CN110705139A - 一种基于多应力耦合下电子设备可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多应力耦合下电子设备可靠性评估方法，包括以下步骤：S1、确定电‑热‑力场耦合下电子设备的失效模式与失效机理；S2、根据步骤S1确定的电子设备失效模式与失效机理，建立多应力耦合下电子设备可靠性物理模型；S3、根据可靠性物理模型，对电子设备进行可靠性仿真分析；S4、根据步骤S3确定的可靠性薄弱环节，对电子设备的可靠性指标进行评估；本方法并不依托可靠性寿命数据，而是从电子设备的工艺参数信息、结构材料信息、工作和使用环境应力情况出发进行分析，可有效避免寿命数据不足的难点，减少成本；可相对准确地找出电子设备的可靠性薄弱环节，进而得到与实际情况更为符合的分析结果。

Description

一种基于多应力耦合下电子设备可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及微电子可靠性评估技术领域，具体是一种基于多应力耦合下电子设备可靠性评估方法。

背景技术

目前在电子设备的方案设计阶段，对其可靠性的评价有两张方法，一是采用基于故障经验数据的可靠性预计方法，如GJB/Z 299C-2006和MIL-HDBK-217中根据元器件基本失效率累加得出设备的平均无故障间隔时间预计。二是传统的可靠性试验评估方法，基于设备实物样机，采用可靠性鉴定试验等方法完成产品的可靠性评估，这种方法需要大量经费、时间支撑，然而，由于受项目研制进度、经费及资源等条件的限制，常常难以实现。

传统的这些电子设备可靠性评估与计算方法认为电子产品的故障是随机发生的，可以采用恒定故障率指数分布和无限寿命模型来描述，对其可靠性的评价主要采用模拟验证和统计评估。此种方法有其先天的缺点：只能计算出平均故障时间(MTBF)，无法定位可靠性薄弱环节和故障原因；仅考虑器件的失效率，对于容易出现问题的电子产品互连等装配位置并未考虑到；很多基础数据已被证实过时或不准确。大量研究和实践结果也已经表明，采用这种方法得出的预计结果与产品在外场的实际表现差别很大,通过这种分析并不能真正发现产品的薄弱环节,以及故障发生的因果关系、机理和过程。

发明内容

本发明的目的在于解决现有电子设备可靠性评价技术的不足，提供一种基于多应力耦合下电子设备可靠性评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于多应力耦合下电子设备可靠性评估方法，包括以下步骤：

S1、确定电-热-力场耦合下电子设备的失效模式与失效机理；

具体按以下子步骤执行：

S11、确定电子设备在寿命周期内的任务剖面；

S12、根据电子设备的任务剖面确定电子设备的环境载荷剖面；

S13、根据任务剖面与环境载荷剖面得到相应电子设备的应力剖面集合；

S14、根据应力剖面集合，对电子设备进行FMMEA分析，确定电子设备潜在的失效模式与失效机理；

S2、根据步骤S1确定的电子设备失效模式与失效机理，建立多应力耦合下电子设备可靠性物理模型；

S3、根据可靠性物理模型，对电子设备进行可靠性仿真分析；

通过建立电子设备的材料模型、设计分析模型、故障机理模型与工程分析模型，结合电子设备预期承受的工作环境应力与潜在故障发展过程，定量地预计电子设备的可靠性，发现可靠性薄弱环节并输出故障列表、故障信息矩阵；

S4、根据步骤S3确定的可靠性薄弱环节，对电子设备的可靠性指标进行评估；

具体按以下子步骤执行：

S41、利用单点、多点故障分布融合算法，得出电子设备的故障分布与可靠性水平；

S42、通过失效统计分布与可靠性寿命特征量的内在关系，确定电子设备的可靠性寿命特征量。

本发明的有益效果是，通过将失效模式、失效机理与电子设备的结构、材料等性能参数相关联，建立了一种从电子设备失效本质出发的可靠性分析方法；提供一套电子设备失效物理分析的流程，该方法实施时并不依托可靠性寿命数据，而是从电子设备的工艺参数信息、结构材料信息、工作和使用环境应力情况出发进行分析，可有效避免寿命数据不足的难点，减少成本；并且本方法从多应力耦合作用下的故障内在规律出发，开展电子互连多应力耦合故障机理建模和基于多应力故障机理耦合模型的可靠性分析和评估技术等研究，可相对准确地找出电子设备的可靠性薄弱环节，进而得到与实际情况更为符合的分析结果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明多场耦合示意图；

图3是本发明多物理场仿真示意图；

图4是为本发明所用失效模式、机理及其影响(FMMEA)分析流程图；

图5是为本发明可靠性仿真分析流程图；

图6是本发明可靠性评估流程图；

图7是本发明单应力、多应力条件下电子设备的寿命曲线图。

具体实施方式

本实施例中的工程对象为中等规模以上的机载电子设备(LRU)，该类型电子设备组成单元包括：接插件、线缆、密封装置、机械结构、锁紧装置、外壳、散热器、多层布线基板、LSI芯片以及I/O引脚、电控板等，下面对本发明的内容进行说明。

如图1所示，本发明提供一种基于多应力耦合下电子设备可靠性评估方法，包括以下步骤：

S1、确定电-热-力场耦合下电子设备的失效模式与失效机理；

具体按以下子步骤执行：

S11、确定电子设备在寿命周期内的任务剖面；

S12、根据电子设备的任务剖面确定电子设备的环境载荷剖面；

S13、根据任务剖面与环境载荷剖面得到相应电子设备的应力剖面集合；

S14、根据应力剖面集合，对电子设备进行FMMEA分析，确定电子设备潜在的失效模式与失效机理；

在获得电子设备详细设计信息的前提下，确定其环境载荷剖面，对机载电子设备来说，温度、振动、电综合应力是影响其可靠性的主要因素，因此，环境载荷剖面是指温度、振动、电等影响电子设备可靠性的外因参数以及它们的幅值、持续时间，应力的相互耦合，相互影响，本质上是电磁场、温度场和力场这些物理场之间的耦合。

S2、根据步骤S1确定的电子设备失效模式与失效机理，建立多应力耦合下电子设备可靠性物理模型；

结合图2与图3所示，影响电子设备可靠性的主要应力为温度、振动和电应力，电、热、应力相互耦合，相互影响。从场的角度来看，主要是体现了电磁场、温度场和力场这些物理场之间的耦合，电场会产生大量焦耳热而使温度上升，而温变的材料属性又会改变电场；热场会引起热应力场，也会通过影响材料参数进一步影响力场的分布；对于压电微电子器件等热应力的变化也会反过来影响电场分布。以上这一过程是一个非线性的耦合过程，在给定的工艺、设计、环境下，进行电-热-力仿真，然后得到相应的机械力、电应力和热应力分布等。

从原理上说，热应力、电应力、机械应力都有其需要遵守的力学方程，方程中常数比如介电常数、热导率、电导率、弹性系数、泊松比等材料参数取决于材料系统，合理设置边界条件，转化为带边界条件的微分方程。在边界条件这一约束下，将这三类偏微分方程联立求解，以得到各个耦合场的结果。求解这三类物理方程通常采用微分方程法进行求解。

本实施例选择有限元法解决多场耦合问题，原因有二，一是有限元方法可求解具有非常复杂几何求解区域的偏微分方程，它将偏微分方程的连续求解区域离散为有限个以某种方式联结在一起的单元组合体，这些离散单元可以设为不同的维度和形状，并按照不同的联结关系进行组合。二是有限元方法可应用于各种物理问题，它利用近似函数表示每个求解单元内待求未知场函数，以此分片地表达整个求解域内未知场分布函数，该近似函数通常并不会限制未知场分布函数所需满足的形式，这使得有限元法通用地适合于各种物理问题的求解分析。

多物理场耦合分析，主要是指电磁场、温度场和应力场之间的相互耦合。本实施例用有限元方法基本步骤将多物理场耦合方程转化为Ax＝b形式的矩阵方程。

在电磁场频率比较低时，动态的电磁场问题简化为用泊松方程描述的经典问题。温度场和力场由相应的热传导方程和动力学方程所确定。三类方程见表1：

表1 多物理场基本方程

确定电子设备在温度、振动、电三综合耦合场下的典型失效模式。结合图4所示，根据对电子设备的FMMEA分析，表2.1列出了典型封装体及典型的失效机理及相应失效位置和失效模式，表2.2列出了几种元器件的主要的失效机理以及对应的失效模式。

表2.1 封装体典型的效位置、失效模式、失效机理及环境载荷

表2.2 几种元器件的主要的失效机理以及对应的失效模式

根据得到的潜在失效机理与失效模式，建立电子设备在温度、振动、电三综合耦合场下的失效物理模型。由于在多物理场耦合作用下，多芯片组件的失效规律和机制更加复杂，失效模式间相互关联。

运用失效物理模型对电子设备的失效机理和失效现象进行分析。由于电子设备发生的结构松散、脱焊、材料裂损、基板裂纹等失效问题都和设备的结构强度有关，这一类的失效都可用应力-强度模型解释；而热疲劳、焊点蠕变、磨损等失效问题都属于损耗型失效。针对不同的失效模式，具体有如表3所示的几种失效模型。

表3 典型失效物理模型S3、根据可靠性物理模型，对电子设备进行可靠性仿真分析；

结合图5所示，通过建立电子设备的材料模型、设计分析模型、故障机理模型与工程分析模型，结合电子设备预期承受的工作环境应力与潜在故障发展过程，定量地预计电子设备的可靠性，发现可靠性薄弱环节并输出故障列表、故障信息矩阵，提供有效的改进措施；

S4、根据步骤S3确定的可靠性薄弱环节，对电子设备的可靠性指标进行评估；

具体按以下子步骤执行：

S41、利用单点、多点故障分布融合算法，得出电子设备的故障分布与可靠性水平；

S42、通过失效统计分布与可靠性寿命特征量的内在关系，确定电子设备的可靠性寿命特征量。

在明确所研究机载电子设备关键失效机理、可靠性模型及可靠性分析的基础上，明确失效统计分布与可靠性寿命特征量CFFOP的内在关系，对电子设备的关键故障，如互连断裂、焊点脱焊、介质击穿等，通过统计失效分布，确定其无关键工作故障间隔时间；对具有损伤累积特性的故障，如互连电迁移、焊料裂纹生长等，设定失效判定阈值，并统计分布确定寿命特征量。利用机载电子设备整体故障分布与关键故障机理、损伤累计故障阈值，可以计算出CFFOP。

机载电子设备整体故障分布的获得思路为：

首先，将各个模块中失效模式或故障发生模式、机理及时间，尤其各模块不满足寿命要求的故障整理并列表。比如，从故障信息表中可以看出，某模块的故障预计仿真结果，定量地反映了热仿真和振动仿真的薄弱点，器件最终会在一定的时间内由于某一失效机理而发生故障。

然后，再通过单点故障分布拟合对故障信息矩阵中各故障机理的故障时间进行处理，得到各故障机理的故障分布，在此基础上利用多点故障分布融合算法，得出器件、模块、设备及系统的故障分布及可靠性水平，其仿真流程图6所示。对该电子设备故障预计仿真数据进行单点故障密度分布拟合、多点故障密度分布融合、可靠性仿真评估，得到该设备的平均首发故障时间、CFFOP等寿命特征量，单应力、多应力下电子设备的可靠性寿命评估曲线见图7。

在本发明中，针对电子设备工艺复杂，服役环境应力耦合，导致其失效模式和机理更加复杂，失效模式间相互关联的情况，研究采用一种基于失效物理模型计算电子设备可靠性参数的方法，分析多种失效机制与多种失效模式对多芯片组件寿命预测的影响。研究从多芯片组件失效内因(结构、工艺。材料)和失效外因(环境应力)出发，分析多种失效机制对其的影响。该方法将失效物理模型引入到电子设备可靠性分析中，将设备服役环境相关参数当作其发生失效的外在因素，以及组件本身材料、尺寸、加工等作为失效发生的内在因素，并结合有限元分析方法对其进行模拟仿真，考虑各种内外在影响因素对电子设备可靠性的影响。本方法不限于机载电子设备可靠性分析，可以进一步应用至其他各类电子设备可靠性分析中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种基于多应力耦合下电子设备可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定电-热-力场耦合下电子设备的失效模式与失效机理；

具体按以下子步骤执行：

S11、确定电子设备在寿命周期内的任务剖面；

S12、根据电子设备的任务剖面确定电子设备的环境载荷剖面；

S13、根据任务剖面与环境载荷剖面得到相应电子设备的应力剖面集合；

S14、根据应力剖面集合，对电子设备进行FMMEA分析，确定电子设备潜在的失效模式与失效机理；

S2、根据步骤S1确定的电子设备失效模式与失效机理，建立多应力耦合下电子设备可靠性物理模型；

S3、根据可靠性物理模型，对电子设备进行可靠性仿真分析；

通过建立电子设备的材料模型、设计分析模型、故障机理模型与工程分析模型，结合电子设备预期承受的工作环境应力与潜在故障发展过程，定量地预计电子设备的可靠性，发现可靠性薄弱环节并输出故障列表、故障信息矩阵；

S4、根据步骤S3确定的可靠性薄弱环节，对电子设备的可靠性指标进行评估；具体按以下子步骤执行：

S41、利用单点、多点故障分布融合算法，得出电子设备的故障分布与可靠性水平；

S42、通过失效统计分布与可靠性寿命特征量的内在关系，确定电子设备的可靠性寿命特征量。

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