CN105954667A - 一种基于加速退化试验的pcb绝缘寿命快速预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法及系统，所述预测方法包括如下步骤：步骤S1，对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；步骤S2，拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；步骤S3，构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；步骤S4，构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。本发明通过构建加速模型解决了在有限时间内快速预测PCB绝缘寿命的问题，尤其适用于PCB可靠性技术领域。

Description

一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法及系统

技术领域

本发明涉及PCB绝缘寿命技术领域，尤其涉及一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法及系统。

背景技术

印刷电路板(Printed Circuit Boards，简称PCB)作为电子设备的基础元件，巧妙地实现了电路导通和基板绝缘的结合，在计算机、数控、电子仪器等领域中应用广泛，地位至关重要。其中，绝缘可靠性是PCB两大可靠性之一，其可靠性水平成为影响电子设备完成既定任务的重要因素。PCB的绝缘特性首先与基材类型相关，FR-4环氧玻璃布覆铜板，因其具有良好的机械性能和介电性能，较好的耐热性，成本适中等特点，在实际工程中应用广泛。但是环氧预浸料覆铜板具有较强的吸水性，而且所使用的半固化片具有较高的湿度敏感性，同时金属铜对电化学迁移(Electrochemical Migration，简称ECM)也是十分敏感的，因此在高温高湿偏置电压(Temperature,Humidity and Bias,简称THB)作用下PCB发生绝缘失效的概率也较高，这对PCB的绝缘可靠性提出了挑战。

PCB在贮存或使用过程中的失效，最具代表性的是由绝缘性能下降引起的漏电或短路故障。其中，高温、高湿及偏压环境下的电化学迁移(ECM)是PCB绝缘性能发生劣化甚至导致短路故障发生的主要原因。ECM的定义根据《IPC-9201Surface InsulationResistance Handbook》中的描述“当PCB在高温、高湿的恶劣环境中，其相邻导体间又有偏压的情况下，逐渐发生的金属离子迁移，并在板面析出金属或其氧化物，该过程称为ECM，析出物质一般呈树枝状而被称为枝晶。”国内外研究表明，在不同电场力作用下，枝晶生长速率是随着其加载的偏置电压的变化而变化的，在高电压作用下，枝晶生长速率较快，反之较慢。随着电路高度集成化的发展，PCB层数不断增加，线宽和线距都趋于细化，因此PCB工作在高温、高湿的环境中发生ECM的概率进一步提高。这是由于在环境湿度较大地区的空气水分为金属离子溶解和沉淀提供了溶液媒介，PCB在高速负载操作下运行温度不断上升从而加深了化学反应程度，而这种湿热的环境为离子迁移提供了通道，同时，PCB上的导电电路本身处于带电状态，为ECM的形成提供了电势差，使离子迁移和枝晶生长获得了动力，枝晶的形成最终导致PCB导线间或者孔间绝缘性能降低，严重时引起线路间的短路，甚至烧毁元器件，这对PCB的绝缘可靠性提出了挑战。

目前工程中常用的可靠性预测与评估都是基于失效时间(寿命)数据的，然而，在很多情况下产品的实际失效并不是突发失效，而是性能随时间发生退化，也可以说，产品的失效是由于性能退化导致的，这类失效称为退化失效。在产品性能退化过程中，通常会对关键特征(即该特征失效会引发产品甚至系统灾难性失效)退化进行监测，当退化量随着时间的累积发展并达到一定失效临界值(通常称为失效标准或失效阀值)时，产品就会发生故障失效。这种通过产品性能指标退化量来估计产品可靠性的试验，称为退化试验。退化试验可以在正常工作条件或加速条件下进行，后者称为加速退化试验(Accelerated DegradationTest，简称ADT)。加速退化试验是在保证产品失效机理不变的前提下提高某些应力水平，使产品性能加速退化，并通过分析高应力水平下的退化数据来估计产品可靠性的试验方法。

由于PCB属于高可靠性、长寿命产品，在可靠性寿命试验过程中会出现极少失效甚至零失效的现象，这给可靠性评估与预测带来了困难。考虑到产品的性能退化数据包含了大量可靠性信息，本发明通过分析在不同环境下的性能退化数据以达到预测PCB正常工作状态下绝缘寿命的目的，在节省试验时间和试验费用的前提下，实现对PCB的绝缘可靠性快速预测。

现有测评技术中，在对长寿命产品进行可靠性评估时，需要大量的试验时间去收集失效数据，进而提高了预测成本，甚至一些高可靠产品在一定试验时间内无数据失效或极少数据失效，因而无法准确地对其可靠性进行评估。基于加速退化试验技术，可以根据产品的性能退化量随时间的变化规律来对产品的可靠性进行评估，因此，这是解决高可靠、长寿命产品可靠性评估问题的良好途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，包括如下步骤：

步骤S1，对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；

步骤S2，拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；

步骤S3，构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；

步骤S4，构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。

本发明的有益效果是：通过采用执行高温高湿条件下的偏压应力退化试验，拟合性能退化轨迹模型、构建偏压应力加速模型以及建立温度和湿度应力与失效寿命的关系函数等技术手段，能够解决现有技术中在有限时间内快速预测PCB绝缘寿命的技术问题。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进

进一步地，步骤S1的具体实现为：

步骤S11，将多块PCB放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱的温度设定为T，湿度设定为RH；

步骤S12，将多块PCB分为S组，S≥4，每组包括n_i块PCB，n_i≥3，i表示第i组,且i＝1,2,…,S，将块数为n₁，n₂，…，n_S的PCB分别放在偏压应力水平为V₁，V₂，…，V_S下进行恒加退化试验；

步骤S13，每隔一段时间，测量并记录各PCB的表面绝缘电阻值。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过提高环境温度和湿度应力，实施加速偏压应力性能退化试验，可以快速得到PCB绝缘退化轨迹特性，同时可以更真实地描述工作环境因素对PCB绝缘失效的影响，加速绝缘预测过程，有效节约试验时间和成本。

进一步地，步骤S2的具体实现为：

将所述性能退化轨迹模型中PCB的表面绝缘电阻值下降到预设失效临界值时对应的寿命作为PCB的伪失效寿命。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用性能退化数据分析技术，可以在PCB绝缘寿命预测中失效数据不足甚至零失效的情况下，也能方便地执行绝缘寿命预测，克服现有技术中缺乏失效寿命数据的问题。

进一步地，步骤S3的具体实现为：

步骤S31，构建绝缘寿命分布模型为式中，i＝1,2,…,S，t表示绝缘寿命，η_i表示特征寿命，m_i表示形状参数，F(t)表示以t为变量的函数；

在所述绝缘寿命分布模型中,将伪失效寿命当作绝缘寿命，采用最好线性不变估计方法计算得到特征寿命η_i和形状参数m_i；

步骤S32，构建偏压应力加速模型为：

式中，a，b表示待估参数，V_i表示偏压应力；

根据步骤S31中计算得到的特征寿命η_i,计算得出待估参数a和b；

步骤S33，利用构建的绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，计算PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命。

采用上述进一步方案的有益效果是：构建出绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，把伪失效寿命当做绝缘寿命，计算得到模型的待估参数，进而计算出高温高湿条件下不同偏压应力下的绝缘寿命。

进一步地，步骤S4的具体实现为：

步骤S41，构建绝缘寿命、温度和湿度的关系模型为：

$t=m\×{\left(RH\right)}^n\×\exp \left(\frac{E_a}{kT}\right)$

式中，t表示绝缘寿命,RH表示湿度，T表示温度，Ea表示激活能，k表示玻尔兹曼常数，m，n表示待估参数；

步骤S42，根据高温高湿条件下的绝缘寿命，计算得出室温条件下的绝缘寿命。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用构建温度、湿度应力和绝缘寿命的关系模型，把高温高湿条件下的绝缘寿命外推到室温时的绝缘寿命，能够解决现有技术中在有限的试验时间内快速预测PCB绝缘寿命的问题。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统，包括表面绝缘电阻值采集模块、性能退化轨迹建模模块、偏压应力建模模块和绝缘寿命预测模块；

所述表面绝缘电阻值采集模块，用于对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；

所述性能退化轨迹建模模块，用于拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；

所述偏压应力建模模块，用于构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；

所述绝缘寿命计算模块，用于构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。

本发明的有益效果是：通过采用执行高温高湿条件下的偏压应力退化试验，拟合性能退化轨迹模型、构建偏压应力加速模型以及建立温度和湿度应力与失效寿命的关系函数等技术手段，能够解决现有技术中在有限时间内快速预测PCB绝缘寿命的技术问题。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进

进一步地，所述表面绝缘电阻值采集模块包括：

试验条件设定单元，用于将多块PCB放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱的温度设定为T，湿度设定为RH；

退化试验单元，用于将多块PCB分为S组，S≥4，每组包括n_i块PCB，n_i≥3，i表示第i组,且i＝1,2,…,S，将块数为n₁，n₂，…，n_S的PCB分别放在偏压应力水平为V₁，V₂，…，V_S下进行恒加退化试验；

采集单元，用于每隔一段时间，测量并记录各PCB的表面绝缘电阻值。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过提高环境温度和湿度应力，实施加速偏压应力性能退化试验，可以快速得到PCB绝缘退化轨迹特性，同时可以更真实地描述工作环境因素对PCB绝缘失效的影响，加速绝缘预测过程，有效节约试验时间和成本。

进一步地，所述性能退化轨迹建模模块的具体实现为：

将所述性能退化轨迹模型中PCB的表面绝缘电阻值下降到预设失效临界值时对应的寿命作为PCB的伪失效寿命。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用性能退化数据分析技术，可以在PCB绝缘寿命预测中失效数据不足甚至零失效的情况下，也能方便地执行绝缘寿命预测，克服现有技术中缺乏失效寿命数据的问题。

进一步地，所述偏压应力建模模块包括：

失效寿命分布建模单元，用于构建PCB绝缘寿命分布模型为式中，i＝1,2,…,S，t表示绝缘寿命，η_i表示特征寿命，m_i表示形状参数，F(t)表示以t为变量的函数；

在所述绝缘寿命分布模型中,将伪失效寿命当作绝缘寿命，采用最好线性不变估计方法计算得到特征寿命η_i和形状参数m_i；

偏压应力加速模型构建单元，用于构建偏压应力加速模型为：

式中，a，b表示待估参数，V_i表示偏压应力；

根据所述失效寿命分布建模单元中计算得到的特征寿命η_i,计算得出待估参数a和b；

高温高湿条件下绝缘寿命计算单元，用于利用构建的绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，计算PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命。

采用上述进一步方案的有益效果是：构建出绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，把伪失效寿命当做绝缘寿命，计算得到模型的待估参数，进而计算出高温高湿条件下不同偏压应力下的绝缘寿命。

进一步地，所述绝缘寿命预测模块包括：

绝缘寿命模型构建单元，用于构建绝缘寿命、温度和湿度的关系模型为：

$t=m\×{\left(RH\right)}^n\×\exp \left(\frac{E_a}{kT}\right)$

式中，t表示绝缘寿命,RH表示湿度，T表示温度，Ea表示激活能，k表示玻尔兹曼常数，m，n表示待估参数；

室温绝缘寿命计算单元，用于根据高温高湿条件下的绝缘寿命，计算得出室温条件下的绝缘寿命。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用构建温度、湿度应力和绝缘寿命的关系模型，把高温高湿条件下的绝缘寿命外推到室温时的绝缘寿命，能够解决现有技术中在有限的试验时间内快速预测PCB绝缘寿命的问题。

附图说明

图1为本发明所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法的流程图；

图2为本发明所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统的结构图；

图3为本发明所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法的显示采集的PCB加速退化数据的结构图；

图4为本发明所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法的不同偏压应力水平下PCB的绝缘电阻退化轨迹示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

下面是本发明中涉及到的名词解释和试验前提条件。

性能退化是指产品在其内部机理与外界环境的综合作用下，性能随时间延长呈一定规律变化的一种复杂的物理/化学过程。当这种变化达到失效临界值时，就会导致产品发生失效。对于一些性能退化过程非常缓慢的长寿命产品，一般采用加速退化试验方法来获取性能退化数据。即在保证产品失效机理不变的前提下提高某些应力水平，使产品性能加速退化。

为保证加速退化试验能正常进行，首先需要保证试验具有加速性。加速退化试验通常是在下面3个基本假定下进行的：

假定1：在各加速应力水平及正常应力水平下，产品失效机理保持不变；

假定2：在各应力水平下产品存在有规律的加速过程；

假定3：在各应力水平下，产品的退化过程服从同族随机过程，即应力水平变化时，产品退化过程保持不变，改变的只是过程参数。

图1为本发明所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法的流程图。

如图1所示，一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，包括如下步骤：

步骤S1，对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；

在本发明的具体实施例中，所述PCB可以为FR-4环氧玻璃布覆铜板，为加速试验进程，试验环境设定为高于正常工作应力水平，在本发明中，将多块PCB放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱的温度设定为T，湿度设定为RH，其中30℃≤T≤100℃，65％≤RH≤100％；将多块PCB分为S组，S≥4，每组包括n_i块PCB，n_i≥3，i表示第i组,且i＝1,2,…,S，将块数为n₁，n₂，…，n_S的PCB分别放在偏压应力水平为V₁，V₂，…，V_S下进行恒加退化试验；

在该试验中，性能退化特性参数的选取必须具备两个条件：一是有准确定义而且能够进行监测；二是随着试验时间的延长，有明显的趋势性变化，能客观反映PCB的工作状态。通过查阅国内外相关PCB的性能规范与测试方法得到，PCB绝缘性能的评价基本是通过表面绝缘电阻值来表征，且表面绝缘电阻值可以很好地满足性能退化特性参数具备的两个条件，故本发明选取表面绝缘电阻值作为退化特征参数。在性能退化试验中，对PCB的性能退化数据进行连续监测是比较困难的，因此一般采取定时测量的方法。假设k组样本分别在t₁，t₂，…，t_r时刻测量性能退化数据，共测r次，数据记录如图3所示。图3为本发明所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法的显示采集的PCB加速退化数据的结构图，图3中，为应力水平V_k下的第nk个样本在时刻t_r的性能退化数据。一般情况下，同一应力水平下的测试时间相同，但不要求不同应力水平下的测试次数与时间一致，也不要求各应力水平下的试验样本数目相同；每隔一段时间，测量并记录各PCB的表面绝缘电阻值。

步骤S2，拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；

在本发明的具体实施例中，步骤S2的具体实现为：将所述性能退化轨迹模型中PCB的表面绝缘电阻值下降到预设失效临界值时对应的寿命作为PCB的伪失效寿命。失效临界值依据国际标准IPC-TM-650或者J-STD-004来确定。在本发明中，规定PCB的绝缘失效临界值为100MΩ。

在本发明的具体实施例中，通过分析表面绝缘电阻值，建立性能退化轨迹模型，如图4，为本发明所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法的不同偏压应力水平下PCB的绝缘电阻退化轨迹示意图。性能退化轨迹是指PCB性能失效特征量随时间变化的曲线，目前最常见的有线性模型、指数模型、幂模型、自然对数模型等，需要根据采集的性能退化数据进行拟合，选择适应的性能退化轨迹模型，并利用有效的数据统计方法，计算退化轨迹模型参数。在本发明中，在线性化处理PCB性能退化模型后，采用最小二乘法进行参数辨识，对于退化特征不明显的PCB，退化轨迹需要用回归分析等方法进行统计描述,再根据性能退化轨迹模型和失效临界值，外推求出PCB的伪失效寿命。

步骤S3，构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；

在本发明的具体实施例中，利用伪失效寿命对PCB的寿命分布模型进行参数估计。高可靠、长寿命PCB的失效寿命一般服从Weibull分布、正态分布或对数正态分布。从功能角度来说，PCB的绝缘失效是一个最小极值问题，因此，本发明假定PCB寿命分布服从We i bul l分布。构建绝缘寿命分布模型为式中，i＝1,2,…,S，t表示绝缘寿命，η_i表示特征寿命，m_i表示形状参数，F(t)表示以t为变量的函数；

在所述绝缘寿命分布模型中,将伪失效寿命当作绝缘寿命，采用最好线性不变估计方法计算得到特征寿命η_i和形状参数m_i；

在本发明的具体实施例中，根据PCB失效机理分析和逆幂律模型，建立绝缘寿命与偏压应力水平关系的加速模型t＝1/(dV^c)＝AV^-c,式中，t表示绝缘寿命，A、d、c表示待定常数，V表示偏压；

当产品退化失效机理不变时，We i bu l l分布的形状参数m_i为与时间和应力无关的常量，特征寿命η_i为与应力有关的时变参量，因此，当加速应力为偏置电压时，根据t＝1/(dV^c)＝AV^-c构建偏压应力加速模型为：

式中，a，b表示待估参数，且a＝lnA，b＝-c；V_i表示偏压应力；

在所述偏压应力加速模型中，根据计算得到的不同偏压应力水平下的特征寿命η_i,利用加权最小二乘法和Gauss-Markov定理，计算得出待估参数a和b；

在本发明的具体实施例中，利用构建的绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，计算PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命。

步骤S4，构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。

在本发明的具体实施例中，步骤S4的具体实现为：

步骤S41，构建绝缘寿命、温度和湿度的关系模型为：

$t=m\×{\left(RH\right)}^n\×\exp \left(\frac{E_a}{kT}\right)$

式中，t表示绝缘寿命,RH表示湿度，T表示温度，Ea表示激活能，k表示玻尔兹曼常数，m，n表示待估参数；

步骤S42，根据高温高湿条件下的绝缘寿命，计算得出室温条件下的绝缘寿命。

图2为本发明所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统的结构图。

如图2所示，一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统，包括表面绝缘电阻值采集模块、性能退化轨迹建模模块、偏压应力建模模块和绝缘寿命预测模块；

所述表面绝缘电阻值采集模块，用于对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；

在本发明的具体实施例中，所述表面绝缘电阻值采集模块包括：

试验条件设定单元，用于将多块PCB放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱的温度设定为T，湿度设定为RH；

退化试验单元，用于将多块PCB分为S组，S≥4，每组包括n_i块PCB，n_i≥3，i表示第i组,且i＝1,2,…,S，将块数为n₁，n₂，…，n_S的PCB分别放在偏压应力水平为V₁，V₂，…，V_S下进行恒加退化试验；

采集单元，用于每隔一段时间，测量并记录各PCB的表面绝缘电阻值。

所述性能退化轨迹建模模块，用于拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；

在本发明的具体实施例中，所述性能退化轨迹建模模块的具体实现为：

将所述性能退化轨迹模型中PCB的表面绝缘电阻值下降到预设失效临界值时对应的寿命作为PCB的伪失效寿命。

所述偏压应力建模模块，用于构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；

在本发明的具体实施例中，偏压应力建模模块包括：

失效寿命分布建模单元，用于构建PCB绝缘寿命分布模型为式中，i＝1,2,…,S，t表示绝缘寿命，η_i表示特征寿命，m_i表示形状参数，F(t)表示以t为变量的函数；

在所述绝缘寿命分布模型中,将伪失效寿命当作绝缘寿命，采用最好线性不变估计方法计算得到特征寿命η_i和形状参数m_i；

偏压应力加速模型构建单元，用于构建偏压应力加速模型为：

式中，a，b表示待估参数，V_i表示偏压应力；

根据所述失效寿命分布建模单元中计算得到的特征寿命η_i,利用加权最小二乘法和Gauss-Markov定理，计算得出待估参数a和b；

高温高湿条件下绝缘寿命计算单元，用于利用构建的绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，计算PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命。

所述绝缘寿命计算模块，用于构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。

在本发明的具体实施例中，所述绝缘寿命预测模块包括：

绝缘寿命模型构建单元，用于构建绝缘寿命、温度和湿度的关系模型为：

$t=m\×{\left(RH\right)}^n\×\exp \left(\frac{E_a}{kT}\right)$

式中，t表示绝缘寿命,RH表示湿度，T表示温度，Ea表示激活能，k表示玻尔兹曼常数，m，n表示待估参数；

室温绝缘寿命计算单元，用于根据高温高湿条件下的绝缘寿命，计算得出室温条件下的绝缘寿命。

以下为一个具体的实施例。

首先，选择FR-4型覆铜板以一定间隔放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱温度设定为85℃，相对湿度设置为85％RH，当设置环境稳定运行后再对试验样板施加电压，电压应力水平分别为12V，24V，220V和380V。一定时间后，测量并记录其不同应力水平下的PCB的表面绝缘电阻，具体如图3所示。结果可见，在不同偏压应力水平下绝缘电阻值(I R)随时间(t)以一定趋势变化，变化趋势明显，在PCB被施加电压150h后，绝缘电阻值随着试验时间的延长，呈现规律性变化，能客观反映PCB的工作状态。

接着，基于采集到的150h后的退化数据，对各偏压应力水平下的PCB进行退化轨迹模型拟合。根据退化数据随时间变化的趋势，通过对绝缘电阻值取对数进行线性化处理，得到绝缘电阻对数化的值随时间的轨迹，可见基本呈线性，因此得到PCB在高温高湿偏压环境下的加速性能退化曲线基本符合线性模型的变化规律，即：y_i(t)＝lnR_i(t)＝α_i+β_i·t，其中，t为试验时间，R_i为绝缘电阻值，α_i、β_i为待计算参数。

接着，通过最小二乘法对每一个样本的退化轨迹模型的参数进行估计。最小二乘法为本领域技术人员所熟知，因此在此不再具体详述，直接列出计算公式如下：

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

由此计算得到各PCB的退化轨迹模型参数如下表，该拟合过程为本领域技术人员所熟知，因此在此不再详述。同时，参考国际标准I PC-TM-650method和J-STD-004，本发明规定PCB的绝缘失效阀值为100MΩ，将其代入到各退化轨迹模型中，外推求出各PCB板的伪失效寿命数据如下表所示：

接着，基于伪失效寿命数据，利用加权最小二乘法和Gauss-Markov定理，计算PCB偏压应力加速模型的待估参数a和b，计算公式如下

$\hat{a}=\frac{GH-IM}{BG-I^2}$

$\hat{b}=\frac{BM-IH}{BG-I^2}$

式中， 其中可查《可靠性试验用表》获得。为了计算式中系数H和M值，先要计算特征寿命lnη_i和形状参数m_i估计值。对于小样本的情况下，一般希望估计量的均方差最小，最好线性无偏估计等方法得到的无偏估计量的均方差不一定是最小的，而最好线性不变估计得到的估计量的均方差小于其他估计的均方差，因此将伪失效寿命数据视为完全寿命数据，对不同应力水平下的Weibull分布参数lnη_i，m_i采用最好线性不变估计方法进行求解，计算结果如下表所示。

接着，根据上表计算得到a和b的估计值为：因此，得到偏压应力加速模型：lnη_i＝7.72-0.36·lnV，即η＝2252.96·V^-0.36。

同时根据《可靠性试验用表》，PCB绝缘寿命分布总体参数m的估计为

$\stackrel{\‾}{m}=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{M}_{r,n}^{-1}{\hat{m}}_i}{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{M}_{r,n}^{-1}}=10.6$

式中数值可按照近似计算公式：其中，可查《可靠性试验用表》获得。

由Weibull分布的平均寿命公式可以计算出PCB的绝缘寿命为

$E\left(T\right)=\mathrm{\η}\·\mathrm{\Γ}(\frac{1}{\stackrel{\‾}{m}}+1)=\mathrm{\η}\·\mathrm{\Γ}\left(1.0943\right)$

式中，Γ(·)为伽马函数。

由于在ECM过程中，当PCB工作在高于65℃温度时，环境湿度对PCB发生ECM的影响微乎其微，因此可以忽略湿度对PCB寿命的影响。据此根据构建的绝缘寿命、温度和湿度的关系模型，近似计算PCB在25℃/45％RH环境下的绝缘寿命为：由此完成对PCB在高温高湿偏压条件下的绝缘寿命快速预测过程。

以偏压应力水平为220V时PCB可靠性评估为例，当V＝220V时，通过偏压应力加速模型可以得到lnη_i＝7.72-0.36×ln220＝5.76，即得到在85℃/85％RH条件下PCB特征寿命η₈₅＝2252.96·220^-0.36＝323.21(h)，接着根据上述公式计算PCB在85℃/85％RH条件下的绝缘寿命具体为：最后外推PCB在25℃/45％RH环境下的绝缘寿命为t₂₅＝exp(1.2·ln3082389.13)＝61187816.75(h)。其他可靠性指标的估计可以类似得到。由此完成对PCB在高温高湿环境下不同偏压应力的绝缘寿命快速预测。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“实施例二”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；

步骤S2，拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；

步骤S3，构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；

步骤S4，构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。

2.根据权利要求1所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，步骤S1的具体实现为：

步骤S11，将多块PCB放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱的温度设定为T，湿度设定为RH；

步骤S12，将多块PCB分为S组，S≥4，每组包括n_i块PCB，n_i≥3，i表示第i组,且i＝1,2,…,S，将块数为n₁，n₂，…，n_S的PCB分别放在偏压应力水平为V₁，V₂，…，V_S下进行恒加退化试验；

步骤S13，每隔一段时间，测量并记录各PCB的表面绝缘电阻值。

3.根据权利要求1所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，步骤S2的具体实现为：

将所述性能退化轨迹模型中PCB的表面绝缘电阻值下降到预设失效临界值时对应的寿命作为PCB的伪失效寿命。

4.根据权利要求2所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，步骤S3的具体实现为：

步骤S31，构建绝缘寿命分布模型为式中，i＝1,2,…,S，t表示绝缘寿命，η_i表示特征寿命，m_i表示形状参数，F(t)表示以t为变量的函数；

在所述绝缘寿命分布模型中,将伪失效寿命当作绝缘寿命，采用最好线性不变估计方法计算得到特征寿命η_i和形状参数m_i；

步骤S32，构建偏压应力加速模型为：

式中，a，b表示待估参数，V_i表示偏压应力；

根据步骤S31中计算得到的特征寿命η_i,计算得出待估参数a和b；

步骤S33，利用构建的绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，计算PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命。

5.根据权利要求1所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，步骤S4的具体实现为：

步骤S41，构建绝缘寿命、温度和湿度的关系模型为：

$t=m\×{\left(RH\right)}^n\×\exp \left(\frac{E_a}{kT}\right)$

式中，t表示绝缘寿命,RH表示湿度，T表示温度，Ea表示激活能，k表示玻尔兹曼常数，m，n表示待估参数；

步骤S42，根据高温高湿条件下的绝缘寿命，计算得出室温条件下的绝缘寿命。

6.一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统，其特征在于，包括表面绝缘电阻值采集模块、性能退化轨迹建模模块、偏压应力建模模块和绝缘寿命预测模块；

所述表面绝缘电阻值采集模块，用于对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；

所述性能退化轨迹建模模块，用于拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；

所述偏压应力建模模块，用于构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；

所述绝缘寿命计算模块，用于构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。

7.根据权利要求6所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统，其特征在于，所述表面绝缘电阻值采集模块包括：

试验条件设定单元，用于将多块PCB放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱的温度设定为T，湿度设定为RH；

退化试验单元，用于将多块PCB分为S组，S≥4，每组包括n_i块PCB，n_i≥3，i表示第i组,且i＝1,2,…,S，将块数为n₁，n₂，…，n_S的PCB分别放在偏压应力水平为V₁，V₂，…，V_S下进行恒加退化试验；

采集单元，用于每隔一段时间，测量并记录各PCB的表面绝缘电阻值。

8.根据权利要求6所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统，其特征在于，所述性能退化轨迹建模模块的具体实现为：

将所述性能退化轨迹模型中PCB的表面绝缘电阻值下降到预设失效临界值时对应的寿命作为PCB的伪失效寿命。

9.根据权利要求7所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统，其特征在于，所述偏压应力建模模块包括：

失效寿命分布建模单元，用于构建PCB绝缘寿命分布模型为式中，i＝1,2,…,S，t表示绝缘寿命，η_i表示特征寿命，m_i表示形状参数，F(t)表示以t为变量的函数；

在所述绝缘寿命分布模型中,将伪失效寿命当作绝缘寿命，采用最好线性不变估计方法计算得到特征寿命η_i和形状参数m_i；

偏压应力加速模型构建单元，用于构建偏压应力加速模型为：

式中，a，b表示待估参数，V_i表示偏压应力；

根据所述失效寿命分布建模单元中计算得到的特征寿命η_i,计算得出待估参数a和b；

高温高湿条件下绝缘寿命计算单元，用于利用构建的绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，计算PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命。

10.根据权利要求6所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统，其特征在于，所述绝缘寿命预测模块包括：

绝缘寿命模型构建单元，用于构建绝缘寿命、温度和湿度的关系模型为：

$t=m\×{\left(RH\right)}^n\×\exp \left(\frac{E_a}{kT}\right)$

式中，t表示绝缘寿命,RH表示湿度，T表示温度，Ea表示激活能，k表示玻尔兹曼常数，m，n表示待估参数；

室温绝缘寿命计算单元，用于根据高温高湿条件下的绝缘寿命，计算得出室温条件下的绝缘寿命。