CN104777092A - 一种基于盐雾环境试验的印制电路板使用寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于盐雾环境试验的印制电路板使用寿命评估方法，首先，通过将该印制电路板的失效模式与工作环境进行相关联，建立了基于盐雾试验的加速寿命预测模型，通过试验数据与Arrhenius加速寿命预测模型相结合的方法，绘制了温度、盐溶液浓度及盐雾沉降量等三个环境因子与试验样品腐蚀面积间的变化曲线，有效地预测了该印制电路板在盐雾环境服役条件下的服役寿命；克服了传统可靠性分析方法在分析小样本，失效机理复杂系统时无法精确建模的问题。其次，在装置的研制阶段，通过开展加速寿命试验，缩短试验时间，提高海上武器装备使用寿命验证水平，让使用中可能出现的问题在服役前得到充分暴露和解决，从而制定科学合理的维修决策，以节省维修费用，并保障战备的完好和任务的成功。

Description

一种基于盐雾环境试验的印制电路板使用寿命评估方法

技术领域

本发明属于电子产品可靠性分析与寿命评估技术领域，具体涉及一种面向盐雾环境下使用的印制电路板使用寿命评估方法。

背景技术

海上武器装备电控模块为海上武器装备的控制系统，控制着武器整个发射过程，协调各个机械装置在发射过程中的执行顺序，是海上武器装备的“大脑”。高可靠的电控模块是海上武器装备系统安全性的重要保障。电控模块在装备服役过程中，一旦发生失效将会使整个装备系统各子系统失去关联关系，影响服役过程的正常运行，甚至对武器装备及操作人员的安全造成严重威胁。同时，环境适应性是武器装备的一个重要特征，装备适应性能的好坏直接影响到装备性能的发挥。在产品设计定型时，必须通过实验室环境鉴定试验来验证产品的环境适应性是否满足研制要求和规定的指标。环境鉴定试验是武器装备设计定型地面鉴定试验的重要组成部分。而海上武器装备在海洋环境中服役工作，面对复杂的海上环境，必须通过有效的可靠性设计及相关试验，预计武器装备的可靠度，目的是准确地评定装置可靠性和使用寿命，以让使用中可能出现的问题在投入服役前得到充分暴露和解决，从而制定科学合理的维修决策，以节省维修费用，并保障战备的完好和任务的成功。

一套海上武器装备一般配置一台控制台，控制台包括两个测控箱，每个测控箱含有若干功能模块，每一功能模块又由若干印制电路板组成，印制电路板的耐盐雾腐蚀性能则成为决定海上武器装备正常服役的必备条件。印制电路板由于在海洋环境下工作容易受到腐蚀，同时盐的沉积物也会对印制电路板的电气性能产生影响，这些破坏往往会影响其环境适应性，可靠性和使用寿命。

该印制电路板在实际服役过程中使用频率很低，并且每次使用只有几分钟的时间。同时由于其工作环境的特殊，现有的寿命可靠性分析方法很难表述该印制电路板的具体故障模式，并评估其使用寿命。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于盐雾环境试验的印制电路板使用寿命评估方法。

本发明的技术方案为：一种基于盐雾环境试验的印制电路板使用寿命评估方法，具体包括以下步骤：

A：确定盐雾试验样本数n；

B：对盐雾试验样本数n进行编号，并制定试验条件与合格判据；

C：随机选取部分编号样本进行三防漆的预处理，剩余部分编号样本不进行任何处理，然后对全部样本进行试验；

D：取出样本进行初步的腐蚀形貌判断，以判定样品是否已直接失效，清洗样品表面至正常水平之后测定样本的电性能；选取Arrhenius模型分别通过基于加速寿命试验与基于样本性能退化的估计方法对印制电路板的使用寿命进行估计。

进一步地，所述加速寿命试验具体包括以下步骤：

D1：确定试验环境因子得到加速系数η；所述环境因子包括：温度因子a，盐溶液浓度因子b，盐雾沉降量因子c；根据以下公式计算所述加速系数η；

η＝a·b·c；

D2：根据现有研究中盐雾试验的加速变量对试验速率影响的成果，以及Arrhenius模型对温度因子a进行估算；根据实验数据对盐溶液浓度因子b以及盐雾沉降量因子c进行拟合，得到盐溶液浓度因子b以及盐雾沉降量因子c加速试验模型，根据得到的加速试验模型计算得到盐溶液浓度因子b以及盐雾沉降量因子c的值；根据得到的温度因子a，盐溶液浓度因子b，盐雾沉降量因子c计算加速系数η；

D3：根据步骤D2获得的加速系数η，求得自然使用环境下的贮存时间T，T＝η·T′；

其中，T′表示试验周期。

更进一步地，通过基于电路板性能退化的估计方法对印制电路板的使用寿命进行估计，具体包括：通过对印制电路板的电阻进行测量，根据测量得到的样本的不同端口电阻变化，对比分析n个样本的电阻变化率，求出变化率平均值并根据电子产品退化量失效阈值z、自然使用环境下的贮存时间T₀与变化率平均值求出实际服役中达到失效退化的使用年限T₁， $T_1=\frac{T_0\·z}{\stackrel{\‾}{S}}.$

进一步地，所述步骤B制定的试验条件如下：

温度：35℃±2℃；

盐溶液浓度：5％±1％；

PH值：6.5-7.2；

盐雾沉降率：1.3ml/(80cm²·h)；

试验周期T′：96小时，其中一个循环为喷雾24小时/停喷24小时，共计两个循环。

本发明的有益效果：本发明通过将该印制电路板的失效模式与工作环境进行相关联，建立了基于盐雾试验的加速寿命预测模型，将除温度外的盐雾浓度与沉降量加入加速模型当中，建立的新寿命预测模型与实验数据相结合，有效地预测了该印制电路板在盐雾环境服役条件下的服役寿命；本发明方法克服了传统可靠性分析方法在分析小样本，失效机理复杂系统时无法精确建模的问题；

在装置的研制阶段，仅通过现场使用数据往往无法对其使用寿命进行充分验证，本发明通过开展加速寿命试验，缩短试验时间，提高海上武器装备使用寿命验证水平，让使用中可能出现的问题在服役前得到充分暴露和解决，从而制定科学合理的维修决策，以节省维修费用，并保障战备的完好和任务的成功；

在该盐雾试验中，本发明的方法将试验条件严格控制在一个应力水平上，可认为是恒定应力加速寿命试验；本发明的方法以盐雾的沉降量为加速应力水平，从加速寿命试验的角度对电路板使用寿命进行验证。

附图说明

图1为本发明的基于盐雾试验的印制电路板使用寿命验证方法流程图。

图2为本发明实施例提供的盐雾试验样品摆放示意图。

图3为本发明实施例提供的温度对盐雾腐蚀速率的影响图。

图4为本发明实施例提供的NaCl浓度对盐雾腐蚀速率的影响图。

图5为本发明实施例提供的盐雾沉降量对盐雾腐蚀速率的影响图。

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，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示为本发明的基于盐雾试验的印制电路板使用寿命验证方法流程图，包括如下步骤：

A：参照电子元器件的失效率试验并根据试验具体要求确定盐雾试验样本数。

首先假设海上武器装备印制电路板服从指数分布，其失效分布函数为

F(t)＝1-e^-λt               (1)

其可靠度为

R(t)＝e^-λt              (2)

式中，λ为产品失效率，其倒数为产品平均寿命θ＝1/λ。

在时间t时，已失效产品数目为r的概率为

$\left(\begin{array}{c}n\\ r\end{array}\right){\left[F\left(t\right)\right]}^r{\left[R\left(t\right)\right]}^{n-r}---\left(3\right)$

由于该印制电路板的失效率较低，则有R(t)＝e^-λt≈1-λt，F(t)＝1-R(t)≈λt。同时，由于r一般较小，则实际试验总时间T_test≈nt，n为试验样品数，t为每个试样试验时间。若是加速寿命试验，将实际试验时间换算成正常条件下的试验时间T_normal，有T_normal＝ηT_test＝ηnt，其中η为加速系数，T_test为实际试验时间，n为试验样品数。

由于二项概率可用泊松概率近似，得到产品被接受的概率为

$\underset{r=0}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}n\\ r\end{array}\right){\left[F\left(t\right)\right]}^r{\left[R\left(t\right)\right]}^{n-r}\≈\underset{r=0}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-\mathrm{\λt}}\frac{{\left(\mathrm{\λ}{T}_{\mathrm{test}}\right)}^r}{r!}=\mathrm{\β}---\left(4\right)$

式中，1-β为工程实际要求的置信度。

在实际使用时，将上式改写成卡方分布

$T_{\mathrm{test}}=\frac{1}{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{\β}}^2\left[2(f+1)\right]---\left(5\right)$

设定失效率λ及置信度1-β，再取定允许最大失效数目f＝0，1，2，……，即可求得相应T_test值，进而确定试验的样品数目n。

例如，根据海上武器装备现场数据，假设印制电路板的寿命服从指数分布，且其失效率λ约为0.002。由于印制电路板作为军用产品，可靠性要求较高。因此选取印制电路板的允许最大失效数目f为3是合适的。在置信度为85％时进行估算，此时β＝0.150，在x²表中采用线性插值法求得的值为12.3143，由此计算得T_test＝3079小时。另，根据霉菌试验确定的试验截尾时间t_truncated为672小时，同时对于盐雾试验而言，海洋中盐雾等级的保守估计为严酷，其沉降量为8～90[mg/(m²·d)]。在盐雾试验中，要求的沉降量为1～2[ml/(80cm²·h)]，氯化钠溶液浓度为5％，将两者换算成同一单位后，得知实验室盐雾沉降量是自然环境下的一千倍。另外由于温度等试验条件同样具备加速样品失效的试验效果，因此若单个盐雾试验周期为96小时，则其换算到自然环境下的试验时间将远远超过由霉菌试验确定的试验截尾时间672小时。因此，以672小时为试验时间估算出的最小试验样品数目同样满足盐雾试验的试验要求，得所以，印制电路板试验样品选取5件满足试验要求。

B：根据步骤1得到的盐雾试验样本数5进行编号，如下：1#、2#、3#、4#、5#。对样品技术状态进行初鉴定。依据GJB150.11A-2009《军用装备实验室环境试验方法第11部分：盐雾试验》制定试验条件如下：

温度：35℃±2℃；

盐溶液浓度：5％±1％；

PH值：6.5-7.2；

盐雾沉降率：1.3ml/(80cm²·h)；

试验周期T′：96小时，其中一个循环为喷雾24小时/停喷24小时，共计两个循环。

制定合格判据为：试验结束后，对电气和物理性能进行测试，可实现完整功能即为合格。

参照步骤B制定的实验条件与合格判据，制备合格盐溶液，并进行实验设备预处理与调节。试验用设备见表1。

表1试验用设备详细信息

设备名称	型号	产品编号	校核有效期(出厂日期)
				盐雾试验箱	YWX/Q-010	YSL13-450	2013.07.28

YWX/Q-010盐雾试验箱实验前经过试运行，一切正常，符合样本试验条件要求；主箱体及饱和桶供水正常，温度达到试验要求。

C：选取部分编号印制电路板进行三防漆的预处理，将试验样本进行放置，如图2所示，设定盐雾试验箱工作96小时，间断喷雾24小时和停喷24小时的试验条件，设定试验箱工作温度35℃，饱和桶温度47℃，正式开始试验。

D：步骤C完成后，取出样本通过观察外观进行定性判断。未涂有防护层的样本有轻微腐蚀，涂有防护层的样本基本并未遭遇盐雾腐蚀。

处理洁净后恢复到正常条件水平下，对样品的电性能进行测试，测试结果显示，所有样本功能完备，达到使用条件，所有受试样本均通过本次试验性能测试。

选取Arrhenius模型与物理学分析分别通过基于加速寿命试验与基于电路板性能退化的估计方法对印制电路板的使用寿命进行估计。

在本试验中，对结果影响比较显著的加速变量主要有温度a、溶液浓度b和盐雾沉降量c。并且这三种因素之间相互独立，互不影响，因此提出一种在盐雾试验中基于数据换算的加速系数的计算方法：

η＝a·b·c             (6)

式中，η表示加速系数，a表示温度因子，b表示盐溶液浓度因子，c表示盐雾沉降量因子。

基于现场数据和盐雾加速寿命数据分析，绘制了温度、盐溶液浓度及盐雾沉降量等三个环境因子与试验样品腐蚀面积间的变化曲线，如图3至图5所示，下面是详细的给出依据及步骤。而环境因子的计算可以通过式(7)所示进行计算。

$e=\frac{{\mathrm{\ξ}}_1}{{\mathrm{\ξ}}_0}---\left(7\right)$

式中，e表示环境因子，ξ₁表示加速实验条件下寿命值，ξ₀表示正常使用条件下寿命值。

参考现有研究中对于中性盐雾试验中温度对于腐蚀面积影响的研究结果，并根据Arrhenius模型推导相关的环境加速因子，其表达式如下：

$a=\frac{{\mathrm{Ae}}^{-{E/\mathrm{KT}}_1}}{{\mathrm{Ae}}^{-E{/\mathrm{KT}}_0}}---\left(8\right)$

式中，E为激活能，与材料有关，单位是电子伏特；K为玻耳兹曼常数，取值为8.617×10^-5eV/℃(E/K称为激活温度)；T₁为加速试验环境绝对温度值与T₀为正常环境绝对温度值(绝对温度值等于摄氏温度加273)。

印制电路板在自然环境下的环境温度约为25℃，实际加速寿命试验温度为35℃，此材料的激活能约为0.53eV，根据式(8)计算得加速因子如下所示。

$a=\exp \left(\frac{0.53}{8.6717\×{10}^{-5}}(\frac{1}{273+25}-\frac{1}{273+35})\right)=1.9545$

计算所得加速因子与图3所示35℃条件下腐蚀面积约为正常温度下的两倍相吻合，为了计算方便取a为2。

针对到目前尚无合适的模型或方法用于获取盐溶液浓度因子b与盐雾沉降量因子c，本专利提出了如下评估方法，并结合实验数据进行了拟合。图4所示为NaCl浓度对盐雾腐蚀速率的影响图，根据现有试验结果，盐浓度与腐蚀面积的对应关系符合高斯分布特性，对其进行高斯分布拟合，进而求得相对应的加速试验模型，其表达式如下所示。

${\mathrm{\ξ}}_b=0.5291*\exp (-{\left(\frac{x-5.295}{3.19}\right)}^2)---\left(9\right)$

已知海水的氯化钠浓度约为1％-4％，取平均值2.5％来计算。参考图4中的试验结果，本次盐雾试验中所用NaCl溶液浓度为5％。根据式(7)与式(9)确定盐溶液浓度加速因子如下所示：

$b=\frac{0.5291*\exp (-{\left(\frac{5-5.295}{3.19}\right)}^2)}{0.5291*\exp (-{\left(\frac{2.5-5.295}{3.19}\right)}^2)}=2.1364$

计算所得加速因子与图4所示5％盐溶液浓度下腐蚀面积约为2.5％的盐溶液浓度两倍相吻合，为计算方便，取b为2。

图5所示为盐雾沉降量对盐雾腐蚀速率的影响图，根据现有试验结果，盐雾沉降量与腐蚀面积的对应关系经过数据拟合如式(10)所示，

ξ_c＝0.0589·x²+0.1956·x               (10)

本次实验室测得的盐雾沉降量为1.3[mg/(80cm²·h)]，参考相关专家的实践经验，同时考虑盐雾试验为四天不间断进行，因此对加速试验的盐雾沉降量进行除以4的处理，得0.325[mg/(80cm²·h)]；在前面已经介绍了海洋环境的盐雾沉降量最高的情况约为

$90[\mathrm{mg}/(m^2\·d)]=\frac{90\mathrm{mg}}{2.5g/100\mathrm{ml}}/(10000{\mathrm{cm}}^2\·24h)=1.2\×{10}^{-3}[\mathrm{mg}/({80\mathrm{cm}}^2\·h)]$

根据式(7)与式(10)确定盐雾沉降量加速因子如下所示。

$c=\frac{{0.0589*0.325}^2+0.1956*0.325}{0.0589*{(1.2\×{10}^{-3})}^2+0.1956*1.2\×{10}^{-3}}=297.1$

为了计算方便，取c为300。

将上述各个加速变量因子计算结果代入式(15)中，即可求得盐雾试验的环境因子为：

η＝a·b·c＝2×2×300＝1200

即折合至自然使用环境下的贮存时间为：

T₀＝1200×96h＝115200h≈13.15年

通过对印制电路板的电阻进行测量，其结果如表2所示。对比分析电路板不同端口电阻变化，用电阻变化的百分比表征其性能的退化程度，其结果如表3和表4中所示。

表2某印制电路板盐雾试验通电前后绝缘电阻检查(单位：KΩ)

表3某印制电路板A端口电阻变化和退化量(单位：KΩ)

表4某印制电路板B端口电阻变化和退化量(单位：KΩ)

通过对样品进行涂三防漆和不涂三防漆的处理，确定电性能测试接口的选取。由表3和表4可知，所有样本的性能退化量均在一个很小的范围内，其中编号3#试件的退化量最大且为S22＝6.27％，编号5#试件的退化量最小且为S22＝0.05％以及与明显与编号5#试件十分接近的编号为1#试件所对应的S22＝0.06％与其他数据的差距过大。由此推断出电路板A端口电阻变化和退化量相对比电路板B端口电阻变化和退化量更具有稳定性和较好的代表性。因此选取电路板A端口电阻变化和退化量作为性能退化量的一个代表性指标，结合上一小节中的不同环境下试验时间折合的结果，可对印制电路板的服役年限进行估算。

对于电路板A端口电阻变化和退化量，对比五个试验样品在实验前后的退化百分比，得知编号为1#试件的退化量最大。该样品是未涂三防漆样品，其性能退化量大符合其本身的抗腐蚀性能在理论上低于其他样品的实际情况。

对于表3中的五个退化量S12，去掉其中明显与其它差距最大的涂有三防漆的编号5#试件的0.17％，其他四个取平均值为＝1.77％。由于在本次试验中所有样本均未失效，因此设定其失效阀值为大于2.58％的值，即z>2.58％。一般对于电子产品的退化实验来说，经验上设置退化量的失效阀值为10％或5％，此处为使估算结果更加保守可靠，设其退化量达到4％时产品失效，即电路板A端口电阻变化和退化量的失效阀值为4％。则可计算出其实际上的服役达到失效退化时间的年限为：

在实际使用中，印制电路板的使用频率很低，并且每次使用只有几分钟的时间。以年为计算单位，则其使用频率约为每年几十个小时。在上一阶段工作中已经对印制电路板的MTBF进行了估算，在这样的使用频率下，在29.717年内可达到印制电路板的使用时间要求。综上所述，该印制电路板满足使用寿命要求。

本发明的一种基于盐雾环境试验的印制电路板使用寿命评估方法，首先，通过将该印制电路板的失效模式与工作环境进行相关联，建立了基于盐雾试验的加速寿命预测模型，通过试验数据与加速寿命预测模型相结合的方法，有效地预测了该印制电路板在盐雾环境服役条件下的服役寿命；克服了传统可靠性分析方法在分析小样本，失效机理复杂系统时无法精确建模的问题。其次，在装置的研制阶段，通过开展加速寿命试验，缩短试验时间，提高海上武器装备使用寿命验证水平，让使用中可能出现的问题在服役前得到充分暴露和解决，从而制定科学合理的维修决策，以节省维修费用，并保障战备的完好和任务的成功。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于盐雾试验的印制电路板使用寿命评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

A：确定盐雾试验样本数n；

B：对盐雾试验样本数n进行编号，并制定试验条件与合格判据；

C：随机选取部分编号样本进行三防漆的预处理，剩余部分编号样本不进行任何处理，然后对全部样本进行试验；

D：取出样本进行初步的腐蚀形貌判断，以判定样品是否已直接失效，清洗样品表面至正常水平之后测定样本的电性能；选取Arrhenius模型分别通过基于加速寿命试验与基于样本性能退化的估计方法对印制电路板的使用寿命进行估计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速寿命试验具体包括以下步骤：

D1：确定试验环境因子得到加速系数η；所述环境因子包括：温度因子a，盐溶液浓度因子b，盐雾沉降量因子c；根据以下公式计算所述加速系数η；

η＝a·b·c；

D2：根据现有研究中盐雾试验的加速变量对试验速率影响的成果，以及Arrhenius模型对温度因子a进行估算；根据实验数据对盐溶液浓度因子b以及盐雾沉降量因子c进行拟合，得到盐溶液浓度因子b以及盐雾沉降量因子c加速试验模型，根据得到的加速试验模型计算得到盐溶液浓度因子b以及盐雾沉降量因子c的值；根据得到的温度因子a，盐溶液浓度因子b，盐雾沉降量因子c计算加速系数η；

D3：根据步骤D2获得的加速系数η，求得自然使用环境下的贮存时间T，T＝η·T′；

其中，T′表示试验周期。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过基于电路板性能退化的估计方法对印制电路板的使用寿命进行估计，具体包括：通过对印制电路板的电阻进行测量，根据测量得到的样本的不同端口电阻变化，对比分析n个样本的电阻变化率，求出变化率平均值并根据电子产品退化量失效阈值z、自然使用环境下的贮存时间T₀与变化率平均值S，求出实际服役中达到失效退化的使用年限T₁，

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B制定的试验条件如下：

所述步骤B制定的试验条件如下：

温度：35℃±2℃；

盐溶液浓度：5％±1％；

PH值：6.5-7.2；

盐雾沉降率：1.3ml/(80cm²·h)；

试验周期T′：96小时，其中一个循环为喷雾24小时/停喷24小时，共计两个循环。