CN104462700A - 基于故障物理的电子产品可靠性仿真试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子产品可靠性试验技术，涉及一种基于故障物理的电子产品可靠性仿真试验方法。其特征在于，进行电子产品可靠性仿真试验的步骤如下：构建数字样机模型；分析载荷条件下的热应力状态和振动应力状态；分析的潜在故障；确定故障物理模型；进行热应力损伤分析和振动应力损伤分析；电子产品可靠性评估。本发明能尽快暴露电子产品的设计缺陷，减少了电子产品可靠性试验的时间，提高了可靠性试验的效率，从而缩短了电子产品的研制周期，降低了电子产品的研制成本。

Description

基于故障物理的电子产品可靠性仿真试验方法

技术领域

本发明属于电子产品可靠性试验技术，涉及一种基于故障物理的电子产品可靠性仿真试验方法。

背景技术

面对客户要求和市场竞争的压力，研发者在满足电子产品功能/性能设计的同时，也投注越来越多的精力和成本用于提高产品可靠性。而可靠的产品并不能凭空获得，它是由设计所决定，并通过制造来实现。传统的电子产品可靠性是基于数理统计方法，在设计阶段难以发现并改进潜在缺陷，几乎都要靠“事后验证”来解决。但有数据表明：一个设计缺陷，通过后期试验或用户反馈来暴露和解决，至少需要10倍以上的成本；同时需要长时间的试验验证才能得出结论，试验效率低，产品的研制周期长。

发明内容

本发明的目的是：提出一种基于故障物理的电子产品可靠性仿真试验方法，以便尽快暴露电子产品的设计缺陷，减少电子产品可靠性试验的时间，提高可靠性试验的效率，从而缩短电子产品的研制周期，降低电子产品的研制成本。

本发明的技术方案是：基于故障物理的电子产品可靠性仿真试验方法，其特征在于，进行电子产品可靠性仿真试验的步骤如下：

1、构建电子产品的数字样机模型，数字样机模型是指二维数字样机模型或三维数字样机模型，电子产品包括机箱、支架、模块、电路板和元器件；

2、采用有限元仿真分析软件分析电子产品在载荷条件下的热应力状态和振动应力状态，载荷条件是指环境载荷和工作载荷；

3、分析电子产品的潜在故障，确定电子产品的故障机理：根据电子产品所承受热应力状态和振动应力状态，结合电子产品的故障模式、影响及危害性分析报告、外场和实验室故障数据，确定电子产品的主要失效位置、失效模块、失效电路板和潜在故障元器件，及其故障机理；

4、确定电子产品的故障物理模型，设置故障物理模型参数：根据潜在故障元器件的故障机理，确定电子产品的故障物理模型，设置潜在故障元器件的几何结构参数、材料属性、应力参数、模型修正因子等模型参数；

5、进行电子产品热应力损伤分析和振动应力损伤分析：

5.1、热应力损伤计算：根据潜在故障元器件的故障物理模型，分析潜在故障元器件在热应力条件下的损伤，得到热应力持续作用下的潜在故障元器件故障时间；

5.2、振动应力损伤计算：根据潜在故障元器件的故障物理模型，分析潜在故障元器件在振动应力条件下的损伤，得到振动应力持续作用下的潜在故障元器件故障时间；

5.3、累积损伤分析：根据潜在故障元器件的故障物理模型，分析潜在故障元器件在热应力和振动应力同时或先后作用下的损伤，采用累积损伤法则进行累积损伤计算潜在故障元器件故障时间；

5.4、蒙特卡洛分析：综合考虑电子产品的结构参数、材料参数、工艺参数以及热应力和振动应力量值的随机波动对应力损伤和累积损伤的影响，采用蒙特卡洛仿真方法进行参数离散和随机抽样计算，得到大样本潜在故障元器件的故障时间数据；

6、电子产品可靠性评估：

6.1、确定潜在故障元器件的故障时间分布：根据故障机理的故障时间概率密度函数，通过多个潜在故障元器件的故障分布融合确定潜在故障元器件的故障时间概率密度函数；

6.2、确定模块或设备的故障时间分布：根据电子产品所有潜在故障元器件的故障时间概率密度函数，通过多点故障分布融合方法确定电子产品模块或设备的故障时间概率密度函数；

6.3、确定电子产品的故障时间分布：根据电子产品模块或设备的故障时间概率密度函数，评估电子产品的可靠性水平。

本发明的优点是：提出了一种基于故障物理的电子产品可靠性仿真试验方法，能尽快暴露电子产品的设计缺陷，减少了电子产品可靠性试验的时间，提高了可靠性试验的效率，从而缩短了电子产品的研制周期，降低了电子产品的研制成本。本发明的一个实施例，经试验证明，该电子产品的研制周期缩短了38％。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。基于故障物理的电子产品可靠性仿真试验方法，其特征在于，进行电子产品可靠性仿真试验的步骤如下：

1、构建电子产品的数字样机模型，数字样机模型是指二维数字样机模型或三维数字样机模型，电子产品包括机箱、支架、模块、电路板和元器件；

2、采用有限元仿真分析软件分析电子产品在载荷条件下的热应力状态和振动应力状态，载荷条件是指环境载荷和工作载荷；

3、分析电子产品的潜在故障，确定电子产品的故障机理：根据电子产品所承受热应力状态和振动应力状态，结合电子产品的故障模式、影响及危害性分析报告、外场和实验室故障数据，确定电子产品的主要失效位置、失效模块、失效电路板和潜在故障元器件，及其故障机理；

4、确定电子产品的故障物理模型，设置故障物理模型参数：根据潜在故障元器件的故障机理，确定电子产品的故障物理模型，设置潜在故障元器件的几何结构参数、材料属性、应力参数、模型修正因子等模型参数；

5、进行电子产品热应力损伤分析和振动应力损伤分析：

5.1、热应力损伤计算：根据潜在故障元器件的故障物理模型，分析潜在故障元器件在热应力条件下的损伤，得到热应力持续作用下的潜在故障元器件故障时间；

5.2、振动应力损伤计算：根据潜在故障元器件的故障物理模型，分析潜在故障元器件在振动应力条件下的损伤，得到振动应力持续作用下的潜在故障元器件故障时间；

5.3、累积损伤分析：根据潜在故障元器件的故障物理模型，分析潜在故障元器件在热应力和振动应力同时或先后作用下的损伤，采用累积损伤法则进行累积损伤计算潜在故障元器件故障时间；

5.4、蒙特卡洛分析：综合考虑电子产品的结构参数、材料参数、工艺参数以及热应力和振动应力量值的随机波动对应力损伤和累积损伤的影响，采用蒙特卡洛仿真方法进行参数离散和随机抽样计算，得到大样本潜在故障元器件的故障时间数据；

6、电子产品可靠性评估：

6.1、确定潜在故障元器件的故障时间分布：根据故障机理的故障时间概率密度函数，通过多个潜在故障元器件的故障分布融合确定潜在故障元器件的故障时间概率密度函数；

6.2、确定模块或设备的故障时间分布：根据电子产品所有潜在故障元器件的故障时间概率密度函数，通过多点故障分布融合方法确定电子产品模块或设备的故障时间概率密度函数；

6.3、确定电子产品的故障时间分布：根据电子产品模块或设备的故障时间概率密度函数，评估电子产品的可靠性水平。

实施例

某机电管理计算机安装于某型飞机设备舱，包含机箱、10个模块和272种型号10494只元器件。产品整机重量为15kg，整机功耗为120W，采用自然冷却方式进行散热。

1、构建电子产品的数字样机模型，根据产品设计信息，在三维设计软件CATIA中建立机电管理计算机数字样机模型，数字样机模型包括机箱、10个模块和272种型号10494只元器件的数字样机模型。

2、按照环境载荷剖面，采用有限元仿真分析软件Flotherm和Nastran，对机电管理计算机进行了热应力分析和振动应力分析，得出机电管理计算机机箱、模块和元器件的热应力状态和振动应力状态。

3、根据机电管理计算机机箱、模块和元器件的热应力状态、振动应力状态和设计人员的工程经验，确定所有10494个元器件的潜在故障及其故障机理。潜在故障和故障机理参见《GJB451A-2005可靠性维修性保障性术语》。

4、根据10494个元器件的潜在故障及其故障机理，建立所有10494个元器件的故障物理模型。具体故障物理模型选取和建立如下：

4.1、一阶球栅阵列封装热疲劳模型：

$\mathrm{\Δ\γ}=F\frac{L_D}{h}\mathrm{\Δ\α\ΔT}$

故障物理模型参数包括：h为焊点高度；L_D为特征尺寸；L_D＝0.707×焊点跨度距离；Δα为器件封装材料与电路板材料的热膨胀系数差值；ΔΤ为热循环剖面中最高温度与最低温度的差值；F为修正系数，范围为0.5～1.5，全阵列球栅阵列封装为0.54，周边阵列球栅阵列封装为1。

4.2、一阶热疲劳模型，适用于无引线芯片载体封装和片式分立电容电阻

封装：

$\mathrm{\Δ\γ}=F\frac{L_D}{h}\mathrm{\Δ\α\ΔT}$

故障物理模型参数：h为焊点高度；L_D为特征尺寸；L_D＝0.5×器件长度；Δα为器件封装材料与电路板材料的热膨胀系数差值；ΔΤ为热循环剖面中最高温度与最低温度的差值；F为修正系数，范围为0.5～1.5。

4.3、一阶热疲劳模型，适用于J型引脚、Gullwing封装、S型引脚、SOT143

和双列直插式封装：

$\mathrm{\Δ\γ}0.5F\frac{K_D}{\left(200\mathrm{psi}\right)\mathrm{Ah}}{({\mathrm{\α}}_c\mathrm{L\ΔT}-{\mathrm{\α}}_s\mathrm{L\ΔT})}^2$

故障物理模型参数：K_D为引脚材料的对角刚度；A为焊点面积；h为焊点高度；α_c为器件封装材料的热膨胀系数；α_s为印制电路板材料的热膨胀系数；L为引脚对角线长度的一半；ΔΤ为热循环剖面中最高温度与最低温度的差值；F为修正系数，范围为0.5～1.5。

4.4、一阶随机振动疲劳模型：

$N_f=N_0{\left[\frac{z_0}{z_f\sin \left(\mathrm{\πx}\right)\sin \left(\mathrm{\πy}\right)}\right]}^b$

式中：N_f为器件的疲劳寿命；x和y为该器件在电路板上的位置坐标；N₀是根据标准试验确定的常数，对于随机振动，N₀＝2×10⁷；b＝6.4为疲劳强度指数；Z₀和Z_f由下两式确定：

$z_0=\frac{0.00022B}{\mathrm{ct}\sqrt{L}},z_f\frac{36.84\sqrt{{\mathrm{PSD}}_{\max }}}{f_n^{1.25}}$

其中：PSD_max为随机振动的最大功率谱密度；f_n为随机振动的最小自然频率；B为器件4条边到电路板4条边的距离中的最大值；L为器件长度；t为电路板厚度；c为系数，对于两列引脚器件c＝1，对于四边引脚器件c＝1.26，对于无引脚器件c＝2.25。

5、根据故障物理模型对机电管理计算机10494个元器件进行热应力损伤分析和振动应力损伤分析，得到机电管理计算机10494个元器件的故障信息矩阵。通过累计损伤分析和蒙特卡洛分析，机电管理计算机在30000工作小时内失效概率大于63.2％的器件共计6个，分布于4个不同的模块上。

6、采用威布尔分布对机电管理计算机所有器件的故障时间概率密度函数进行分析，计算每一个模块的平均故障首发时间，最后得出机电管理计算机的平均首发故障时间为9384小时。

Claims (1)

1.基于故障物理的电子产品可靠性仿真试验方法，其特征在于，进行电子产品可靠性仿真试验的步骤如下：

1.1、构建电子产品的数字样机模型，数字样机模型是指二维数字样机模型或三维数字样机模型，电子产品包括机箱、支架、模块、电路板和元器件；

1.2、采用有限元仿真分析软件分析电子产品在载荷条件下的热应力状态和振动应力状态，载荷条件是指环境载荷和工作载荷；

1.3、分析电子产品的潜在故障，确定电子产品的故障机理：

根据电子产品所承受热应力状态和振动应力状态，结合电子产品的故障模式、影响及危害性分析报告、外场和实验室故障数据，确定电子产品的主要失效位置、失效模块、失效电路板和潜在故障元器件，及其故障机理。

1.4、确定电子产品的故障物理模型，设置故障物理模型参数：

根据潜在故障元器件的故障机理，确定电子产品的故障物理模型，设置潜在故障元器件的几何结构参数、材料属性、应力参数、模型修正因子等模型参数；

1.5、进行电子产品热应力损伤分析和振动应力损伤分析：

1.5.1、热应力损伤计算：

根据潜在故障元器件的故障物理模型，分析潜在故障元器件在热应力条件下的损伤，得到热应力持续作用下的潜在故障元器件故障时间；

1.5.2、振动应力损伤计算：

根据潜在故障元器件的故障物理模型，分析潜在故障元器件在振动应力条件下的损伤，得到振动应力持续作用下的潜在故障元器件故障时间；

1.5.3、累积损伤分析：

根据潜在故障元器件的故障物理模型，分析潜在故障元器件在热应力和振动应力同时或先后作用下的损伤，采用累积损伤法则进行累积损伤计算潜在故障元器件故障时间；

1.5.4、蒙特卡洛分析：

综合考虑电子产品的结构参数、材料参数、工艺参数以及热应力和振动应力量值的随机波动对应力损伤和累积损伤的影响，采用蒙特卡洛仿真方法进行参数离散和随机抽样计算，得到大样本潜在故障元器件的故障时间数据；

1.6、电子产品可靠性评估：

1.6.1、确定潜在故障元器件的故障时间分布：

根据故障机理的故障时间概率密度函数，通过多个潜在故障元器件的故障分布融合确定潜在故障元器件的故障时间概率密度函数；

1.6.2、确定模块或设备的故障时间分布：

根据电子产品所有潜在故障元器件的故障时间概率密度函数，通过多点故障分布融合方法确定电子产品模块或设备的故障时间概率密度函数；

1.6.3、确定电子产品的故障时间分布：

根据电子产品模块或设备的故障时间概率密度函数，评估电子产品的可靠性水平。