CN103048607A - 一种基于给定阀值的数控成品电路板性能退化测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于给定阀值的数控成品电路板性能退化测评方法，包括：（a）选取测评样板执行加速性能退化试验，并测量表面绝缘电阻值；（b）执行试验数据拟合，建立测试样板的加速性能退化模型；（c）基于失效阀值并结合加速性能退化模型，计算得出测评样板的伪失效寿命；（d）选取测评样板的寿命分布模型，并利用伪失效寿命拟合检验来计算寿命分布模型的参数；（e）确定测试样板的寿命分布概率密度函数，计算其平均寿命，由此完成对电路板的性能退化测评过程。通过本发明，能够克服现有可靠性测评技术中失效数据的不足，同时节约可靠性的测评时间和成本，并有利于系统的维修计划和优化。

Description

一种基于给定阀值的数控成品电路板性能退化测评方法

技术领域

本发明属于印制电路板技术领域，更具体地，涉及一种基于给定阀值的数控成品电路板性能退化测评方法。

背景技术

印制电路板是电子产品中的主要部件，广泛应用于航空、数控、计算机、自动化仪器等各个领域，其质量性能和稳定性对产品来说至关重要。为了评估和考核其寿命与可靠性指标，必须采用加速试验的方法。加速寿命试验也即在超过使用环境条件的应力条件下促使样品在短期内失效，以预测在正常使用环境下的可靠性，但不改变测试样品的失效机理。然而，对于具备长寿命、高可靠性的印制电路板来说，在一定试验时间内，即使通过加速试验也只能观测到相当少或根本观察不到故障发生。因此，存在着对其寿命和可靠性难以进行有效测评的问题。

研究发现，大部分产品的失效机理最终可以追溯到产品潜在的性能退化过程，因此从某种意义上可以认为性能退化最终导致了产品失效或故障的出现。所谓性能退化，是指能够引起产品性能发生变化的一种物理或化学过程，这一变化随着时间逐渐发展，最终导致产品失效。产品的失效通常是产品内在失效机理与产品外部环境和工作条件综合作用而产生的。当产品的功能表征量(一个或多个性能参数)随时间的延长而逐渐缓慢的下降，直至达到无法正常工作的状态，则称这种失效现象为退化型失效，如元器件电性能的衰退、磨损和绝缘老化等引起的失效等均属于这种失效。失效阀值是用来判断产品失效与否的临界值。通常，失效阀值可能是一个固定值，也可能是一个随机变量，它是由实际工程问题所决定的，工程中的大部分失效阀值都是固定值。

相对于失效时间数据来说,产品的性能退化数据包含了更多的可靠性信息,通过产品的性能退化信息可以进行有效的可靠性分析与预测，而且可以更加节省试验时间和费用。因此如果将加速寿命试验引入到性能退化信息的分析处理中,将进一步节省试验时间和费用。尤其对数控成品电路板这类具有长寿命、高可靠性的产品来说，应用加速性能退化数据进行可靠性分析将是解决高可靠性、长寿命产品可靠性测评问题的方法之一。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和/或技术需求，本发明的目的在于提出一种基于给定阀值的数控成品电路板性能退化测评方法，其中通过采用加速性能退化试验的方式来评估数控成品电路板的可靠性指标，相应能够克服现有测评技术中缺乏失效数据的困扰，有效节约可靠性测评时间和成本，并有利于系统的维修计划和优化，因而尤其适用各类数控成品电路板的可靠性测评过程。

按照本发明，提供了一种基于给定阀值的数控成品电路板性能退化测评方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）从待执行可靠性测评的数控成品电路板中取出一定数量的测评样板执行加速性能退化试验，选取表面绝缘电阻作为加速性能退化特性参数，并对各个测评样板按照设定的时间测量并记录其所对应的表面绝缘电阻值；

（b）利用所测得的表面绝缘电阻值数据与其对应的运行时间执行拟合，由此建立反映测评样板退化轨迹的产品加速性能退化模型，同时计算出退化模型的参数值；

（c）基于数控成品电路板所对应的失效阀值，并结合通过步骤（b）所获得的上述加速性能退化模型，计算得出各个测评样板的伪失效寿命；

（d）选取两参数的威布尔分布作为测评样板的寿命分布模型，并利用通过步骤（c）所计算出的伪失效寿命执行拟合检验，同时计算出威布尔寿命分布模型的参数，由此确定其威布尔分布概率密度函数；

（e）根据通过步骤（d）所确定的威布尔分布概率密度函数，计算出测试样板的平均寿命，由此完成对数控成品电路板的性能退化测评过程。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，采用加大温度应力、相对湿度应力和直流偏压应力的方式执行加速性能退化试验。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述加速性能退化试验被设定为定时截尾加速性能退化试验。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，采用最小二乘法结合线性回归法的方式来执行拟合，由此建立反映测评样板退化轨迹的产品加速性能退化模型。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，依据国际标准IPC-TM-650或者Bellcores试验规范来确定所测评数控成品电路板所对应的失效阀值。

作为进一步优选地，所述数控成品电路板为FR-4型环氧预浸料覆铜板。

作为进一步优选地，所述加速性能退化试验以及加速性能退化特征参数的确立是基于导电阳极丝CAF失效机理。

总体而言，按照本发明的基于给定阀值的数控成品电路板性能退化测评方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过提供温度、湿度和偏压环境应力安排加速性能退化试验，可以更为真实地描述工作环境因素对印制电路板可靠性的影响，尤其可以观测到表面绝缘电阻随时间变化的退化过程，定量验证了加速性，并能有效节约试验时间和成本；

2、通过采用加速性能退化数据对电路板性能的退化过程进行分析，同时利用电路板失效与其性能退化之间的关系对产品进行可靠性评定，可以在测试产品出现极少失效甚至零失效的情况下也能方便地执行可靠性测评，并克服现有技术中缺乏失效寿命数据的可靠性测评问题；

3、对于按照本发明的性能退化测评方法，其中通过采用执行加速性能退化试验、测量表面绝缘电阻、拟合产品加速性能退化模型以及构建寿命分布模型等技术手段，能够解决现有技术中在有限时间内电路板难以执行可靠性测评的技术问题，相应获得快速测评结果、节省成本，并有助于定量确定可靠性指标的技术效果，验证产品可靠性设计的合理性，指出产品的薄弱环节，因此尤其适用于数控成品电路板可靠性分析等技术领域。

附图说明

图1是按照本发明的数控成品电路板性能退化测评的工艺流程图；

图2是显示电路板寿命分布与退化量分布之间关系的示意图；

图3是显示按照本发明的加速性能退化试验中，各个测试样板的绝缘电阻散点与其对应运行时间之间的示意图；

图4是用于显示各个测试样板退化趋势的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

印制电路板是数控装备中的主要部件，随着数控技术复杂化和智能化的发展趋势，数控成品板上功能电路越来越复杂，线路密度越来越细密，层数越多越多，再加上数控装备高速负载的工作条件和高温高湿的环境因素，使电路板导电阳极丝现象CAF（Conductive Anodic Filament）成为一个对产品质量产生较大影响的因素。所谓CAF现象，是在高温高湿的环境下，印刷电路板内部的金属发生离子化并在电场作用下通过绝缘层向阳极生长而导致绝缘性能下降，造成印刷电路板失效。CAF作为一种电化学绝缘破坏现象，其本质是复合材料的界面破坏及电化学迁移，它是电路板内部的金属在一定条件下发生离子化并在电场作用下通过绝缘层向阳极生长而导致绝缘性能下降甚至成为导体，从而造成电路板失效。这种故障在电路板日益小型化和集成化的发展趋势下更加显现出来。

然而，对于具备高寿命、高可靠性的印制电路板来说，在一定试验时间内，即便采用加速寿命试验也很难对其可靠性性能、尤其是对CAF现象及其相关影响进行有效测评。考虑到产品的性能退化数据也包含了大量可靠性信息，本发明期望通过对产品的性能退化过程设计相应的测评方法以达到可靠性分析与预测的目的，相应能够以更加节省试验时间和成本的方式，来实现对印制电路板的可靠性测评过程。

对于印制电路板产品而言，其退化参数量{x(t);t≥0}可看作一随机过程,其一维分布G(x;t)=P{x(t)≤x}是退化量与时间的函数,一维密度为g(x;t)。退化型失效产品发生失效与否由失效标准确定。根据退化失效定义，当退化量x(t)随时间变化首次到失效阀值D₀时,产品发生失效；此外，根据寿命变量定义，产品失效寿命分布函数F(t,D₀)=P{T(D₀)≤t,t≥0}被称之为退化失效模型。当退化量呈下降趋势时，可得到退化失效模型与退化量分布函数之间的关系为：F(t,D₀)=P{T(D₀)≤t}=P{x(t)≤D₀}=G(D₀;t)。该关系可以具体参看图2，其中f(t;D₀)为产品的失效寿命分布密度函数。

下面将基于以上理论分析，并参照图1来具体描述按照本发明的数控成品电路板性能退化测评方法的工艺流程。

首先，从待执行可靠性测评的数控成品电路板中取出一定数量的测评样板，将测评样板放置在高低温湿热环境试验箱中，这些测试的数控成品电路板是符合设计图样、规范和采购要求，并按一个生产批制造出来的数控印制板。为了保证时效机理及失效模式不变的前提下，尽量体现加速效果并考虑到实际使用环境和工作条件，因此选择增加温度应力、相对湿度应力和直流偏压应力的方式来执行加速性能退化试验。在试验中，对各个测评样板分别按照设定的时间间隔，测量并记录其所对应的加速性能退化特性参数。

在本发明中，选取表面绝缘电阻作为加速性能退化特性参数。加速性能退化参数是随着产品工作或试验时间的延长，有明显的趋势性变化，能客观地反映产品的工作状态。数控成品电路板在上述试验条件下所测得的绝缘电阻值以散点图的形式列举出来，具体如图3中所示。结果发现，成品板的绝缘电阻随时间延长以形同趋势缓慢降低，变化趋势明显，因此可进一步确定以绝缘电阻为退化特征量，其退化趋势如图4所示。

接着，利用所测得的表面绝缘电阻值数据与其对应的运行时间执行拟合，由此建立反映测评样板退化轨迹的产品加速性能退化模型同时确定其参数。该拟合方式可以包括多样，譬如线性回归法、极大似然估计和图形估计法、最小二乘法等。其中最小二乘法结合线性回归法，既可以用于估计加速性能退化模型中的参数，也可以用来拟合优度检验以及判断异常数据，因此在本发明中选择为优选的拟合方式。

接着，基于电路板对应的失效阀值（事实上，依据国际标准IPC-TM-650或者Bellcores试验规范所确定失效阀值适用于各类印制电路板），并结合已经获得的所测评的数控成品电路板加速性能退化模型，由此可以计算得出各个测评样板的伪失效寿命。

接着，选取两参数的威布尔分布作为测评样板的寿命分布模型，并利用所获得的伪失效寿命执行拟合检验，由此计算出威布尔寿命分布模型的两个参数也即确定其概率密度函数。从功能上看，成品板PCB上任何导电线路绝缘失效，都会导致整个数控成品板失效，因此数控成品板失效是一个最小极值问题。假定在n条导电线路中，第i条的寿命为Ti（i=1,2,…,n），每条导电线路的寿命相互独立，而且分布都为Fe（t）。则T(1)=min{T1,T2,…,Tn}的寿命分布即为成品板的寿命分布，其寿命分布函数可表示如下：

φ_(1）(t)=1-P(T₍₁₎>t)=1-[1-F_e(t)]ⁿ      （1）

Bury已经证明，当F_e(t)为对数正态分布，且n→∞时，式（1）趋向于两参数的威布尔分布，并且n越大，式（1）所示的分布函数越逼近于两参数威布尔分布。为便于计算，可用φ₍₁₎(t)的渐进极小值分布，即两参数的威布尔分布代替严格的极小值分布来表示成品板的失效寿命分布。大量实践说明，凡是因为某一局部失效或故障所引起的全局机能停止运动的元件、器件、设备、系统等的寿命服从两参数的威布尔分布。

最后，根据所确定的威布尔分布概率密度函数，计算出测试样板的平均寿命，由此完成对数控成品电路板的性能退化测评过程。

下面将以一个具体实施例来进一步解释按照本发明的数控成品电路板的性能退化测评方法。

首先，选择某型号的FR-4数控伺服单元的控制板（板厚2mm，层数为4层，层间厚度为0.32mm）14块，该测试成品板式符合设计图样、有关规范和采购要求，并按一个生产批次制造出来的电路板。测试图形选取成品板上的一部分导电图形，测量导电图形的导线间距，取其算术平均值，得到导线宽0.162mm，导线间距0.102mm。试验板放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱温度被设定为90℃，相对湿度设置为85%RH，偏压即为选取电路的工作电压24V（当然也可以根据不同的工作条件提高其偏压值），在此条件下执行加速性能退化试验。在试验中，对各个测评样板分别按照设定的时间间隔，测量并记录其所对应的表面绝缘电阻，并将其数据分别作为测评样板运行一定时间后的加速性能退化特性参数。

接着，利用所测得的表面绝缘电阻值数据与其对应的运行时间，通过最小二乘法结合线性回归法来执行拟合，由此建立反映测评样板退化轨迹的产品加速性能退化模型。最小二乘法的基本原理是选退化模型中的参数，使观测值与相应的函数值的离差平最小。通常，最小二乘法是先将模型经过线性回归法换成线性形式，再应用最小二乘原理求得加速性能退化模型参数的估计。根据图3所示的退化数据特点及走势可知，先令y(t)=ln R(t)，其中R为t时间测得的表面绝缘电阻值，然后执行y(t)与t的数据拟合，可得到数控成品电路板在温度-温度-偏压综合环境下的加速性能退化曲线基本符合y(t)=a+b·t的变化规律。在本发明中，建立数控成品电路板的加速性能模型为y(t)=lnR(t)=a+b·t。最后用最小二乘原理求得加速性能退化模型参数a、b的估计，具体可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\hat{a}=\stackrel{\‾}{y}-\hat{n}\stackrel{\‾}{t}\\ \hat{b}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{y}_i-n\stackrel{\‾}{t}\stackrel{\‾}{y}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(t_i-\stackrel{\‾}{t})}^2}\end{array}\right.$

因此根据所构建的退化模型，利用最小二乘法对每一个测试样本的退化模型参数进行估计，由此得到各个测试样板的退化轨迹模型可分别表示为如下，该拟合过程为本领域技术人员所熟知，因此在此不再详述。

根据国际标准IPC-TM-650或者Telcoredia试验规范的测试规定，可以确定测试数控成品电路板的失效阀值为100MΩ，将其代入到上述求解的退化轨迹模型中，外推可得到各个测评样板的伪失效寿命如下表所示：

接着，选取两参数的威布尔分布作为测评样板的寿命分布模型，并利用上述所获得的伪失效寿命执行拟合检验，由此计算出威布尔寿命分布模型的参数。其中，当威布尔分布中的参数不同时，它可以蜕化为指数分布、瑞利分布和正太分布，其概率分布函数可表示如下，其中m为形状参数，η为尺度参数或特征寿命：

$F\left(t\right)=1-\exp (-{\left(\frac{t}{\mathrm{\η}}\right)}^m)---\left(2\right)$

由式（2）可得：

$\ln \left[\ln \frac{1}{1-F_i}\right]=m\·\ln t_i-m\ln \mathrm{\η}---\left(3\right)$

令 $\left\{\begin{array}{c}{z}_i=\ln \left[\ln \frac{1}{1-F_i}\right]\\ x_i=\ln t_i\\ k=-m\·\ln \mathrm{\η}\\ h=m\end{array}\right.,$ 则结合上述表达式可得：

z_i=k+hx_i  （i=1,2,…,n）        （4）

在小样本（n≤20）的情况下，为了减小计算误差可选用近似中位秩公式：

若服从Weibull分布，则{z_i，x_i}成线性关系，通过最小二乘方法线性回归，相应可计算得出：a=-12.3114，b=2.25287，残差e=0.931226，因此可验证数控成品电路板的寿命分布近似服从两参数的威布尔分布。此外，由式（4）可计算得出威布尔分布的参数值为：m=2.25287，η=236.2198，相应地，也即确定了威布尔分布概率密度函数如下：

$f(t;m,\mathrm{\η})=\frac{{\mathrm{mt}}^{m-1}}{{\mathrm{\η}}^m}\exp [-{\left(\frac{t}{\mathrm{\η}}\right)}^m]=\frac{{2.25287t}^{1.25287}}{{236.2198}^{2.25287}}\exp [-{\left(\frac{t}{236.2198}\right)}^{2.25287}]$

最后，根据所确定的威布尔分布概率密度函数，可以计算出导线宽0.162mm、导线间距0.102的数控成品电路板在90℃、85%RH和24V偏压条件下的平均故障间隔时间（MTBF）为：

$\mathrm{MTBF}=E\left(T\right)={\∫}_0^{\∞}\mathrm{tf}\left(t\right)\mathrm{dt}=209.3h$

该平均故障间隔时间即为所测数控成品电路板的平均寿命，由此完成对数控成品电路板的加速性能退化测评过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于给定阀值的数控成品电路板性能退化测评方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）从待执行可靠性测评的数控成品电路板中取出一定数量的测评样板执行加速性能退化试验，选取表面绝缘电阻作为加速性能退化特性参数，并对各个测评样板按照设定的时间测量并记录其所对应的表面绝缘电阻值；

（b）利用所测得的表面绝缘电阻值数据与其对应的运行时间执行拟合，由此建立反映测评样板退化轨迹的产品加速性能退化模型同时计算出退化模型的参数值；

（c）基于数控成品电路板所对应的失效阀值，并结合通过步骤（b）所获得的上述加速性能退化模型，计算得出各个测评样板的伪失效寿命；

（d）选取两参数的威布尔分布作为测评样板的寿命分布模型，并利用通过步骤（c）所计算出的伪失效寿命执行拟合检验，同时计算出威布尔分布模型的参数，由此确定其分布概率密度函数；

（e）根据通过步骤（d）所确定的威布尔分布概率密度函数，计算出测试样板的平均寿命，由此完成对数控成品电路板的性能退化测评过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（a）中，采用加大温度应力、相对湿度应力和直流偏压应力的方式执行加速性能退化试验。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤（a）中，所述加速性能退化试验被设定为定时截尾加速性能退化试验。

4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤（b）中，采用最小二乘法结合线性回归法的方式来执行拟合，由此建立反映测评样板退化轨迹的产品加速性能退化模型。

5.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤（c）中，譬如依据国际标准IPC-TM-650或者Bellcores试验规范来确定所测评数控成品电路板所对应的失效阀值。

6.如权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，所述数控成品电路板为FR-4型环氧预浸料覆铜板。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加速性能退化试验以及加速性能退化特征参数的确立是基于导电阳极丝CAF失效机理。

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