CN103902770A - 一种通用的印刷电路板可靠性指标快速分析方法 - Google Patents

一种通用的印刷电路板可靠性指标快速分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的通用的印刷电路板可靠性指标快速分析方法，其步骤包括：建立电子元器件可靠性特征参数分布模型；通过调用接口函数得到印刷电路板的电子元器件清单；汇编印刷电路板的电子元器件详细清单；根据印刷电路板的电子元器件可靠性特征参数分布模型与电子元器件详细清单，得到包含所有电子元器件的通用失效率参数的表格清单；计算得到印刷电路板在使用环境下的失效率；根据印刷电路板在使用环境下的失效率，计算电路板的系统可靠度，系统不可靠度，系统平均无故障寿命。本发明对电路板的设计具有指导意义，实现了电路板设计与可靠性分析之间的连续性，方便用户实现电路板设计与可靠性分析的交叉进行，从而提高电路板设计的效率。

Description

一种通用的印刷电路板可靠性指标快速分析方法
技术领域
本发明属于电子设备的可靠性分析领域，特别涉及一种通用的印刷电路板可靠性指标快速分析方法。
背景技术
印刷电路板（PCB）减少布线和装配的差错，提高了自动化水平和生产劳动率，被广泛应用于电子工业领域。
现有电子设备故障树分析的方法需要借助行业标准或者手册进行复杂的查询，需要耗费的劳动量较大，一旦发生会发生错误，使评估的数据产生大的误差，甚至发生数据严重失真的情况。可靠性分析已经成为产品设计研发的一项重要工作。对于电子产品来说，系统元件中种类复杂，数量众多，并且元件的可靠度受工作状态、环境因素等条件的影响较大，因此对电路系统进行可靠性分析就显得必不可少。
发明内容
本发明的目的是为解决以上问题，提供一种通用的印刷电路板可靠性指标快速分析方法。
本发明的通用的印刷电路板可靠性指标快速分析方法，其步骤如下：
步骤1:建立电子元器件可靠性性特征参数分布模型：以中国军方电子设备可靠性预计手册GJB/Z299C-2006失效率计算公式为依据建立电子元器件可靠性特征参数分布模型；所说的电子元器件包括电阻、电容、开关、继电器、电感、熔断器和断路器的基本电路组件，二极管、晶体管和半导体晶闸管的半导体元器件，发光二极管、关敏电阻、光电二极管、光电晶体管、光电晶闸管和光电耦合器的光电子元件以及运算放大器和半导体微电路；
步骤2:编写接口程序，导入电路板的PCB工程文件，通过调用编写的接口函数直接从后台打开印刷电路板软件Altium Designer09，然后导出该电路板的电子元器件清单，该清单包括了以下数据：电子元器件名称、标号、规格、型号、数量，该清单是以.xls为后缀的EXCEL电子表格文件；
步骤3:基于EXCEL VBA开发独立宏，该宏加载成功后，在EXCEL菜单栏显示专用工具栏以及数据录入向导，采用自动输入方式输入电路板上所有电子元器件的种类及每类电子元器件的数量，采用手动输入方式输入特征参数分布模型中所不包含的电子元器件的种类和数量、电路板上所有电子元器件的质量等级与质量系数以及电路板设备的应用环境类别信息，该数据录入向导是通过EXCEL下的VLOOKUP函数与MATCH函数实现的，通过查找关键字实现对电子元器件从类型、规格到数量的逐级匹配与录入，汇编得到电子元器件的详细清单；
步骤4:按步骤1中所建立的各类电子元器件可靠性特征参数分布模型，计算各电子元器件在使用环境下的通用失效率λi，得到包含所有电子元器件通用失效率参数λi的表格清单，λi是第i种电子元器件在使用环境下的通用失效率；
步骤5:根据步骤3汇编得到电子元器件的详细清单和步骤4所得的包含所有电子元器件可靠性参数的表格清单，通过公式（1）计算，得到印刷电路板在使用环境下的通用失效率λ，其公式如式（1）：
λ = Σ i = 1 n N i λ i - - - ( 1 )
式中：
λi——第i种电子元器件在使用环境下的通用失效率
Ni——第i种电子元器件的数量
n——电路板上的电子元器件种类数目；
步骤6:根据步骤5得到的在使用环境下的通用失效率，得到印刷电路板的系统可靠度Rs＝e-λt，系统不可靠度Fs＝1-e-λt，生成由这些参数得到的印刷电路板可靠度分布曲线与不可靠度分布曲线，计算步进电机驱动电路印刷电路板的平均无故障寿命MTBF＝1/λ，将数据存档，分析完毕。
本发明步骤3中所说的采用手动输入方式输入特征参数分布模型中所不包含的电子元器件的种类和数量这一过程是针对步骤1中所建立的电子元器件可靠性特征参数分布模型里面所不包含的电子元器件。
本方法与现有分析技术相比具有以下优点：
(1)本发明运用的分析方法考虑了工作应力、工作环境、温度等外界因素的影响。
(2)本发明将不同商业仿真软件的交互操作集成封装，即将从Altium Designer中获取数据和向EXCEL软件中发送数据、建立模型、处理数据等过程实现集成化，并且在能够快速方便的获取电路板可靠性指标参数的同时实现了程序化的人机交互，具有比较灵活的适用性。
(3)本发明建立了一种电路板可靠性建模的通用的方法，该方法简化了计算复杂度，可用于印刷电路板的可靠性预计、可靠性校核、设计优化等过程，省去了以往可靠性模型建立过程中的大量重复工作，将整个可靠性建模的过程程序化，建立了常见电子元器件的可靠性模型，用户在使用中不需要了解单个电子元器件繁琐的建模过程，只需要在人机交互界面根据向导的指引操作，提高了分析效率。
(4)本发明对电路板的设计具有指导意义，实现了电路板设计与可靠性分析之间的连续性，方便用户实现电路板设计与可靠性分析的交叉进行，从而提高电路板设计的效率，实现“边设计边分析边优化”的电路板设计过程。
附图说明
图1是步进电机驱动电路印刷电路板的电路原理图。
图2是图1步进电机驱动电路印刷电路板可靠度曲线。
图3是图1步进电机驱动电路印刷电路板不可靠度曲线。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
以图1所示的步进电机驱动电路为例，快速分析印刷电路板可靠性指标，步骤如下：
步骤1:建立电子元器件可靠性特征参数分布模型：以中国军方电子设备可靠性预计手册GJB/Z299C-2006失效率计算公式为依据建立电子元器件可靠性特征参数分布模型；该步进电机驱动电路印刷电路板上的电子元器件包括电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2，二极管D41、D42、D43、D44、D45、D46、D47、D48，发光二极管D56，半导体微电路U1、U2，这些电子元器件的可靠性特征参数分布模型，如下：
λ1＝λb1πE1πQ1πR1
λ1——第1种电子元器件电阻在使用环境下的通用失效率；
λb1——第1种电子元器件电阻件的基本失效率；
πE1——第1种电子元器件电阻的环境系数；
πQ1——第1种电子元器件电阻的质量修正系数；
πR1——第1种电子元器件电阻的阻值系数；
λ2＝λb2πE2πQ2πCV2πSR2πK2πch2
λ2——第2种电子元器件电容在使用环境下的通用失效率；
λb2——第2种电子元器件电容的基本失效率；
πE2——第2种电子元器件电容的环境系数；
πQ2——第2种电子元器件电容的质量修正系数；
πCV2——第2种电子元器件电容的电容量系数；
πSR2——第2种电子元器件电容的串联电阻系数；
πK2——第2种电子元器件电容的种类系数；
πch2——第2种电子元器件电容的表面贴装系数；
λ3＝λb3πE3πQ3πA3
λ3——第3种电子元器件二极管在使用环境下的通用失效率；
λb3——第3种电子元器件二极管的基本失效率；
πE3——第3种电子元器件二极管的环境系数；
πQ3——第3种电子元器件二极管的质量修正系数；
πA3——第3种电子元器件二极管的应用系数；
λ4＝λb4πE4πQ4πT4πC4
λ4——第4种电子元器件发光二极管在使用环境下的通用失效率；
λb4——第4种电子元器件发光二极管的基本失效率；
πE4——第4种电子元器件发光二极管的环境系数；
πQ4——第4种电子元器件发光二极管的质量修正系数；
πT4——第4种电子元器件发光二极管的温度应力系数；
πC4——第4种电子元器件发光二极管的种类系数；
λ5＝πQ5[C15πT5πV5+(C25+C35)πE5]πL5
λ5——第5种电子元器件半导体微电路在使用环境下的通用失效率；
πQ5——第5种电子元器件半导体微电路的质量修正系数；
πT5——第5种电子元器件半导体微电路的温度应力系数
πV5——第5种电子元器件半导体微电路的电压应力系数；
πE5——第5种电子元器件半导体微电路的环境系数；
πL5——第5种电子元器件半导体微电路的成熟系数；
πT5——第5种电子元器件半导体微电路的温度应力系数；
πC5——第5种电子元器件半导体微电路的种类系数；
C15及C25——第5种电子元器件半导体微电路的电路复杂度失效率；
C35——第5种电子元器件半导体微电路的封装复杂度失效率；
步骤2:编写接口程序，导入电路板的PCB工程文件，通过调用编写的接口函数直接从后台打开印刷电路板软件Altium Designer09，然后导出该电路板的电子元器件清单如表1所示，该清单包括了以下数据：电子元器件名称、标号、规格、型号、数量，该清单是以.xls为后缀的EXCEL电子表格文件；
表1步进电机驱动电路印刷电路板电子元器件清单.xls电子元器清单
电子元器件名称 标号 规格 型号 数量
电阻 R1，R2 2512R 5R 2
电阻 R3 0805 330R 1
电阻 R4 CAPC2012L 10k 1
电容 C1，C1 0805 0.1u 2
二极管 D41，D42，D43，D44，D45，D46，D47， 4 1N4007 8
发光二极管 D5G 080 LED3 1
半导体微电路 U1 SO20_N L297D 1
半导体微电路 U2 SO20_N L298P 1
步骤3:基于EXCEL VBA开发独立宏，该宏加载成功后，在EXCEL菜单栏显示专用工具栏以及数据录入向导，采用自动输入方式输入电路板上所有电子元器件的种类及每类电子元器件的数量，采用手动输入方式输入电路板上所有电子元器件的质量等级与质量系数以及电路板设备的应用环境类别信息，该数据录入向导是通过EXCEL下的VLOOKUP函数与MATCH函数实现的，通过查找关键字实现对电子元器件从类型、规格到数量的逐级匹配与录入，最终汇编得到电子元器件的详细清单如表2所示；
表2步进电机驱动电路印刷电路板电子元器件详细清单
电子元器件1 标号 规格 型号 数量 基本失效率 质量等级/系数 阻值系数 环境/系数
电阻 R1，R2 2512R 5R 2 0.0025 B1/1 1 GB/1
电阻 R3 0805 330R 1 0.0025 B1/1 1 GB/1
电阻 R4 CAPC2012L 10k 1 0.0025 B1/1 1 GB/1
电子元器件2 标号 规格 型号 数量 基本失效率 质量等级/系数 电容量系数 种类系数 表面贴装系数 环境/系数
电容 C1，C2 0805 0.1u 2 0.003 B1/1 1.3 1 1 GB/1
电子元器件3 标号 规格 型号 数量 基本失效率 质量等级/系数 应用系数 环境/系数
二极管 D41，D42，D43，D44，D45，D46，D47，D48 3216 1N4007 8 0.003 B1/1 0.65 GB/1
电子元器件4 标号 规格 型号 数量 基本失效率 质量等级/系数 种类系数 温度应力系系 环境/系数
发光二极管 D56 0805 LED3 1 0.003 B1/1 0.2 2.6 GB/1
电子元器件5 标号 规格 型号 数量 成熟系数 质量等级/系数 温度应力系数 电压应力系数 电路复杂度 封装复杂度 环境/系数
半导体微电路 U1 SO20_N L297D 1 1 B1/1 0.2 0.5 0.12，0.01 0.03 GB/1
半导体微电路 U2 SO20_N L298P 1 1 B1/1 0.2 0.5 .012，0.01 0.03 GB/1
步骤4:按步骤1中所建立的各类电子元器件可靠性特征参数分布模型，计算各电子元器件在使用环境下的通用失效率λi，得到包含所有电子元器件可靠性参数λi的表格清单如表3所示；λi为第i种电子元器件在使用环境下的通用失效率；
表3步进电机驱动电路印刷电路板电子元器件可靠性参数λi清单
Figure BDA0000482971070000051
步骤5:根据步骤3汇编得到电子元器件的详细清单和步骤4所得的包含所有电子元器件可靠性参数的表格清单，通过公式（1）计算，得到电路板在使用环境下的通用失效率
λ = Σ i = 1 n N i λ i = 4 × 0.0025 + 1 × 0.0025 + 1 × 0.0025 + 2 × 0.0039 + 8 × 0.002 + 1 × 0.00156 + 1 × 0.005 + 1 × 0.005 × 10 - 6 / h = 0.04136 × 10 - 6 / h - - - ( 1 )
步骤6:根据步骤5得到的在使用环境下的通用失效率，得到印刷电路板的系统可靠度Rs＝e-λt，系统不可靠度Fs＝1-e-λt，生成由这些参数得到的步进电机驱动电路印刷电路板可靠度分布曲线如图2所示，生成由这些参数得到的步进电机驱动电路印刷电路板可靠度分布曲线如图3所示，步进电机驱动电路印刷电路板的平均无故障寿命MTBF＝1/λ＝24.178×106h。
将分析数据存档，分析完毕。

Claims (2)

1.一种通用的印刷电路板可靠性指标快速分析方法，其步骤如下：
步骤1:建立电子元器件可靠性性特征参数分布模型：以中国军方电子设备可靠性预计手册GJB/Z299C-2006失效率计算公式为依据建立电子元器件可靠性特征参数分布模型；所说的电子元器件包括电阻、电容、开关、继电器、电感、熔断器和断路器的基本电路组件，二极管、晶体管和半导体晶闸管的半导体元器件，发光二极管、关敏电阻、光电二极管、光电晶体管、光电晶闸管和光电耦合器的光电子元件以及运算放大器和半导体微电路；
步骤2:编写接口程序，导入电路板的PCB工程文件，通过调用编写的接口函数直接从后台打开印刷电路板软件Altium Designer09，然后导出该电路板的电子元器件清单，该清单包括了以下数据：电子元器件名称、标号、规格、型号、数量，该清单是以.xls为后缀的EXCEL电子表格文件；
步骤3:基于EXCEL VBA开发独立宏，该宏加载成功后，在EXCEL菜单栏显示专用工具栏以及数据录入向导，采用自动输入方式输入电路板上所有电子元器件的种类及每类电子元器件的数量，采用手动输入方式输入特征参数分布模型中所不包含的电子元器件的种类和数量、电路板上所有电子元器件的质量等级与质量系数以及电路板设备的应用环境类别信息，该数据录入向导是通过EXCEL下的VLOOKUP函数与MATCH函数实现的，通过查找关键字实现对电子元器件从类型、规格到数量的逐级匹配与录入，汇编得到电子元器件的详细清单；
步骤4:按步骤1中所建立的各类电子元器件可靠性特征参数分布模型，计算各电子元器件在使用环境下的通用失效率λi，得到包含所有电子元器件通用失效率参数λi的表格清单，λi是第i种电子元器件在使用环境下的通用失效率；
步骤5:根据步骤3汇编得到电子元器件的详细清单和步骤4所得的包含所有电子元器件可靠性参数的表格清单，通过公式（1）计算，得到印刷电路板在使用环境下的通用失效率λ，其公式如式（1）：
λ = Σ i = 1 n N i λ i - - - ( 1 )
式中：
λi——第i种电子元器件在使用环境下的通用失效率
Ni——第i种电子元器件的数量
n——电路板上的电子元器件种类数目；
步骤6:根据步骤5得到的在使用环境下的通用失效率，得到印刷电路板的系统可靠度Rs＝e-λt，系统不可靠度Fs＝1-e-λt，生成由这些参数得到的印刷电路板可靠度分布曲线与不可靠度分布曲线，计算步进电机驱动电路印刷电路板的平均无故障寿命MTBF＝1/λ，将数据存档，分析完毕。
2.根据权利要求1所述的通用的印刷电路板可靠性指标快速分析方法，其特征在于：步骤3中所说的采用手动输入方式输入特征参数分布模型中所不包含的电子元器件的种类和数量这一过程是针对步骤1中所建立的电子元器件可靠性特征参数分布模型里面所不包含的电子元器件。
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