CN110851936A - 一种通孔焊点可靠性评估试验方法及装置 - Google Patents

一种通孔焊点可靠性评估试验方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通孔焊点可靠性评估试验方法，包括：S01、根据通孔焊点的运行故障数据，确定失效率曲线，并得到寿命分布类型；S02、对样品进行加速试验；S03、根据试验数据预估加速模型以及加速因子；S04、基于预估加速模型、加速因子以及寿命分布类型，评估出通孔焊点的可靠寿命。本发明还公开了一种试验装置，包括第一模块，用于根据通孔焊点的运行故障数据，确定失效率曲线，并得到寿命分布类型；第二模块，用于对样品进行加速试验；第三模块，用于根据试验数据预估加速模型以及加速因子；第四模块，用于基于预估加速模型、加速因子以及寿命分布类型，评估出通孔焊点的可靠寿命。本发明的试验方法及装置均具有操作简便且快速可靠等优点。

Description

一种通孔焊点可靠性评估试验方法及装置
技术领域
本发明主要涉及焊点分析技术领域，特指一种通孔焊点可靠性评估试验方法及装置。
背景技术
在焊接良好的情况下，焊点的使用寿命往往是整板寿命的几倍，若采用常规的加速寿命试验方法，需要开展3组以上试验，每组试验时间达到数千个循环，耗费大量的试验时间和费用。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作简便、快速可靠的通孔焊点可靠性评估试验方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种通孔焊点可靠性评估试验方法，包括步骤：
S01、根据通孔焊点的运行故障数据，确定通孔焊点的失效率曲线，并根据失效率曲线得到寿命分布类型；
S02、对样品进行加速试验：在设定的试验应力下进行多次周期循环直至样品失效，得到失效时的循环次数；其中样品包括现场返回的样本和新生产的样本；
S03、根据试验数据预估加速模型以及加速因子；
S04、基于预估加速模型、加速因子以及寿命分布类型，评估出通孔焊点的可靠寿命。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤S01中，确定通孔焊点的失效率曲线的步骤为：
S11、假设现场运行电路板在第i年生产数量为Ni，截至统计时间的焊点失效数为ni，截至统计时间时第i年生产的电路板运行时间为ti；则焊点失效率为：λi＝ni/(Niti)；
S12、剔除失效率异常点，绘制失效率散点图，并对失效率数据点进行拟合，得到通孔焊点的失效率曲线。
在步骤S12中，所述拟合为回归拟合或线性拟合或指数拟合或幂指数拟合中的任意一种。
在步骤S01中，在得到寿命分布类型后，利用概率图纸方法对寿命分布类型进行分布检验，若通孔焊点的各数据点分布在一条直线附近，则判断寿命分布类型与失效率曲线结果一致。
在步骤S02中，样品的选择要求为：所有从现场返回的样品为同一生产年份，并且在同一车辆的相同部件运行。
在步骤S02中，设定的试验应力从以下几种加速条件下进行选择：①0℃～100℃；②-25℃～100℃；③-40℃～125℃；④-55℃～125℃；⑤-55℃～100℃。
设定的试验应力还包括实测的车辆路谱振动量值。
在步骤S02中，失效判据同时满足以下两条：①焊点表面开裂100％；②焊点所在电路板功能测试输出异常。
在步骤S03中，预估加速模型为：
Figure BDA0001742466750000021
其中，Nf为疲劳寿命；εf为疲劳延性系数；ΔD为循环疲劳损伤；
c为温度和时间依赖性指数，补偿不完全应力松弛。
优选地，
Figure BDA0001742466750000022
其中TD为半周期驻留时间，以分钟为单位；TSJ为焊点的平均循环温度。
在步骤S03中，加速因子AF的计算公式为：
Figure BDA0001742466750000023
其中t为返回电路板在现场已运行年限；n1为返回电路板在加速环境下的失效循环数；n2为新生产电路板的失效循环数；t0为一次循环时间。
优选地，对预估加速模型进行修正，加入修正因子，则有
其中，k由返回电路板通孔焊点与新生产通孔焊点的失效时间确定。
本发明还公开了一种通孔焊点可靠性评估试验装置，包括
第一模块，用于根据通孔焊点的运行故障数据，确定通孔焊点的失效率曲线，并根据失效率曲线得到寿命分布类型；
第二模块，用于对样品进行加速试验：在设定的试验应力下进行多次周期循环直至样品失效，得到失效时的循环次数；其中样品包括现场返回的样本和新生产的样本；
第三模块，用于根据试验数据预估加速模型以及加速因子；
第四模块，用于基于预估加速模型、加速因子以及寿命分布类型，评估出通孔焊点的可靠寿命。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的通孔焊点可靠性评估试验方法，根据通孔焊点的运行故障数据，确定焊点的失效率曲线和寿命分布类型及分布参数；根据统计分析要素，给定现场返回试验样本要求；基于焊点的失效机理，对返回试验样本和新生产试验样本施加相同的温度循环和随机振动综合应力，并明确焊点的测试时机和失效判据；通过对焊点形貌的显微观察和插件功能的测试结果，得到焊点失效时间数据；以此建立通孔焊点的疲劳模型，评估焊点可靠性水平，操作简便，能够达到快速评估焊点可靠性的目的。
2、本发明利用通孔焊点易于观测的特点，提出了利用现场返回电路板通孔焊点与新生产电路板通孔焊点对比试验的方法，仅施加一组应力即可得出加速因子，试验时间缩短2/3以上，有效突破了焊点寿命评估试验时间过长的问题，极大地提高了试验效率。
3、本发明的通孔焊点可靠性评估试验装置，同样具有如上方法所述的优点。
附图说明
图1为本发明中通孔焊点的年故障率。
图2为本发明中故障率曲线图。
图3为本发明中的Weibull概率图。
图4为本发明中温度振动综合试验剖面图。
图5为本发明中实测的振动加速度谱密度图。
图6为本发明中焊点外观形貌示意图。
图7为本发明的方法流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1至图7所示，本实施例的通孔焊点可靠性评估试验方法，包括步骤：
S01、确定通孔焊点的失效率曲线，并根据失效率曲线得到寿命分布类型；
S02、对样品进行加速试验：在设定的试验应力下进行多次周期循环直至样品失效，得到失效时的循环次数；其中样品包括现场返回的电路板和新生产的电路板；
S03、根据步骤S02中的试验数据预估加速模型以及加速因子；
S04、基于步骤S03中的预估加速模型、加速因子以及步骤S01中的寿命分布类型，评估出通孔焊点的可靠寿命。
本发明的通孔焊点可靠性评估试验方法，根据通孔焊点的运行故障数据，确定焊点的失效率曲线和寿命分布类型及分布参数；根据统计分析要素，给定现场返回试验样本要求；基于焊点的失效机理，对返回试验样本和新生产试验样本施加相同的试验应力(如温度循环和随机振动综合应力)，并明确焊点的测试时机和失效判据；通过对焊点形貌的显微观察和插件功能的测试结果，得到焊点失效时间数据；以此建立通孔焊点的疲劳模型，评估焊点可靠性水平，操作简便，能够达到快速评估焊点可靠性的目的。
本实施例中，在步骤S01中，确定通孔焊点的失效率曲线的步骤为：
S11、假设现场运行电路板在第i年生产数量为Ni，截至统计时间的焊点失效数为ni，截至统计时间时第i年生产的电路板运行时间为ti；则焊点失效率为：λi＝ni/(Niti)；
S12、剔除失效率异常点，绘制失效率散点图，并对失效率数据点进行拟合，得到通孔焊点的失效率曲线。其中拟合为回归拟合或线性拟合或指数拟合或幂指数拟合中的任意一种。
本实施例中，在步骤S01中，在得到寿命分布类型后，利用概率图纸方法对寿命分布类型进行分布检验，若通孔焊点的各数据点分布在一条直线附近，则判断寿命分布类型与失效率曲线结果一致。
本实施例中，在步骤S02中，样品的选择要求为：所有从现场返回的样品为同一生产年份，并且在同一车辆的相同部件运行。
本实施例中，在步骤S02中，设定的试验应力从以下几种加速条件下进行选择：①0℃～100℃；②-25℃～100℃；③-40℃～125℃；④-55℃～125℃；⑤-55℃～100℃。其中优选③-40℃～125℃。另外，考虑到轨道交通产品的使用环境，不可忽视振动对焊点开裂的促进作用，还需施加实测的车辆路谱振动量值。
本实施例中，在步骤S02中，失效判据同时满足以下两条：①焊点表面开裂100％；②焊点所在电路板功能测试输出异常。
本实施例中，在步骤S03中，预估加速模型为：
Figure BDA0001742466750000041
其中，Nf为疲劳寿命；εf为疲劳延性系数；ΔD为循环疲劳损伤；
c为温度和时间依赖性指数，补偿不完全应力松弛，计算公式如下：
Figure BDA0001742466750000042
其中TD为半周期驻留时间，以分钟为单位；TSJ为焊点的平均循环温度。
对于未知量循环疲劳损伤ΔD，根据IPC-9701A标准给出的不同温度循环条件下的加速因子，利用线性回归方法，统计出ΔD与环境温度的关系如下：
ΔD＝9.05×10-5Tmax-9.15×10-5Tmin
回归模型相对误差α计算公式如下：
Figure BDA0001742466750000051
本实施例中，在步骤S03中，加速因子AF的计算公式为：
Figure BDA0001742466750000052
其中t为返回电路板在现场已运行年限；n1为返回电路板在加速环境下的失效循环数；n2为新生产电路板的失效循环数；t0为一次循环时间(单位为min)。
本实施例中，对预估加速模型进行修正，加入修正因子，则有
Figure BDA0001742466750000053
其中，k由返回电路板通孔焊点与新生产通孔焊点的失效时间确定。
本发明的通孔焊点可靠性快速评估试验方法：首先根据通孔焊点的运行故障数据，确定焊点的失效率曲线和寿命分布类型及分布参数；根据统计分析要素，给定现场返回试验样本要求；基于焊点的失效机理，对返回试验样本和新生产试验样本施加相同的温度循环和随机振动综合应力，并明确焊点的测试时机和失效判据；通过对焊点形貌的显微观察和插件功能的测试结果，得到焊点失效时间数据；以此建立通孔焊点的疲劳模型，评估焊点可靠性水平。
现结合具体实施例来说明，动车组某电路板在运行过程中发生故障，导致牵引变流器过分相后VCB无法自动闭合，通过失效分析定位故障点为电路板上某通孔器件焊点开裂，为此需评估焊点的可靠寿命。结合2009～2017年历史数据，具体实施流程如下：
步骤一：确定焊点的失效率曲线和寿命分布类型。
a、假设现场运行电路板在第i年生产数量为Ni，截至统计时间的焊点失效数为ni，截至统计时间时第i年生产的电路板运行时间为ti，则焊点失效率为：
λi＝ni/(Niti)；
本实施例中，统计了通孔焊点的年故障率如图1所示；
b、剔除失效率异常点，绘制失效率散点图，并对失效率数据点进行回归拟合，可以是线性拟合、指数拟合或幂指数拟合，判断焊点生命周期的状态。
本实施例中，2011年生产的电路板故障率明显高于其它年份的故障率，存在批次性差异，属于异常年限。除去异常点，电路板的故障率随着运行年限的增加呈指数增长，如图2所示，已经处于浴盆曲线的耗损期。
根据故障率散点图拟合故障率曲线
λ(t)＝0.0027e0.2897t
则可靠寿命tR为
Figure BDA0001742466750000061
其中R为可靠度；
c、利用概率图纸方法对焊点失效寿命数据进行分布检验，若数据点分布在一条直线附近，则说明失效数据服从该分布；
本实施例中，利用weibull概率图纸对现场故障数据按照故障时刻运行里程进行分布检验，检验结果如图3所示：
其中数据点在weibull概率图纸上基本呈一条直线，因此认为焊点寿命服从weibull分布，概率密度函数为
其中m为分布的形状参数，η为分布的尺度参数，其中m＝6.3＞1，同样表明电路板已进入浴盆曲线的耗损期，与故障率曲线结果一致。
步骤二：根据统计分析要素，给定现场返回试验样本要求。
a、为保证样本的一致性，要求所有返回样本为同一生产年份，在同一列车的相同部位运行的电路板；
b、试验样本优先考虑异常薄弱批次。
本实施例中，考虑到2011年生产电路板的故障率高达10.79％，相较其它年份生产的电路板存在明显的批次性差异，因此现场返回试验样品全部选择2011年生产的电路板。
步骤三：开展加速试验。
a、试验应力选择。
1、根据IPC-9701A，推荐采用温度循环进行加速，循环应力可以从以下5种加速条件选择：①0℃～100℃；②-25℃～100℃；③-40℃～125℃；④-55℃～125℃；⑤-55℃～100℃；
2、考虑轨道交通产品的使用环境，不可忽视振动对焊点开裂的促进作用，施加实测路谱振动量值；
在本实施例中，选取Ts(min)＝-40℃、Ts(max)＝125℃的温度循环加速，高低温保持时间ts＝30min，温变率ΔTEMP＝15℃/min，同时施加实测路谱振动量值V＝1.6938m/s2，剖面如图4所示，振动加速度谱密度如图5所示。
b、确定采样方法和失效判据。
1、对加速试验的电路板从0周开始，分别在第200、300、500、700个循环后取出电路板，对其进行显微形貌观察和功能测试。
2、根据现有器件焊点失效统计，对某通孔器件焊点而言表面开裂100％(按焊点周长计算)的器件所在电路板一定输出异常，且电路板由于焊点原因输出异常则必存在焊点表面开裂达到100％，因此确定焊点表面开裂100％与电路板由于焊点原因输出异常等效，故本试验失效判据为同时满足以下两条：①器件焊点表面开裂100％；②电路板功能测试输出异常。
步骤四：试验结果分析，确定加速模型和加速因子。
a、预估加速模型。
温度循环条件下焊点疲劳模型如下：
其中，Nf为疲劳寿命；
εf为疲劳延性系数，取值0.325；
ΔD为循环疲劳损伤；
c为温度和时间依赖性指数，补偿不完全应力松弛，计算公式如下：
Figure BDA0001742466750000072
以上，TD为半周期驻留时间，以分钟为单位；TSJ为焊点的平均循环温度。
对于未知量循环疲劳损伤ΔD，根据IPC-9701A标准给出的不同温度循环条件下的加速因子，利用线性回归方法，统计出ΔD与环境温度的关系如下：
ΔD＝9.05×10-5Tmax-9.15×10-5Tmin
回归模型相对误差α计算公式如下：
Figure BDA0001742466750000073
据此可得IPC-9701A标准中4组试验的损伤计算相对误差如表2，相对误差均小于1％，说明回归模型准确度较高。
表2模型精度
序号 低温 高温 实际ΔD 预测ΔD 相对误差
1 20 40 0.0018 0.00179 0.5556％
2 0 60 0.0054 0.00543 0.5556％
3 -20 80 0.0091 0.00907 0.3297％
4 -40 100 0.0127 0.01271 0.0787％
b、计算加速因子。
设加速条件相对焊点在运行过程中经历的应力条件下的加速因子为AF，返回电路板在现场已运行年限为t，且在加速环境下的失效循环数为n1，新生产电路板的失效循环数为n2，一次循环时间为t0，则可得加速因子计算公式如下：
Figure BDA0001742466750000081
本实施例中，焊点在观测点的形貌如表3：
1、返回样本在200个循环时，焊点出现严重裂纹，至300个循环时裂纹扩展至100％周长，功能失效，因此n1处于200～300之间；
2、新生产样本在300个循环时，焊点出现明显裂纹，裂纹形貌与现场运行5～6年的形貌一致，至700循环时裂纹扩展至100％周长，功能失效，n2＝700；
3、根据加速因子计算公式可得AF处于区间76.92～96.15。
c、修正加速模型。
根据预估加速模型以及加速因子，可对模型进行修正，加入修正因子k，则有：
Figure BDA0001742466750000082
其中，k由返回电路板通孔器件焊点与新生产通孔器件焊点的失效时间确定。
步骤五：基于修正加速模型以及现场数据分析确定的通孔焊点寿命分布类型及分布参数m＝6.3，可评估出通孔焊点的可靠寿命：t(R＝0.9)＝10.0年，t(R＝0.8)＝11.7年。
本发明的通孔焊点可靠性评估试验方法，根据通孔焊点的运行故障数据，确定焊点的失效率曲线和寿命分布类型及分布参数；根据统计分析要素，给定现场返回试验样本要求；基于焊点的失效机理，对返回试验样本和新生产试验样本施加相同的温度循环和随机振动综合应力，并明确焊点的测试时机和失效判据；通过对焊点形貌的显微观察和插件功能的测试结果，得到焊点失效时间数据；以此建立通孔焊点的疲劳模型，评估焊点可靠性水平，操作简便，能够达到快速评估焊点可靠性的目的。
本发明利用通孔焊点易于观测的特点，提出了利用现场返回电路板通孔焊点与新生产电路板通孔焊点对比试验的方法，仅施加一组应力即可得出加速因子，有效突破了焊点寿命评估试验时间过长的问题，极大地提高了试验效率。
本发明利用回归分析预测加速模型中未知量循环疲劳损伤ΔD与加速环境应力的关系，以此设计试验截尾时间，试验设计更具合理性。
本发明试验应力的选取综合考虑了成熟加速模型与焊点实际经历的应力环境，同时施加加速的温度循环与不加速的实测振动谱，充分模拟用户现场使用条件，提高了试验结果的真实性。本发明加速因子可应用于其他通孔焊点的可靠性评估。
本发明还相应公开了一种通孔焊点可靠性评估试验装置，包括
第一模块，用于确定通孔焊点的失效率曲线，并根据失效率曲线得到寿命分布类型；
第二模块，用于对样品进行加速试验：在设定的试验应力下进行多次周期循环直至样品失效，得到失效时的循环次数；
第三模块，用于根据试验数据预估加速模型以及加速因子；
第四模块，用于基于预估加速模型、加速因子以及寿命分布类型，评估出通孔焊点的可靠寿命。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，包括步骤：
S01、根据通孔焊点的运行故障数据，确定通孔焊点的失效率曲线，并根据失效率曲线得到寿命分布类型；
S02、对样品进行加速试验：在设定的试验应力下进行多次周期循环直至样品失效，得到失效时的循环次数；其中样品包括现场返回的样本和新生产的样本；
S03、根据试验数据预估加速模型以及加速因子；
S04、基于预估加速模型、加速因子以及寿命分布类型，评估出通孔焊点的可靠寿命。
2.根据权利要求1所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，在步骤S01中，确定通孔焊点的失效率曲线的步骤为：
S11、假设现场运行电路板在第i年生产数量为Ni，截至统计时间的焊点失效数为ni，截至统计时间时第i年生产的电路板运行时间为ti；则焊点失效率为：λi＝ni/(Niti)；
S12、剔除失效率异常点，绘制失效率散点图，并对失效率数据点进行拟合，得到通孔焊点的失效率曲线。
3.根据权利要求2所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，在步骤S12中，所述拟合为回归拟合或线性拟合或指数拟合或幂指数拟合中的任意一种。
4.根据权利要求1或2或3所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，在步骤S01中，在得到寿命分布类型后，利用概率图纸方法对寿命分布类型进行分布检验，若通孔焊点的各数据点分布在一条直线附近，则判断寿命分布类型与失效率曲线结果一致。
5.根据权利要求1或2或3所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，在步骤S02中，样品的选择要求为：所有从现场返回的样品为同一生产年份，并且在同一车辆的相同部件运行。
6.根据权利要求1或2或3所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，在步骤S02中，设定的试验应力从以下几种加速条件下进行选择：①0℃～100℃；②-25℃～100℃；③-40℃～125℃；④-55℃～125℃；⑤-55℃～100℃。
7.根据权利要求6所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，设定的试验应力还包括实测的车辆路谱振动量值。
8.根据权利要求6所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，在步骤S02中，失效判据同时满足以下两条：①焊点表面开裂100％；②焊点所在电路板功能测试输出异常。
9.根据权利要求6所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，在步骤S03中，预估加速模型为：
Figure FDA0001742466740000021
其中，Nf为疲劳寿命；εf为疲劳延性系数；ΔD为循环疲劳损伤；
c为温度和时间依赖性指数，补偿不完全应力松弛。
10.根据权利要求9所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，
Figure FDA0001742466740000022
其中TD为半周期驻留时间，以分钟为单位；TSJ为焊点的平均循环温度。
11.根据权利要求1或2或3所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，在步骤S03中，加速因子AF的计算公式为：
Figure FDA0001742466740000023
其中t为返回电路板在现场已运行年限；n1为返回电路板在加速环境下的失效循环数；n2为新生产电路板的失效循环数；t0为一次循环时间。
12.根据权利要求9所述的通孔焊点可靠性评估试验方法，其特征在于，对预估加速模型进行修正，加入修正因子，则有
Figure FDA0001742466740000024
其中，k由返回电路板通孔焊点与新生产通孔焊点的失效时间确定。
13.一种通孔焊点可靠性评估试验装置，其特征在于，包括
第一模块，用于根据通孔焊点的运行故障数据，确定通孔焊点的失效率曲线，并根据失效率曲线得到寿命分布类型；
第二模块，用于对样品进行加速试验：在设定的试验应力下进行多次周期循环直至样品失效，得到失效时的循环次数；其中样品包括现场返回的样本和新生产的样本；
第三模块，用于根据试验数据预估加速模型以及加速因子；
第四模块，用于基于预估加速模型、加速因子以及寿命分布类型，评估出通孔焊点的可靠寿命。
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