CN109117577B - 一种脉冲电源系统可靠性预计方法 - Google Patents

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CN109117577B CN201811001135.4A CN201811001135A CN109117577B CN 109117577 B CN109117577 B CN 109117577B CN 201811001135 A CN201811001135 A CN 201811001135A CN 109117577 B CN109117577 B CN 109117577B
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Abstract

本发明公开了一种脉冲电源系统可靠性预计方法，包括以下步骤：S1、统计脉冲电源系统的故障数据，确定电源脉冲系统在寿命周期内经历的任务剖面；S2、确定每个任务剖面对应的环境载荷面，在相应的环境载荷面下选用合适的故障物理模型；S3、根据故障数据和选用的故障物理模型，计算脉冲电源系统的失效率，进而对脉冲电源系统进行可靠性预计。本发明克服了传统可靠性预计方法在分析大型、复杂、动态的电源系统时计算效率低、计算数据误差大以及表述复杂等问题。

Description

一种脉冲电源系统可靠性预计方法
技术领域
本发明属于可靠性预计方法，具体涉及一种脉冲电源系统可靠性预计方法。
背景技术
脉冲电源系统是在神光-Ⅲ主机装置片放能源系统能源组建的基础上，结合用户标准化、模块化、小型化、监控数字化特点研制的能源模块组件，为疝灯负载提供合适的能量脉冲需求。脉冲电源系统其目的在于将五个完全一样的四路能源模块功率合成系统在以物理结构上并联，系统控制上集成的方式集成在一起，为20个疝灯回路负载提供合适的能量脉冲，使它们的形状、幅度和时序保持一致。它的负载回路数为四路，每路由两只疝灯串联组成，具有独立的控制、充放电、泄放、采集和故障保护功能。
为了适应未来装置对能源组件系统的高可靠性要求，通过对脉冲电源系统进行可靠性预计，旨在帮助分析与找出系统设计中的存在的潜在缺陷与薄弱环节，为设计改进和方案权衡提供依据，对脉冲电源系统设计与维修具有重要意义。随着高能脉冲系统高频化、模块化以及数字化的趋势，对脉冲电源系统性能与整体设计的要求不断提高，由于其组成结构复杂，组成元器件众多，导致脉冲电源系统各模块的失效分析以及可靠性预计的难度越来越大。因此，要想设计出高可靠性电源脉冲系统和在脉冲电源系统失效的情况下分析出失效原因，必须有对应更准确、更完善的失效物理模型和系统可靠性分析方法。这对脉冲电源系统可靠性预计提出了严峻的挑战。
脉冲电源系统中，印制板上连接各元器件的焊点数量多，发生故障的概率大，热疲劳失效方面，印制板上元器件工作状态不一致，有时处于低温工作状态，有时处于高温工作状态，温度的循环所产生的热疲劳会引起焊点的失效；振动失效方面，在电源脉冲系统充放电的过程中会使得焊点受到一定的振动影响。除了印制板上焊点的失效分析之外，电路板中金属布线开路或短路会导致分立器件也存在相关的失效，电应力失效方面，由于脉冲电源系统中不存在MOS器件，故只需要分析电迁移失效。
脉冲电源系统的可靠性预计较多，专家评分法单纯根据经验给出笼统的值，具有一定的盲目性，准确程度难以保证，不利于获得较为准确的预计结果，现有的应力分析法所选取的数据过于久远，难以表述复杂的电源脉冲系统环境剖面的影响。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的脉冲电源系统可靠性预计方法解决了现有传统的可靠性预计方法在分析大型、复杂、动态的电源系统时计算效率低、计算数据误差大以及表述复杂的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种脉冲电源系统可靠性预计方法，包括以下步骤：
S1、统计脉冲电源系统的故障数据，确定电源脉冲系统在寿命周期内经历的任务剖面；
S2、确定每个任务剖面对应的环境载荷面，在相应的环境载荷面下选用合适的故障物理模型；
S3、根据故障数据和选用的故障物理模型，计算脉冲电源系统的失效率，进而对脉冲电源系统进行可靠性预计。
进一步地，所述步骤S1中脉冲电源系统的故障数据包括一一对应的潜在故障位置、故障模式、故障机理和工作应力；
所述潜在故障位置包括金属布线和焊点；
其中，金属布线对应的故障模式包括开路、短路和漏电，对应的故障机理为电迁移，对应的工作应力为电应力；
焊点对应的故障模式包括信号断续和开路，故障机理包括热疲劳和振动疲劳，其中，热疲劳对应的工作应力由温度循环产生，振动疲劳对应的工作应力由随机振动产生；
所述步骤S1中的任务剖面为脉冲电源系统充放电过程下电应力作用下的任务剖面。
进一步地，所述步骤S2的环境载荷面包括温度载荷剖面、振动载荷剖面和电应力载荷剖面；
所述温度载荷剖面对应的故障物理模型为Engelmaier模型；
所述振动载荷剖面对应的故障物理模型为Coffin-Mason模型；
所述电应力载荷剖面对应的故障物理模型为Black模型。
进一步地，
所述步骤S3具体为：
S31、对脉冲电源系统中的电路板进行有限元建模并设置边界条件；
S32、根据有限元建模结果和设置的边界条件，分别进行温度循环和随机振动单独加载在电路板上焊点下的疲劳寿命预测；
S33、利用Miner线性累积损伤方法确定所有故障模式的累积损伤模型；
S34、根据线性累积损伤方法进行疲劳寿命预测，计算电路板焊点上的温度循环和随机振动损伤共同作用下的电路板焊点的联合失效率；
S35、确定在温度循环-电应力耦合下，电路板金属布线在电迁移失效作用下的失效时间；
S36、联合电路板焊点联合失效率和电迁移失效时间，得到脉冲电源系统的失效率，进而对脉冲电源系统进行可靠性预计。
进一步地，所述步骤S31中电路板为球栅阵列封装的BGA器件；
所述步骤S31中对电路板进行有限元建模具体为：
对所述BGA器件采用自上而下的直接建模方法，建模的有限元包括铜布线、IC基板、上铜焊板、焊球、下铜焊板和PCB基板，依次定义每个有限元的几何参数、焊点模型与材料参数及焊点材料的线性属性，且采用SLID单元和映射网格划分；
所述步骤S31中设置的边界条件包括：温度循环在318K～378K之间，温度范围为60K，每个温度循环时间为2小时，高温阶段保温充放电总时间80s，低温阶段均室温，循环频率为f＝2圈/小时。
进一步地，所述步骤S32中，
温度循环单独加载在电路板焊点下的疲劳寿命预测过程具体为：
根据设置的边界条件、焊点与电路板的几何参数和线性膨胀系数，采用Engelmaier模型进行疲劳寿命预测；
所述Engelmaier模型为：
Figure BDA0001782996110000041
其中，Nf为温度循环下焊点的疲劳寿命；
ε′f为疲劳韧性系数；
Δγ为剪切应变范围，
Figure BDA0001782996110000042
其中，F为经验修正因子，一般在0.5～1.5范围内取值；LD为元器件的构件长度；h为脉冲电源系统中电路板焊点的高度；Δα为热膨胀系数，Δα＝1.22×10-5；ΔTe为确定剪切力应变范围的因子；
c为温度循环下焊点的疲劳寿命计算的中间参数；c＝-0.442-6×10-4Tm+1.74×10-2ln(1+fth)，其中，Tm为脉冲电源系统工作时的温度循环平均温度；fth为温度循环频率；
随机振动单独加载在电路板焊点下的疲劳寿命预测过程具体为：
根据设置电路板上各焊点在电路板上的位置和所连接焊点的元器件尺寸，设定输入最大功率谱密度、疲劳强度指数和电路板固有一阶频率，结合Coffin-Manson模型进行疲劳寿命预测；
所述Coffin-Manson模型为：
Figure BDA0001782996110000051
其中，Nfvb为随机振动下焊点疲劳寿命；
C为试验标准确定的常数；
x、y为元器件在电路板上的位置坐标；
b为疲劳强度指数，b＝6.4；
Z1、Z2为随机振动下计算焊点疲劳寿命的中间参数；
Figure BDA0001782996110000052
B为与电路板元器件长度方向相平行的电路板边长度，c0为封装情况，L为元器件长度，h0为电路板厚度；
Figure BDA0001782996110000053
PSDmax为输入最大功率谱密度，fn为电路板的一阶固有频率。
进一步地，所述步骤S33中累积损伤模型为：
λ(t)＝λ1(t)+λ2(t)+…+λp(t)
其中，λ(t)为多故障机理下脉冲电源系统各模式的联合失效率；
λp(t)为某一故障机理下脉冲电源系统的失效率；
p为脉冲电源系统中故障模式的个数。
进一步地，
所述步骤S34中的焊点的联合失效率λ焊点(t)为：
λ焊点(t)＝λ温度循环(t)+λ随机振动(t)
λ温度循环(t)为温度循环下焊点的疲劳寿命；
λ随机振动(t)为随机振动下焊点的疲劳寿命；
进一步地，
所述步骤S35具体为：
采用稳态分析法对电路板封装模型进行确定在温度循环-电应力耦合分析，设定其边界条件，结合Black模型对金属布线进行疲劳寿命预测，并根据累积损伤模型得出金属布线失效时间；
所述Black模型为：
Figure BDA0001782996110000061
其中，MTTFEM为温度循环-电应力耦合下金属布线的疲劳寿命；
A为与电路板结构、尺寸、形状、测试条件有关的常数；
j为电流密度；
n为与金属互连材料、电流密度有关的常数；
Ea为电迁移激活能；
K为玻尔兹曼常数；
T为温度；
其中，金属布线的疲劳寿命即为金属布线的失效时间。
进一步地，所述步骤S35脉冲电源系统的失效率λ总(t)为：
λ总(t)＝λ金属布线(t)+λ焊点(t)
λ金属布线(t)为温度循环-电应力耦合下金属布线的失效时间；
λ焊点(t)为温度循环和随机振动损伤共同作用下电路板焊点的联合失效率。
本发明的有益效果为：国内外现有研究现状局限在只考虑热学和力学失效的层面上，没有对热疲劳失效、振动应力失效以及电应力失效机理做深层次的分析，并且没有能够进一步探讨多种失效机理之间失效物理层面上的关系，本发明不单考虑各种失效机理处于相互独立作用于脉冲电源系统的情况，也考虑了诸如电路板焊点的振动应力和温度应力相互耦合而与电路板金属布线的电应力相互独立等复杂情况。本发明克服了传统可靠性预计方法在分析大型、复杂、动态的电源系统时计算效率低、计算数据误差大以及表述复杂等问题。
附图说明
图1为本发明提供的实施例中脉冲电源系统可靠性预计方法流程图。
图2为本发明提供的实施例中脉冲电源系统的功能结构图。
图3为本发明提供的实施例中脉冲电源系统失效率计算方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种脉冲电源系统可靠性预计方法，包括以下步骤：
S1、统计脉冲电源系统的故障数据，确定电源脉冲系统在寿命周期内经历的任务剖面；
如表1所示，上述步骤S1中脉冲电源系统的故障数据包括一一对应的潜在故障位置、故障模式、故障机理和工作应力；确定各个故障模式对应的脉冲系统的模块或单元，进而脉冲电源系统充放电过程下电应力作用下的任务剖面。
表1：脉冲电源系统故障数据统计
Figure BDA0001782996110000081
上述步骤S1中的任务剖面包括顺次连接的脉冲电源系统上电过程任务剖面、充电控制单元充电过程任务剖面和储能单元放电过程任务剖面，且脉冲电源系统的功能结构如图2所示。
S2、确定每个任务剖面对应的环境载荷面，在相应的环境载荷面下选用合适的故障物理模型；
上述步骤S2的环境载荷面包括温度载荷剖面、振动载荷剖面和电应力载荷剖面；
上述温度载荷剖面的特性参数包括各个阶段温度幅值和持续时间、温度变化率。工作环境温度、自身功耗以及散热方式会影响到其温度载荷剖面的参数，在脉冲电源系统中，温度载荷剖面温度幅值与温度变化率主要与工作环境温度有关，其持续时间与系统充放电持续时间有关。热疲劳失效寿命预测模型是基于塑性形变为基础的疲劳寿命预测模型，为了考虑到温度循环中循环频率对疲劳寿命带来的影响，同时兼顾考虑平均温度对研究对象疲劳寿命的影响，可以选用Engelmaier模型；
上述振动载荷剖面的特性参数包括加速度功率谱密度、加速度均方根及其持续时间。应当明确脉冲电源系统中模块或者单元在系统中的位置、安装方式、振动来源以及减振措施等信息来确定振动载荷剖面的特性参数信息。对于脉冲电源系统所经历的振动载荷类型为随机振动，是在电源系统放电过程中发出脉冲从而产生短暂的随机振动。根据脉冲电源系统的特性选取Coffin-Mason模型作为振动疲劳模型，振动载荷主要对集成电路中封装的焊点的影响最大。
上述电应力载荷剖面的特性参数包括金属布线中的电流密度以及漏电流。电迁移是微电子器件中主要的失效机理之一，电迁移会造成金属导线的开路和短路，使器件漏电流增加，金属导线的宽度不断减少，电流密度不断增加，更容易发生电迁移而引起器件的失效。脉冲电源系统中极限电流密度远小于电流密度，则可忽略不计极限电流密度，根据特性采用Black模型。
S3、根据故障数据和选用的故障物理模型，计算脉冲电源系统的失效率，进而对脉冲电源系统进行可靠性预计。
根据脉冲电源系统试验与统计数据，基本上故障是由电路板上的焊点以及金属布线的故障所引起的，电源脉冲系统在充放电过程中由于元器件功耗以及昼夜温差等原因存在温度的变化，导致整个系统处于温度循环，使得电路板上焊点产生裂纹并扩展；同样放电瞬间巨大能量的泄放会导致整个系统产生振动从而导致焊点裂纹的扩展速度加快，通过上述分析，将系统可靠性预计简化为电路板级可靠性预计。
如图3所示，所述步骤S3具体为：
S31、对脉冲电源系统中的电路板进行有限元建模并设置边界条件；
上述步骤S31中电路板为球栅阵列封装的BGA器件；
所述步骤S31中对电路板进行有限元建模方法具体为：
对BGA器件采用自上而下的直接建模方法，建模的有限元包括铜布线、IC基板、上铜焊板、焊球、下铜焊板和PCB基板，依次定义每个有限元的几何参数、焊点模型与特性的材料参数及焊点材料的线性属性，且采用SLID单元和映射网格划分；
上述步骤S31中设置的边界条件包括：温度循环在318K～378K之间，温度范围为60K，每个温度循环时间为2小时，高温阶段保温充放电总时间80s，低温阶段均室温，循环频率为f＝2圈/小时。
S32、根据有限元建模结果和设置的边界条件，分别进行温度循环和随机振动单独加载在电路板上焊点下的疲劳寿命预测；
上述步骤S32中：
温度循环单独加载在电路板焊点下的疲劳寿命预测过程具体为：
根据设置的边界条件、焊点与电路板的几何参数和线性膨胀系数，采用Engelmaier模型进行疲劳寿命预测；
Engelmaier模型中经验修正因子F的确定过程为：在不同电路板上各选取5个焊点来进行实验，根据设置的温度循环频率和升温速度进行仿真实验，根据仿真模拟出的结果计算出各焊点对应的Engelmaier模型的经验修正因子F，取电路板上焊点修正因子的均值；
所述Engelmaier模型为：
Figure BDA0001782996110000101
其中，Nf为温度循环下焊点的疲劳寿命；
ε′f为疲劳韧性系数，且ε'f＝0.325；
Δγ为剪切应变范围，
Figure BDA0001782996110000102
其中，F为经验修正因子，一般在0.5～1.5范围内取值；LD为元器件的构件长度；h为脉冲电源系统中电路板焊点的高度；Δα为热膨胀系数，Δα＝1.22×10-5；ΔTe为确定剪切力应变范围因子；
c为温度循环下焊点的疲劳寿命计算的中间参数；c＝-0.442-6×10-4Tm+1.74×10-2ln(1+fth)，其中，Tm为脉冲电源系统的工作时的温度循环平均温度，
Figure BDA0001782996110000111
Tmax为温度循环的最大温度值，Tmin为温度循环的最小温度值，根据设置的边界条件为295K；fth为温度循环频率；
随机振动单独加载在电路板焊点下的疲劳寿命预测过程具体为：
根据设置电路板上各焊点在电路板上的位置和所连接焊点的元器件尺寸，设定输入最大功率谱密度、疲劳强度指数和电路板固有一阶频率，结合Coffin-Manson模型进行疲劳寿命预测；
Coffin-Manson模型中试验常数C的确定过程为：在不同电路板上各选取5个焊点来进行实验，根据设置的最大功率谱密度以及焊点的疲劳强度指数进行仿真实验，根据仿真模拟出的结果计算出各焊点对应的Coffin-Manson模型的实验常数C，取各电路板上焊点试验常数的均值。
所述Coffin-Manson模型为：
Figure BDA0001782996110000112
其中，Nfvb为随机振动下焊点疲劳寿命；
C为试验标准确定的常数；
x、y为元器件在电路板上的位置坐标；
b为疲劳强度指数，b＝6.4；
Z1、Z2为随机振动下计算焊点疲劳寿命的中间参数；由设置的功率谱密度、最小自然频数和电路板焊点决定；
Figure BDA0001782996110000113
B为与电路板元器件长度方向相平行的电路板边长度(英寸)，c0为封装情况，L为元器件长度(英寸)，h0为电路板厚度(英寸)；
Figure BDA0001782996110000121
PSDmax为输入最大功率谱密度，fn为电路板的一阶固有频率；
S33、利用Miner线性累积损伤方法确定所有故障模式的累积损伤模型；
假设电源系统中存在p种失效模式，记为{1,2,…,p}，产品的失效仅由p个故障模式之一引起的，前提暂不考虑失效修复的情况。用tj (1),tj (2),tj (p)表示单元级下任一元器件可能发生的p个故障模式对应的失效前平均时间，则在多种故障模式共同作用下，可以得到元器件的的最小发生故障时间tj，即tj是所有失效模式潜在发生时间的最小值；
Figure BDA0001782996110000122
其中tj (m)(m 1,2…p)表示失效模式m的潜在失效时间。
因此，可以得到此时的元器件的可靠度函数为：
R(t)＝P(tj≥t)
合并上述两式得到：
R(t)＝p[(tj (1)≥t)∩(tj (2)≥t)∩...(tj (p)≥t)]
在每一个故障机理相互独立的假设下，失效时间可靠度函数可以改写为：
R(t)＝p(tj (1)≥t)·p(tj (2)≥t)…p(tj (p)≥t)
从而有：
R(t)＝R1(t)·R2(t)…Rp(t)
则在多故障机理下的累积损伤模型可以表示为：
λ(t)＝λ1(t)+λ2(t)+…+λp(t)
其中，λ(t)为多故障机理下脉冲电源系统各模式的联合失效率；
λp(t)为某一故障机理下脉冲电源系统的失效率；
p为脉冲电源系统中故障模式的个数。
S34、根据线性累积损伤方法进行疲劳寿命预测，计算电路板焊点上的温度循环和随机振动损伤共同作用下电路板焊点的联合失效率；
根据累积损伤模型求得电路板上焊点的温度循环和随机振动的伤共同作用下电路板焊点的联合失效率λ焊点(t)为：
λ焊点(t)＝λ温度循环(t)+λ随机振动(t)
λ温度循环(t)为温度循环下焊点的疲劳寿命；
λ随机振动(t)为随机振动下焊点的疲劳寿命；
S35、确定在温度循环-电应力耦合下，电路板金属布线在电迁移失效作用下的失效时间；
所述步骤S35具体为：
采用稳态分析法对电路板封装模型进行确定在温度循环-电应力耦合分析，设定其边界条件，结合Black模型对金属布线进行疲劳寿命预测，并根据累积损伤模型得出金属布线失效时间；
设定的边界条件包括：芯片功率为0.1W，转化热生成率为4.17×107W/m3，电路板封装模型受到的对流换热系数为10，关键焊点上施加的电流为0.3A；
利用有限元分析软件ANSYS建立电路板封装模型的三维模型，模型上忽略金属铜布线，只显示焊点。通过分析温度、电流密度、焦耳热在焊料凸点中的分布，研究出产生电迁移现象的驱动机制为焊点出现电流集中流向从而导致电流聚集效应，该现象引起局部焦耳热从而产生热点，通过有限元仿真分析可知PCB板结构中互联结构最脆弱的部分为热点，热点中空洞的出现会逐渐扩展从而导致整个互连面的断裂造成断路。
上述Black模型为：
Figure BDA0001782996110000131
其中，MTTFEM为温度循环-电应力耦合下金属布线的疲劳寿命；
A为与电路板结构、尺寸、形状、测试条件有关的常数；
j为电流密度；
n为与金属互连材料、电流密度有关的常数；
Ea为电迁移激活能；
K为玻尔兹曼常数；
T为温度；
其中，金属布线的疲劳寿命即为金属布线的失效时间。
S36、联合电路板焊点联合失效率和电迁移失效时间，得到脉冲电源系统的失效率，进而对脉冲电源系统进行可靠性预计。
所述步骤S35脉冲电源系统λ总(t)的失效率为：
λ总(t)＝λ金属布线(t)+λ焊点(t)
λ金属布线(t)为温度循环-电应力耦合下金属布线的失效时间；
λ焊点(t)为温度循环和随机振动的伤共同作用下电路板焊点的联合失效率；
进而得到：
λ总(t)＝λ金属布线(t)+λ温度循环(t)+λ随机振动(t)。
本发明的有益效果为：国内外现有研究现状局限在只考虑热学和力学失效的层面上，没有对热疲劳失效、振动应力失效以及电应力失效机理做深层次的分析，并且没有能够进一步探讨多种失效机理之间失效物理层面上的关系，本发明不单考虑各种失效机理处于相互独立作用于脉冲电源系统的情况，也考虑了诸如电路板焊点的振动应力和温度应力相互耦合而与电路板金属布线的电应力相互独立等复杂情况。本发明克服了传统可靠性预计方法在分析大型、复杂、动态的电源系统时计算效率低、计算数据误差大以及表述复杂等问题。

Claims (6)

1.一种脉冲电源系统可靠性预计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、统计脉冲电源系统的故障数据，确定电源脉冲系统在寿命周期内经历的任务剖面；
S2、确定每个任务剖面对应的环境载荷面，在相应的环境载荷面下选用合适的故障物理模型；
S3、根据故障数据和选用的故障物理模型，计算脉冲电源系统的失效率，进而对脉冲电源系统进行可靠性预计；
所述步骤S1中脉冲电源系统的故障数据包括一一对应的潜在故障位置、故障模式、故障机理和工作应力；
所述潜在故障位置包括金属布线和焊点；
其中，金属布线对应的故障模式包括开路、短路和漏电，对应的故障机理为电迁移，对应的工作应力为电应力；
焊点对应的故障模式包括信号断续和开路，故障机理包括热疲劳和振动疲劳，其中，热疲劳对应的工作应力由温度循环产生，振动疲劳对应的工作应力由随机振动产生；
所述步骤S1中的任务剖面为脉冲电源系统充放电过程下电应力作用下的任务剖面；
所述步骤S3具体为：
S31、对脉冲电源系统中的电路板进行有限元建模并设置边界条件；
S32、根据有限元建模结果和设置的边界条件，分别进行温度循环和随机振动单独加载在电路板上焊点下的疲劳寿命预测；
S33、利用Miner线性累积损伤方法确定所有故障模式的累积损伤模型；
S34、根据线性累积损伤方法进行疲劳寿命预测，计算电路板焊点上的温度循环和随机振动损伤共同作用下的电路板焊点的联合失效率；
S35、确定在温度循环-电应力耦合下，电路板金属布线在电迁移失效作用下的失效时间；
S36、联合电路板焊点联合失效率和电迁移失效时间，得到脉冲电源系统的失效率，进而对脉冲电源系统进行可靠性预计；
所述步骤S36脉冲电源系统的失效率λ总(t)为：
λ总(t)＝λ金属布线(t)+λ焊点(t)
λ金属布线(t)为温度循环-电应力耦合下金属布线的失效时间；
λ焊点(t)为温度循环和随机振动损伤共同作用下电路板焊点的联合失效率；
所述步骤S31中电路板为球栅阵列封装的BGA器件；
所述步骤S31中对电路板进行有限元建模具体为：
对所述BGA器件采用自上而下的直接建模方法，建模的有限元包括铜布线、IC基板、上铜焊板、焊球、下铜焊板和PCB基板，依次定义每个有限元的几何参数、焊点模型与材料参数及焊点材料的线性属性，且采用SLID单元和映射网格划分；
所述步骤S31中设置的边界条件包括：温度循环在318K～378K之间，温度范围为60K，每个温度循环时间为2小时，高温阶段保温充放电总时间80s，低温阶段均室温，循环频率为f＝2圈/小时。
2.根据权利要求1所述的脉冲电源系统可靠性预计方法，其特征在于，所述步骤S2的环境载荷面包括温度载荷剖面、振动载荷剖面和电应力载荷剖面；
所述温度载荷剖面对应的故障物理模型为Engelmaier模型；
所述振动载荷剖面对应的故障物理模型为Coffin-Mason模型；
所述电应力载荷剖面对应的故障物理模型为Black模型。
3.根据权利要求2所述的脉冲电源系统可靠性预计方法，其特征在于，所述步骤S32中，
温度循环单独加载在电路板焊点下的疲劳寿命预测过程具体为：
根据设置的边界条件、焊点与电路板的几何参数和线性膨胀系数，采用Engelmaier模型进行疲劳寿命预测；
所述Engelmaier模型为：
Figure FDA0002785972460000031
其中，Nf为温度循环下焊点的疲劳寿命；
ε′f为疲劳韧性系数；
Δγ为剪切应变范围，
Figure FDA0002785972460000032
其中，F为经验修正因子，在0.5～1.5范围内取值；LD为元器件的构件长度；h为脉冲电源系统中电路板焊点的高度；Δα为热膨胀系数，Δα＝1.22×10-5；ΔTe为确定剪切力应变范围的因子；
c为温度循环下焊点的疲劳寿命计算的中间参数；c＝-0.442-6×10-4Tm+1.74×10-2ln(1+fth)，其中，Tm为脉冲电源系统工作时的温度循环平均温度；fth为温度循环频率；
随机振动单独加载在电路板焊点下的疲劳寿命预测过程具体为：
根据设置电路板上各焊点在电路板上的位置和所连接焊点的元器件尺寸，设定输入最大功率谱密度、疲劳强度指数和电路板固有一阶频率，结合Coffin-Manson模型进行疲劳寿命预测；
所述Coffin-Manson模型为：
Figure FDA0002785972460000033
其中，Nfvb为随机振动下焊点疲劳寿命；
C为试验标准确定的常数；
x、y为元器件在电路板上的位置坐标；
b为疲劳强度指数，b＝6.4；
Z1、Z2为随机振动下计算焊点疲劳寿命的中间参数；
Figure FDA0002785972460000041
B为与电路板元器件长度方向相平行的电路板边长度，c0为封装情况，L为元器件长度，h0为电路板厚度；
Figure FDA0002785972460000042
PSDmax为输入最大功率谱密度，fn为电路板的一阶固有频率。
4.根据权利要求3所述的脉冲电源系统可靠性预计方法，其特征在于，所述步骤S33中累积损伤模型为：
λ(t)＝λ1(t)+λ2(t)+…+λp(t)
其中，λ(t)为多故障机理下脉冲电源系统各模式的联合失效率；
λp(t)为某一故障机理下脉冲电源系统的失效率；
p为脉冲电源系统中故障模式的个数。
5.根据权利要求4所述的脉冲电源系统可靠性预计方法，其特征在于，
所述步骤S34中的焊点的联合失效率λ焊点(t)为：
λ焊点(t)＝λ温度循环(t)+λ随机振动(t)
λ温度循环(t)为温度循环下焊点的疲劳寿命；
λ随机振动(t)为随机振动下焊点的疲劳寿命。
6.根据权利要求1所述的脉冲电源系统可靠性预计方法，其特征在于，
所述步骤S35具体为：
采用稳态分析法对电路板封装模型进行确定在温度循环-电应力耦合分析，设定其边界条件，结合Black模型对金属布线进行疲劳寿命预测，并根据累积损伤模型得出金属布线失效时间；
所述Black模型为：
Figure FDA0002785972460000051
其中，MTTFEM为温度循环-电应力耦合下金属布线的疲劳寿命；
A为与电路板结构、尺寸、形状、测试条件有关的常数；
j为电流密度；
n为与金属互连材料、电流密度有关的常数；
Ea为电迁移激活能；
K为玻尔兹曼常数；
T为温度；
其中，金属布线的疲劳寿命即为金属布线的失效时间。
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US8290753B2 (en) * 2006-01-24 2012-10-16 Vextec Corporation Materials-based failure analysis in design of electronic devices, and prediction of operating life
JP2013058657A (ja) * 2011-09-09 2013-03-28 Renesas Electronics Corp 電子装置の寿命予測方法およびそれを用いた電子装置の設計方法
CN103778292B (zh) * 2014-01-23 2016-08-17 北京航空航天大学 一种热振联合载荷下bga焊点疲劳寿命预测方法
CN103955568A (zh) * 2014-04-17 2014-07-30 北京航空航天大学 一种基于失效物理的mos器件可靠性仿真评价方法
CN107247845A (zh) * 2017-06-14 2017-10-13 电子科技大学 一种基于失效物理模型的多芯片组件可靠性分析方法
CN108287976B (zh) * 2018-03-02 2020-10-27 电子科技大学 一种igbt基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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考虑参数随机性的焊点热疲劳失效分析;申海东 等;《装备环境工程》;20170430;第14卷(第4期);96-100 *

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