范围内。

如图25a和图25b所示，在第三固有频率814.1[Hz]内，发现了部件130的振型类型3的纯粹本地振动。对于部件130，连同以前讨论的第二固有频率振型，这根据定义是振型类型10。

如图26所示，在第四固有频率845.7％[Hz]中，发现了部件131的振型类型3的纯粹本地振动。对于部件131，连同以前讨论的第二固有频率振型，这根据定义也是振型类型10。

如图27a和图27b所示，在第五固有频率1291.7[Hz]内，发现了振型类型6振动。如所示，作为晶体管的部件135以主本地振动的形式(即如果是分立的，则其本身可以认为是类型3振型)振动，并且PCB“F”的区域136以普通(非本地)振动的形式(即如果是独立的，则其本身是类型1振型)振动。

如图28a和图28b所示，在第六固有频率1347.9[Hz]内，找到了部件135的振型类型3的纯粹本地振动。对于所述部件135，连同以前讨论的第五固有频率振型，这根据定义是振型类型9。

这是所扫描的频率范围内的最后一个振型(即最末固有频率和对应的振型)。在表1中总结了根据本发明的仿真的结果。

表1

总结如下：

部件125：威胁权重类型3。

部件130：威胁权重类型10(定义为振型类型8和振型类型3的组合)。

部件131：威胁权重类型10(定义为振型类型8和振型类型3的组合)。

部件135：威胁权重类型9(定义为振型类型6和振型类型3的组合)。

图29总结并示出了由根据本发明的仿真检测出的所有故障部件。该图示出了与被检测为具有高威胁权重的部件相关的上述结果的叠加。

如所述，对同一PCB也执行了HALT实验室测试。实验室HALT测试已经检测出完全相同的四个部件125、130、131和135的故障。该实施例示出了在仿真结果和HALT实验室测试结果之间具有100％的相关性。

实施例2

该实施例将对10个不同PCB组件执行的真实HALT测试的结果与对相同PCB执行的根据本发明的仿真的对应结果进行比较。所述PCB是在ECI Ltd.的HALT实验室中进行测试的，ECI Ltd.是以色列最大的HALT实验室并且是以色列唯一的经A2LA(美国实验室认可协会)认可的HALT实验室。被测PCB包括具有各种部件的各种类型的板。所有10个PCB中的部件总数为1488个部件。HALT室的6DOF振动的频率范围设置为从0Hz到2000Hz。HALT实验室测试的报告表明了从每板一个部件到每板9个部件变化的故障。总共10个板的HALT测试中的故障部件的总数为54个部件(在1488个部件中)。

根据本发明的方法对相同的10个PCB进行仿真。仿真范围设置为从0Hz到2000Hz。根据本发明的分析结果表明了在HALT实验室测试中发生故障的所述54个部件中的50个的故障，即通过本发明的仿真检测出了在测试中发送故障的部件总数的92.6％。除了所述50个部件以外，该仿真检测出了19个另外的部件(在总共10个PCB中)。换言之，尽管HALT测试已经检测出了54个故障部件(总计1588个部件的3.6％)，但是仿真已经检测出了69个部件(即总计1588个部件的4.6％)。在由仿真检测出的所述50个部件当中，0-500Hz的频率范围(即匹配具有最高威胁权重的振型类型的振型的固有频率在该范围内)内检测出11个，在500Hz至1000Hz的频率范围内检测出23个部件，在1000Hz至1500Hz的频率范围内检测出12个部件，在1500Hz至2000Hz的频率范围内检测出另4个部件。图30的表总结了仿真的结果以及与HALT测试的比较。

可以看出，基于仿真结果，可以考虑将仿真限于0Hz至1500Hz的频率范围。50个部件中，1500Hz至2000Hz的频率范围内仅检测出4个。在这种情况下使用0Hz-2000Hz的范围对检测到的部件数量方面的分析灵敏度提高相对较少。将范围减小到0Hz至1200Hz将进一步减小解的灵敏度，然而这仍被认为是一个有效范围，因为在该范围内通过仿真识别出了50个部件中的42个。应当注意，需要少于前15个固有频率以揭示出10个PCB中的9个中的所述故障部件。一个PCB需要前17个固有频率。因此，可能发现，适当的是通过定义前X个固有频率而不是通过定义频率范围来建立仿真。然而，仿真的缺省的合理频率范围是0Hz至2000Hz，这与HALT实验室中使用的频率范围相匹配。

如所述，根据本发明的分析揭示出了对所述10个PCB执行HALT实验室测试而发生故障的(所述10个PCB中总共)54个部件中的50个。应当注意，在实验室测试中的所述另外4个部件的故障可能是由于所述4个部件在制造该4个部件的相应PCB期间被损坏产生的，或者由于所述4个部件在后生产事件期间(例如在运送或者使用期间)被损坏产生的。根据定义，HALT的目的仅是检测设计缺陷。HALT实验室测试的缺点在于，生产缺陷或者后生产损坏会导致在实验室测试期间部件发生故障。本发明的优点是不会出现并消除了这种虚警。

如所述，根据本发明的分析揭示了(总共10个PCB中的)另外19个故障部件(即被检测为具有高威胁权重的部件)。这19个部件在所述10个PCB的HALT实验室测试期间没有检测出来。实际上，希望本发明的方法可以在某些情况下与HALT实验室测试相比在揭示更多部件的设计薄弱之处方面更灵敏。这一论述的原因在于：(a).HALT测试经常导致部件由于累积疲劳而发生故障。在这种情况下，HALT测试持续时间越长，就会有越多的部件发生故障。然而，HALT过程通常定义得比较宽松。这意味着没有一个“正确”的方式在实验室中执行HALT(毕竟，测试的目的是激励并迫使部件发生故障，而不是达到预定义的规范)。实验室HALT在本质上不能具有已经定义的规范。测试的持续时间以及由HALT机施加的PSD激励的GRMS水平可能从一个实验室到另一个实验室甚至同一个实验室从一次测试到另一次测试都是不同的。有时候，何时终止物理测试的决定(例如应当持续多久以及应当施加何种水平的GRMS)是通过时间和成本的考虑而得出的。测试持续得越长，就可能揭示出越多的故障部件，从而导致改进的和更稳健的设计。因此，例如如果所述10个PCB的在实施例2中讨论的实验室测试持续更长时间，则可能会有更多的部件发生故障。在物理测试中预计会揭示出的所述更多部件与使用根据本发明的分析而识别出的另外19个部件之间可能存在匹配。因此，本发明的有利之处在于能够揭示出在HALT实验室测试期间接近故障的阈值部件。实验室测试中会遗漏在本发明的仿真中所揭示出的这些部件。实际上，HALT实验室测试能够预测出许多而不是全部预期的现场故障。与HALT测试结果相比，本发明通常更灵敏，并且能够揭示出更多的设计薄弱之处。

应当注意，两个不同制造商的两个不同的HALT机可能会导致不同的实验室测试结果。换言之，每一个都对同样设计的PCB(即相同的成对PCB)测试相等的测试时间和相等水平的GRMS PSD加速度(例如，在15GRMS下30分钟，然后是在20GRMS下30分钟，接着是在25GRMS下30分钟)，这两台不同HALT机器的测试结果可能是不同的。一个制造商的HALT机可能会比另外一个导致更多的故障部件。导致这种不同的一个原因是，在两个不同制造商的HALT机器中，虽然这两台机器的PSD加速度的GRMS水平是相同的，但是PSD值(以g²/Hz为单位)可能对于不同的频率水平具有不同的值。这意味着，使用另一制造商的HALT机测试实施例2的所述10个PCB可能会导致更多的故障部件。同样地，在所述更多部件与使用根据本发明的分析而识别出的另外19个部件之间可能存在匹配。

本发明的另外一个重要的优点是，其使用客观指标来揭示故障，而实验室测试包含影响结果的“噪声”(即误差和未知数)。HALT实验室测试的目的是识别设计薄弱之处。HALT测试并不旨在观察特定环境条件下的设计特性。HALT测试通常旨在找到设计的稳健性，即被测PCB本身的特征。然而，HALT实验室测试使用间接途径：其施加外部加载。这向测试结论中施加了“噪声”，例如，诸如两个不同HALT机之间的差别的加载激励的变化导致测试结果的变化。另一方面，根据本发明的仿真是客观的，这是因为其仅基于对被测产品的自身特点的观察，而避开了诸如从测试机特征演变的那些其他的非客观因素。

本发明关注并回答了有关的问题，诸如：

(a)部件具有位于给定频谱内的振动的本地主振动模式(例如在本发明中定义的振型类型3)？；

(b)如果有的话，部件具有位于给定频谱内的多少个振动的本地主振动模式(即表示高威胁权重的振型)？；或者

(c)部件具有属于板的固有频率的低标号组(即前面预定数量个固有频率的组，例如前10个固有频率，在一些情况下，它们容易受激并且更主导)的振动的本地主振动模式？

实验室测试不关注并且不回答这些问题。实验室测试提供了结果；然而其不能将相关结果与“噪声”有关结果分离开。如所述，一个例子是HALT实验室测试指出了其薄弱之处与制造缺陷而不是设计缺陷有关的部件的故障。强调本发明的特定优点的另一实施例如下：

实施例3

图31示出了在以色列的特定HALT实验室使用的特定HALT机的典型PSD加速度加载曲线。该曲线是“典型的”，因为其与特定GRMS水平有关。假设对假想的PCB组件进行实验室测试并利用本发明的方法进行分析。假设所述PCB组件包括两个不同的部件A和B，各部件在PCB上具有不同位置。通过在0Hz至2000Hz的频谱范围内利用本发明的方法对该PCB进行分析，假设该分析表明部件A具有类型4振型，其意味着在A1＝803Hz和A2＝1391Hz下的纯粹本地振荡的固有频率。然而，假设该分析还表明部件B具有类型3振型，其意味着在B1＝1112Hz下的纯粹本地振荡的固有频率。因此，根据本发明，这两个部件都具有表明了设计薄弱之处的高威胁权重。然而，基于本发明，结论是具有振型类型4的部件A的威胁权重甚至高于具有振型类型3的部件B的威胁权重。很可能的是，在所述HALT机处针对0Hz至2000Hz的频谱范围的HALT实验室测试使用所述典型PSD加载，部件B将先于部件A发生故障，这是因为其共振频率恰好处于在该特定的所述机器处获得的PSD典型载荷的峰值(pick value)处。实验室团队假设部件B比部件A更易损，但实际上并不是这样。如本发明的仿真所显示的，部件B更易损。HALT机的机械结构导致了PSD加速度，该PSD加速度不可避免地不是一致的而是非常不一致的，并提供了不同频率下的不同加速度PSD水平。并且，应当注意，在图31中示出了其曲线的HALT机以及许多其他典型HALT机的以g²/Hz为单位的PSD水平在0Hz至大约400Hz的低频率范围下通常极低。因此，根据本发明由于在相对低固有频率下观察到了振型类型3或者类似振型而具有高威胁权重的部件处于高风险，但在HALT测试中这些部件有时候会很难被跟踪甚至被遗漏。因此，可以得出结论，本发明的分析为部件故障提供了更客观的准则，并且消除了“噪声”因子。然而，对于某些工业需要或者商业考虑，可以将本发明的分析校准为与特定制造商的特定HALT机高度一致(即与具有特定PSD曲线的特定机器一致)。所述校准可以通过以下方式来实现，即如果与相关频率范围内的其他频率相比，特定振型类型中涉及的频率恰好是所述机器提供了以g²/Hz为单位的相对高的PSD水平的频率，则稍微增大威胁权重，反之，如果与相关频率范围内的其他频率相比，特定振型类型中涉及的频率恰好是所述机器提供了以g²/Hz为单位的相对低的PSD水平的频率，则稍微减小威胁权重。通过将涉及部件时的威胁权重水平与其中所述部件发生故障的GRMS水平关联起来，可以进一步增强所述校准。另选的是，通过将涉及部件时的威胁权重水平与直到所述部件发生故障时的振动持续时间关联起来，可以增强校准。在另一选择中，校准可以与GRMS水平和振动持续时间二者关联起来。涉及部件的威胁权重越高，预计部件会发生故障的GRMS水平越低。涉及部件的威胁权重越高，直到部件发生故障的持续时间越短。另一方面，如果避免了这种校准，则分析结果可以认为更客观，即指向PCB的客观可靠性特征而不是以特定HALT机为目标。毕竟，无论是在仿真HALT或者其他测试的上下文中，还是在可能涉及或者可能不涉及测试过程的更通用的可靠性上下文中，本发明的一般目的是预测现场故障。

在本发明的另一实施方式中，涉及部件时的威胁权重水平可以与直到发生故障时的持续时间关联起来，或者可以与导致故障的振动加速度水平关联起来，或者与这二者关联起来，而与特定HALT机无关。

虽然已经通过例子已经描述了本发明的实施方式，但显而易见的是，利用许多修改、变型和改变，并使用本领域技术人员可以想到的多种等效或另选解决方案，可以实施本发明，而不会脱离本发明的精神或超出权利要求的范围。

Claims

1、一种用于寻找包括多个部件的PCB组件的设计薄弱之处和潜在现场故障的方法，该方法包括以下步骤：

a)建立所述PCB组件的模型，其中通过所述PCB组件的所述模型能够确定所述PCB组件的固有频率和振型；

b)执行固有频率仿真以确定所述PCB组件的固有频率和振型；以及

c)分析所确定出的固有频率和振型，并识别出部件的本地主振荡，被识别为具有所确定出的振型中的至少一个振型中的本地主振荡的部件被识别为发生现场故障的可能性相对高的部件。

2、根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：预定义振型类型并将威胁权重指派给各振型类型，其中所述分析步骤包括以下步骤，即在所确定出的振型和所述预定义的振型类型之间进行匹配，由此针对被识别为具有所确定出的振型中的至少一个振型中的本地主振荡的每个部件，确定对应的威胁权重。

3、根据权利要求2所述的方法，其中与仅在一个固有频率下在同一个部件中出现与本地主振荡相关的单个振型类型的情况相比，在一个以上固有频率下在同一个部件中出现与本地主振荡相关的两个或更多个振型类型表示更高的威胁权重。

4、根据权利要求2所述的方法，其中与部件的非纯粹主本地振荡的振型类型相比，与同一部件的纯粹主本地振荡相关的振型类型表示所述部件的更高威胁权重。

5、根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下限制中的一种或更多种：

a)将固有频率的频率范围限制在所述仿真内；

b)将所述固有频率仿真限制在前面预定数量个固有频率的范围；以及

c)将该方法结果限制在寻找发生现场故障的可能性相对高的前面预定数量个部件。

6、根据权利要求1所述的方法，该方法用于预报HALT实验室测试的结果。

7、根据权利要求6所述的方法，该方法被校准以类似于特定制造商的特定HALT机，用于与所述机器执行的HALT测试更好地保持一致。

8、根据权利要求7所述的方法，其中所述机器具有特定PSD加载状态曲线，并且所述校准是通过以下方式获得，即与相关频率范围内的其他频率相比，对于具有恰好位于其中所述机器提供了以g²/Hz为单位的相对高的PSD水平的频谱内的主本地振荡的部件，考虑较高的威胁，反之，与所述相关频率范围内的其他频率相比，对于具有恰好位于其中所述机器提供了以g²/Hz为单位的相对低的PSD水平的频谱内的主本地振荡的部件，考虑较低的威胁。

9、根据权利要求1所述的方法，该方法用于预报实验室测试的结果，找到设计薄弱之处，并找到PCB组件的潜在现场故障。

10、根据权利要求1所述的方法，该方法在比其中能够提供所述PCB组件的样品的阶段更早的PCB组件设计的早期阶段执行。

11、根据权利要求1所述的方法，该方法作为对HALT实验室测试的补充处理来执行。

12、根据权利要求1所述的方法，其中所述建立的模型是有限元模型。

13、根据权利要求1所述的方法，其中所述建立的模型包括对所述PCB部件导线的建模。

14、根据权利要求13所述的方法，其中所述模型还包括对焊接处的建模。

15、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型还包括对涂层的建模。

16、根据权利要求12所述的方法，其中所述模型是“p元素”网格。

17、根据权利要求16所述的方法，其中整个所述网格是体积“p元素”网格。

18、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型是有限元“h”模型。

19、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型是有限差分模型。

20、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型是有限体积模型。

21、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型是边界元模型。

22、根据权利要求1所述的方法，其中对一些部件的所述建模是详细的，而对其他部件的所述建模是近似的。

23、根据权利要求1所述的方法，其中所分析的所述振型的每一个都展示了位移向量。

24、根据权利要求23所述的方法，其中所述位移向量是空间位移向量。

25、根据权利要求23所述的方法，其中待分析的所述振型的每一个都展示了可用的多至六个可能的自由度中的仅一个自由度下的位移向量。

26、根据权利要求1所述的方法，其中待分析的所述振型的每一个都定义了仅一个平面内的位移向量。

27、根据权利要求1所述的方法，其中待分析的所述振型的每一个都展示了应力向量。

28、根据权利要求1所述的方法，其中待分析的所述振型的每一个都展示了应变向量。

29、根据权利要求1所述的方法，其中待分析的所述振型的每一个都展示了应变能向量。

30、根据权利要求1所述的方法，其中待分析的所述振型的每一个展示了在固有频率仿真中可获得的任何特征向量。

31、根据权利要求1所述的方法，其中待分析的所述振型的每一个都展示了作为固有频率仿真中可获得的两个或更多个特征向量的任何数学组合而计算出的向量。

32、根据权利要求2所述的方法，其中待分析的所述振型的每一个都展示了作为固有频率仿真中可获得的两个或更多个特征向量的任何数学组合而计算出的向量。

33、根据权利要求31所述的方法，其中部件发生现场故障的相对高可能性是通过对所述向量中的两个或更多个进行检查而定义的。

34、根据权利要求32所述的方法，其中通过对所述向量中的两个或更多个进行检查而定义威胁权重。

35、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型的建立忽略了所述多个部件中的一些部件。

36、根据权利要求35所述的方法，其中被忽略的部件是已知具有以下一种或更多种特性的部件：

a)极高的可靠性；

b)非常小的尺寸；

c)非常轻的重量；

d)非常接近所述板表面的重心。

37、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型的建立是对所述多个部件中的一些进行近似。

38、根据权利要求37所述的方法，其中所述忽略的部件是具有以下一种或更多种特性的部件：

a)极高的可靠性；

b)非常小的尺寸；

c)非常轻的重量；

d)非常接近所述板表面的重心。

39、根据权利要求37所述的方法，其中仅考虑所述多个部件对所述模型的质量的贡献来表示这些部件。

40、根据权利要求37所述的方法，其中考虑所述这些部件对所述模型的质量和所述模型的刚度二者的贡献来表示这些部件。

41、根据权利要求37所述的方法，其中所述近似的部件是通过改变所述板本身的建模的性质来表示的。

42、根据权利要求1所述的方法，其中利用多层层压复合板元素来建模所述PCB组件的所述板。

43、根据权利要求1所述的方法，其中利用多层体积元素来建模所述PCB组件的所述板。

44、根据权利要求1所述的方法，其中所述PCB组件的所述板被建模为单个各向同性层。

45、根据权利要求1所述的方法，其中考虑了热学方面。

46、根据权利要求12所述的方法，其中基于预热应力分析来更新所述有限元模型的刚度矩阵。

47、根据权利要求1所述的方法，其中在执行固有频率仿真的步骤之前，基于与温度有关的假设来更新施加到所述模型的材料性质。

48、根据权利要求47所述的方法，其中所述温度假设基于从稳态或者瞬态热学仿真而获得的热学映射。

49、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型包括PCB组件及其封装物。

50、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型包括一个以上PCB组件，以及所述PCB组件外壳。

51、根据权利要求1所述的方法，其中所述模型包括电子板的整个组件，及其一个或更多个附加部分。

52、根据权利要求1所述的方法，其中这些部件中的一些是与其导线一起建模的，而对一些其他部件进行近似。

53、根据权利要求52所述的方法，其中所述近似是通过对所述部件建模而不对其导线进行建模来实现的。

54、根据权利要求52所述的方法，其中所述近似部件是基于以往的经验被认为发生现场故障的可能性低的部件。

55、根据权利要求8所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤：通过将涉及部件时的所述威胁权重水平与其中所述部件发生故障的所述GRMS水平关联起来而加强所述校准。

56、根据权利要求8所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤：通过将涉及部件时的所述威胁权重水平与直到所述部件发生故障时的振动持续时间关联起来而加强所述校准。

57、根据权利要求8所述的方法，其中所述校准与所述GRMS水平和所述振动持续时间二者关联起来。

58、根据权利要求2所述的方法，其中涉及部件时的所述威胁权重水平与直到发生故障时的持续时间关联起来，而与特定HALT机没有任何关系。

59、根据权利要求2所述的方法，其中涉及部件时的所述威胁权重水平与导致故障的振动加速度水平关联起来，而与特定HALT机没有任何关系。

60、根据权利要求2所述的方法，其中涉及部件时的所述威胁权重水平与导致故障的振动加速度水平和直到发生故障时的持续时间二者关联起来，而与特定HALT机没有任何关系。