CN103258245B - 一种新的电子产品失效率预计修正方法 - Google Patents

Abstract

一种新的电子产品失效率预计修正方法，它有三大步骤：步骤一：预计单元元器件分析，得到预计单元的组成元件的组成，并得到每个组成元件的基本信息；步骤二：通过电应力自动仿真的方法得到预计单元在正常工作状态下每个组成元件的电应力值，代入手册中给出的电应力参数模型得到预计单元每个元件的电应力参数；步骤三：失效率预计展开。通过本发明可以得到方法简单并且结果准确的预计结果，能够为电子产品的准确而方便的预计提供方法支撑。它在电子产品可靠性预计技术领域里有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种新的电子产品失效率预计修正方法

技术领域

本发明提供一种新的电子产品失效率预计修正方法，本预计方法主要考虑了对SN29500手册预计的结果进行封装影响的修正。它涉及一种基于电应力法的可靠性预计方法，属于电子产品可靠性预计技术领域。

背景技术

可靠性预计一般指通过历史信息和工程经验，对产品未来某段时间内的可靠性水平做出推测。准确的进行可靠性预计，在设计方案的比较、可行性分析、寿命周期成本估计、维修保障计划安排等方面有着非常重要的作用。

对电子产品可靠性预计方法的研究非常多，也形成了许多行之有效的标准。例如，军用电子产品通常采用MIL-HDBK-217F，GJB/Z299C-2006，以及在此基础上发展而来的PRISM等。由于军用标准往往偏于保守，对于民用电子产品，更多采用的是IEC-TR62380，TelcordiaSR-332，IEEEStd1418，SN29500等标准。这些预计手册主要是基于两类思想：第一类，通过对预计元件任务剖面的分析，直接给出失效率的经验公式，利用任务剖面中的各种参数得到元件正常工作时的失效率，如IEC-TR62380等；第二类，通过大量的统计数据，确定每一类元器件的基本失效率，再根据元件的实际工作环境，引入各种环境修正因子，得到正常工作状态下的失效率，如TelcordiaSR-332、SN29500等。

第一类预计标准考虑并分析了不同的的环境因素对电子设备以及组件失效率的影响，还考虑了工艺、热幅度以及封装对失效率的影响。从设备的任务剖面表中可以观察到热循环代替了难以评价的环境因子，把任务剖面温度变化的影响直接放在模型中予以考虑，解决了环境因子无法准确评估的问题。这些模型相比于BellcoreTR-332、SN29500等第二类预计手册，考虑的因素更多。但是，这种模型较复杂，在实际运用中难以获取相关参数，在应用中有一定的局限性。第二类预计标准是建立在统计数据的基础上，给出大多数元器件的基本失效率数据列表，对于集成电路可以根据其类别、晶体管个数、逻辑门个数、容量大小以及有源器件的类型等查得相应的基本失效率而对于其他元件如电阻、电容等可直接根据其材质类别和阻值、容量等查得此类元件的基本失效率。因此运用第二类预计标准进行可靠性预计方法简单，容易实行。但是，只要选用了相同的元器件规格与数量，即使电路板为不同设计者设计、选用了不同厂家生产的元器件，在不同厂家生产装配，所分析得到的产品的平均故障间隔时间几乎没有区别，这也是基于统计的预计方法的不足之处。另外，值得注意的是，第二类标准中没有提供焊点以及印刷电路板的失效率统计数据，因此无法把装配过程对产品失效率的影响体现出来。

基于这种现状本发明主要对第二类预计标准进行研究，由于第二类预计标准都是在SN29500预计标准的基础上发展而来的，因此本发明主要建立在SN29500预计标准的基础上，并把IEC62380预计手册中对封装失效率的计算模型引入到SN29500预计手册中，对预计单元的关键部件进行封装失效的修正，把第一类预计标准中对封装过程失效率的计算引入到SN29500预计标准中，给出装配过程对失效率的影响模型，形成基于装配影响修正的SN29500可靠性预计标准，从而把第一类标准和第二类标准的优点相结合，使得方法简单，并能得到较准确的预计结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的电子产品失效率预计修正方法，它弥补了运用第一类预计标准进行失效率预计时模型较复杂，在实际运用中难以获取相关参数的缺点，也弥补了第二类预计标准没有考虑封装对失效率影响的缺点。通过本发明可以得到方法简单并且较准确的预计结果，能够为电子产品的准确而方便的预计提供方法支撑。

本发明是通过以下技术方案实现的，首先对预计单元进行组成分析，得出预计单元的组成结构图，并分析预计单元中组成元件的型号、基本参数和数目等相关信息；然后通过电应力自动仿真的方法得到预计单元中每个组成元件正常工作状态下的电应力参数；进而查看SN29500预计手册中基本失效率表格得到参考状态下的元件失效率，通过影响因子的转化得到元件正常工作状态下的失效率，并对初始预计结果进行重要度分析，得到影响预计单元失效率的关键部件；进而通过对TEC62380-2004预计手册给出的失效率模型转化得到每种元件封装过程对失效率的影响模型，对关键元件基本失效率进行修正，从而得到修正封装影响后的元件失效率；最后采取“最坏情况”预计，即将所有零部件简化为串联失效模式进行评估，即预计单元总失效率λ等于所有零部件及加工方法的失效率与应力因子之和，从而得到预计单元的总失效率。上述方案将结合具体电路单元模块对修正后的预计方案进行详细步骤实施。

本发明一种新的电子产品失效率预计修正方法，其步骤如下：

步骤一：预计单元组成分析

所述“预计单元”是指运用本发明进行失效率预计的电子产品单元对象。根据预计单元实物及组成元件清单，按照组成元件不同的类别，对预计单元的组成元件进行分类，并且根据预计单元不同模块的功能对预计单元进行功能分解，得到其各个组成元件的功能逻辑关系和物理逻辑关系，绘出预计单元的组成结构图，并分析预计单元中组成元件的型号、基本参数和数目等相关信息；

步骤二：电应力参数自动获取

电应力参数(主要指组成元件的电压、电流和功率等)主要是通过将预计单元组成元件在正常工作状态下的电应力参数代入电应力参数计算模型中数值计算得到。本发明主要通过电应力仿真的方法自动计算得到预计元件的正常工作状态下的电应力参数；也就是说，电应力参数获取的过程，是采用电路仿真软件对预计单元建立自动仿真模型，模拟预计单元的任务剖面，得到任务剖面内的各种环境参数；

电应力仿真主要是指运用电路仿真软件(如Protel99SE，Pspice)对预计单元进行建模仿真，得到预计单元每个元件正常工作状态下的电应力值。电应力仿真法的步骤包括：1.建立预计单元仿真模型；2.预计单元电应力自动仿真：操作电路仿真软件，运行预计单元仿真模型，对预计单元电路仿真，得到预计单元正常工作状态下每个元件的电应力值；

步骤三：失效率预计

所述的“失效率预计”，其过程包括三个具体的步骤，具体步骤如下：

1、元件失效率预计

查找SN29500预计手册，得到预计单元每个元件的基本失效率预计模型，即：元件基本失效率与环境影响因子的乘积。SN29500预计手册中给出了每种元件在参考状态下的基本失效率，参考SN29500预计手册中的环境影响因子的计算模型，把每个元件的电应力参数带入计算模型中，计算得到预计单元元件的每个环境影响因子，把元件的每个影响因子乘以基本失效率，得到预计单元元件正常工作的基本失效率；

2、关键元件封装影响的修正

根据每个元件的失效率预计结果，对预计单元每个元件进行严酷度分析(所述严酷度是指该元件失效所产生后果的等级，它表示该元件失效最终会导致预计单元失效的一个度量)，得到影响预计单元失效率的关键部件，并对这些关键部件进行封装失效率的修正。也就是说，对关键元件封装影响的修正，即对重要元件的预计结果进行封装影响的修正，其修正方法是依据IEC62380中给出的失效率经验模型，对失效模型进行分析转化得到封装影响的修正模型，进而对预计结果进行封装影响的修正，即由TEC62380-2004预计手册中给出的失效率经验模型，把每个元件的电应力参数带入经验模型中，计算得到重要的元器件封装过程对失效率的影响模型，分析影响模型中的相关参数，把参数带入影响模型中进行计算得到影响的元件失效率，便可得到修正后的元件失效率；

3、单元失效率预计

根据保守估计的思想，本发明采取“最坏情况”模型对预计单元进行失效率预计，即将所有零部件简化为串联失效模式进行评估，根据简化模型，电路模块的总失效率λ等于所有零部件及加工方法的失效率与应力因子之和，得到电路模块的整个单元的失效率，即单元失效率。

其中，在步骤二所述的建立预计单元仿真模型，主要包括如下三个步骤：1)绘制预计单元结构图：对预计单元进行组成分析，得出预计单元的组成结构以及预计单元各个元件的相互关系，绘制预计单元的结构图；2)查找预计单元元件仿真元件库：根据预计单元组成元件的型号信息，调研预计单元元件仿真模型库；3)建立预计单元仿真模型：用预计单元元件的模型库构建预计单元的仿真模型。

其中，在步骤三中的单元失效率预计中所述的采取“最坏情况”模型对预计单元进行失效率预计是指将所有零部件简化为串联失效模式进行评估。

本发明是一种新的电子产品失效率预计修正方法，具有以下优点：

1.应用电路仿真软件对预计单元建立自动仿真模型，可以模拟预计单元的任务剖面，得到任务剖面内的各种环境参数，不仅省去大量的试验，而且可以得到更加精确的预计结果。预计单元电应力自动仿真可以动态得到每个时刻预计单元正常工作状态下每个元件的电应力参数，对预计单元进行动态预计。

2.运用修正后的SN29500预计方法把第一类标准的优点和第二类标准的优点相结合，不仅克服了原SN29500预计手册没有考虑封装对失效率影响的缺点，而且模型中的相关参数容易确定，预计方法简单，容易实行，并且对重要元件进行封装影响的修正能够得到更加准确的可靠性预计结果。

3.采取“最坏情况”模型对预计单元进行失效率预计，即将所有零部件简化为串联失效模式进行评估。这样得到的预计结果属于保守的预计，对后续的研究工作提供余量。

附图说明

图1为本发明的某电路单元模块结构图

图2为本发明的流程框图

图3为本发明简化串联模型示意图

具体实施方式

实施例

下面将结合具体的某电路模块的预计过程对本发明做进一步的详细说明。

见图2，本发明一种新的电子产品失效率预计修正方法，见图2所示，其发明的具体实施步骤如下：

步骤一：预计单元组成分析

本实施例中预计单元指进行预计的电路模块。

根据电路模块实物及原理图，对电路模块的组成元件进行分类，得到其各个组成元件以及元件之间的相关关系，绘出电路模块的组成结构图，其中，图1为本发明某电路单元模块结构图，并调研其组成元件的型号、基本参数和数目等相关信息。电路模块的基本元器件组清单如表1所示：

表1电路模块元器件清单

步骤二：电应力参数自动获取

本发明运用Preotel99SE电应力仿真软件对电路模块进行自动仿真得到其每个元件正常工作的电应力参数。具体步骤如下：

1、建立电路模块仿真模型

建立电路模块仿真模型主要包括以下三个步骤：1)绘制该电路模块结构图：对其进行组成元件分析，得到该电路模块的组成结构以及其各个元件的相互关系，绘制预计单元的结构图；2)查找该电路元件的仿真元件库：根据其组成元件的型号信息，调研元件仿真模型库；3)建立电路模块仿真模型：用该电路元件的模型库构建其仿真模型。电路模块的仿真图如图1所示：

2、电路模块电应力自动仿真

对该电路模块进行正常工作状态下的电应力仿真，可以得出电路模块中每个元器件在正常工作状态下的电应力参数。表2为电路模块正常工作状态下的电应力参数。

表2某电路模块元器件电应力参数值

步骤三：失效率预计

1、元件失效率预计

SN29500预计手册第2部分给出微处理器失效率转化模型如式(1)所示：

λ＝λ_ref×π_T(1)

其中：λ为微处理器失效率；

λ_ref为参考状态下的失效率；

π_T为温度影响因子。

该电路模块用到的芯片处理器为双极微处理器，并且其正常的工作状态为持续工作，在正常的电应力条件下，由SN29500预计手册可得芯片的参考状态失效率为50×10^-9/h，参考状态交界温度为θ_vj,1＝60℃。

温度影响因子的计算公式如式(2)所示：

${\mathrm{\π}}_T=\frac{A\×\exp ({\mathrm{Ea}}_1\×z_1)+(1-A)\exp ({\mathrm{Ea}}_2\×z_2)}{A\×\exp ({\mathrm{Ea}}_1\×z_{ref})+(1-A)\exp ({\mathrm{Ea}}_2\×z_{ref})}---\left(2\right)$

其中：π_T为温度影响因子；

$\begin{array}{cc}{z}_2=11605\×(\frac{1}{T_{U,ref}}-\frac{1}{T_2})& \left(\frac{1}{eV}\right)\end{array};$

$\begin{array}{cc}{z}_1=11605\×(\frac{1}{T_{U,ref}}-\frac{1}{T_1})& \left(\frac{1}{eV}\right)\end{array};$

T_u,ref＝θ_u,ref+273，T₁＝θ_vj,1+273，T₂＝θ_vj,2+273；

θ_u,ref为参考环境温度(℃)，为参考交界温度(℃)；

θ_vj,2为实际交界温度(℃)，A,Ea₁和Ea₂为常数。

由SN29500预计手册可得A＝0.9，Ea₁＝0.3，Ea₂＝0.7，θ_U,ref＝40℃。

温度因子π_T是实际交界温度θ_vj,2和参考状态交界温度θ_vj,1的函数。

θ_vj,2＝θ_u+Δθ(3)

Δθ＝P×R_th(4)

其中：θ_u为元件的平均周围温度；

Δθ为元件基于自加热的温度变化；

P为功耗；

R_th环境引起的交界处的热阻。

由SN29500预计手册可得芯片的温度影响因子为0.67，带入失效率计算公式可以得到芯片在正常工作状态下的失效率如表3所示：

表3芯片失效率预计值

根据同样的方法可以得到电路模块其它元件的失效率如表4所示:

表4元件失效率预计值

2、重要元件封装影响的修正

通过表3和表4的预计结果以及元件对封装敏感度的分析，可以得到芯片、光电耦合器和晶振的封装对电路模块失效率的影响最大。因此，以下本发明主要对芯片、光电耦合器和晶振的失效率预计进行封装影响的修正。

本发明根据IEC62380预计手册中给出的芯片失效率预计模型，提取出封装对其失效率影响修正的模型。集成电路封装的失效率的模型的一般形式用λ’_package表示如式(5)所示：

${{\mathrm{\λ}}^{,}}_{package}=\{2.75\×{10}^{-3}\×{\mathrm{\π}}_{\mathrm{\α}}\×\[\underset{i=1}{\overset{z}{\Σ}}{\left({\mathrm{\π}}_n\right)}_i\×{\left({\mathrm{\ΔT}}_i\right)}^{0.68}\]\×{\mathrm{\λ}}_1\}\×{10}^{-9}/h---\left(5\right)$

其中：λ’_package为集成电路封装失效率；

λ₁为集成电路封装的基本失效率；

(π_n)_i该系数与封装热变化的年循环周期数有关；

π_α为在安装基板和封装材料之间，不同的热膨胀系数的影响因素；

π_α＝0.06×|α_s-α_c|^1.68；

ΔT_i为任务剖面的热变化幅度。

由实际运行情况可以知道芯片在运行状态下只有一个任务剖面，则失效率公式可以简化如式(6)所示：

λ_package＝{2.75×10^-3×π_α×[π_n×(ΔT)^0.68]×λ₁}×10^-9/h(6)

n为每年带有振幅ΔT的循环次数，ΔT＝(t_ac)-(t_ae)，π_α＝0.06×(|α_s-α_c|)。由IEC62380预计手册以及芯片的任务剖面可以得到如下数据：n＝365，ΔT＝20。

芯片正常的工作状态为持续工作，因此n＜8760,则有π_n＝n^0.76。电路模块在一个循环周期中,周围环境温度为40℃，则有t_A＝50℃。

π_n＝n^0.76＝325n^0.76＝88.2814

由IEC62380预计手册可以得到α_c＝21.5，α_s＝16，则有：

π_α＝0.06×(|α_s-α_c|)^1.68＝0.06×(|16_-21.5|)^1.68＝1.0519

由该芯片的datasheet可以得到芯片共有64个引脚，则查找IEC62380预计手册可以得到：λ₁＝7.2FIT。

则可得芯片在正常使用条件下封装影响的失效率为：

λ_package＝{2.75×10^-3×π_α×[π_n×(ΔT)^0.68]×λ₁}×10^-9

＝{2.75×10^-3×1.0519×[88.2814×(20)^0.68]×7.2}×10^-9

＝14.0997×10^-9/h

则有

λ_修正后＝λ+λ_package＝33.5+14.0997＝47.5997FIT

利用同样的方法可以得到光电耦合器和晶振考虑封装影响后的失效率分别为31.567FIT和138.156FIT。

3、单元失效率预计

本发明采用采取“最坏情况”预计，即将所有零部件简化为串行失效模式进行评估。如图3所示,根据简化串联模型，电路模块的总失效率λ等于所有零部件的失效率之和。

$\mathrm{\λ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i---\left(7\right)$

式中：λ_i为某单元各个元件的失效率；

n为所用材料或元器件的总数。

电路模块修正后的失效率预计值如表5所示：

表5电路模块失效率预计值

由预计结果可以看出贴片光耦、芯片和晶振的失效率比较高，因此影响电路模块失效率的主要因素就是贴片光耦、芯片和晶振。

运用SN29500预计手册得到的预计结果为297.0163FIT，运用TEC62380预计手册得到的预计结果为368.736FIT预计，修正后的预计结果为355.109FIT，由此可知，修正后的预计方法预计过程相对简单，预计结果与IEC62380预计手册得到的预计结果相当，比较准确。

Claims (6)

1.一种新的电子产品失效率预计修正方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一：预计单元组成分析

根据预计单元实物及原理图，对预计单元的组成元件进行分类，得到其各个组成元件以及元件之间的相关关系，绘出预计单元的组成结构图，并分析预计单元中组成元件的型号、参数和数目的相关信息；

步骤二：电应力参数获取

通过电应力仿真的方法自动计算得到预计单元在正常工作状态下每个组成元件的电应力值，将每个元件的电应力值代入SN29500预计手册中的电应力参数计算模型，计算得到预计单元每个元件的电应力参数；也就是说，电应力参数获取的过程，是采用电路仿真软件对预计单元建立自动仿真模型，模拟预计单元的任务剖面，得到任务剖面内的各种环境参数；

步骤三：失效率预计

对预计单元进行基于一种新的电子产品失效率预计修正方法的可靠性预计，其失效率预计展开包括三个步骤，具体步骤如下：

1)元件失效率预计

查找SN29500预计手册，得到预计单元每个元件的基本失效率预计模型，即元件基本失效率与环境影响因子的乘积，SN29500预计手册中给出了每种元件在参考状态下的失效率，对元件的正常工作状态进行分析，利用SN29500预计手册中的环境影响因子的计算模型，得到预计单元元件的每个环境影响因子，把影响因子乘以预计单元元件的基本失效率，计算出预计单元元件正常工作的基本失效率；

2)重要元件封装影响的修正

根据每个元件的失效率预计结果，对预计单元每个元件进行严酷度分析，得到影响预计单元失效率的关键部件，并对这些关键部件进行封装失效率的修正；也就是说，对关键元件封装影响的修正，即对重要元件的预计结果进行封装影响的修正，其修正方法是依据IEC62380中给出的失效率经验模型，对失效模型进行分析转化得到封装影响的修正模型，进而对预计结果进行封装影响的修正，即由TEC62380-2004预计手册中给出的失效率经验模型，把每个元件的电应力参数带入经验模型中，计算得到重要的元器件封装过程对失效率的影响模型，分析影响模型中的相关参数，把参数带入影响模型中进行计算得到影响的元件失效率，便可得到修正后的元件失效率；

3)单元失效率预计

采取“最坏情况”预计，即将所有零部件简化为串联失效模式进行评估，计量模块的总失效率λ等于所有零部件及加工方法的失效率与应力因子之和，得到计量模块的整个单元的失效率。

2.根据权利要求1所述的一种新的电子产品失效率预计修正方法，其特征在于：在步骤二中所述的电应力参数获取的过程，是采用电路仿真软件对预计单元建立自动仿真模型，模拟预计单元的任务剖面，得到任务剖面内的各种环境参数。

3.根据权利要求1所述的一种新的电子产品失效率预计修正方法，其特征在于：在步骤三中所述的对关键元件封装影响的修正，即对重要元件的预计结果进行封装影响的修正，其修正方法是依据IEC62380中给出的失效率经验模型，对失效模型进行分析转化得到封装影响的修正模型，进而对预计结果进行封装影响的修正。

4.根据权利要求1所述的一种新的电子产品失效率预计修正方法，其特征在于：在步骤三中所述的严酷度是指该元件失效所产生后果的等级，它表示该元件失效最终会导致预计单元失效的一个度量。

5.根据权利要求1所述的一种新的电子产品失效率预计修正方法，其特征在于：在步骤三中所述的“最坏情况”预计，是指将所有零部件简化为串联失效模式进行评估。

6.根据权利要求1所述的一种新的电子产品失效率预计修正方法，其特征在于：在步骤一中所述的预计单元是指运用本发明进行失效率预计的电子产品单元对象。