一种基于故障物理的电子产品可靠性加速试验方法

摘要

本发明属于电子产品可靠性试验技术，涉及一种基于故障物理的电子产品可靠性加速试验方法。其特征在于：进行电子产品可靠性加速试验的步骤如下：构建电子产品的数字样机模型；热应力状态和振动应力状态分析；确定电子产品的故障机理；确定电子产品的故障物理模型；给定可靠性加速试验的温度条件；计算加速试验时间；计算可靠性加速试验的振动条件；试验实施及试验结果评估。本发明提出了一种基于故障物理的电子产品可靠性加速试验方法，能考虑应力在产品结构中的传递作用，提高了模型的准确度，进而提高了试验结果精度。

说明书

技术领域

本发明属于电子产品可靠性试验技术，涉及一种基于故障物理的电子产 品可靠性加速试验方法。

背景技术

现代高新装备对可靠性水平提出的要求高，其中起关键作用的电子/机电 /光电等产品向数字化、小型化、密集化、多功能化以及复杂化方向发展，其 可靠性要求也更高。许多产品的可靠性指标平均故障间隔时间(MTBF)有的 要求达到数千小时，甚至达到上万小时，按照传统的试验技术进行试验，试 验时间至少应为1.1倍的要求值，这样在投入一套试验样件时需要数月甚至 几年时间才能完成试验；而如果投入多套试验样件，则样件的费用同样难以 承受。因此，面对高可靠性装备研制周期短、研制经费高的研制特点，现有 的基于环境模拟的传统可靠性统计试验方法和评估技术由于所需时间长、经 费高已不能满足产品研制要求，采用加大试验应力、缩短试验时间的可靠性 加速试验技术已成为可靠性验证试验技术发展的必然趋势。现有的电子产品 可靠性加速试验方法几乎都建立在经验基础之上，对产品施加什么应力，取 决于对产品主要故障机理的了解。目前常用的加速试验模型包括与温度有关 的阿伦尼斯模型，艾林模型，描述热应力与机械应力加速的逆幂律模型，温 度-湿度双应力综合加速模型，多应力同时加速的广义对数-线性模型，累计 损伤指数模型等。但是由于这些模型均是基于元器件故障机理的统计加速模 型，该加速模型不能考虑应力在产品结构中的传递作用，模型的准确度相对 较低，导致试验结果的误差大。

发明内容

本发明的目的是：提出一种基于故障物理的电子产品可靠性加速试验方 法，以便考虑应力在产品结构中的传递作用，提高模型的准确度，进而提高 试验结果精度。

本发明的技术方案是：一种基于故障物理的电子产品可靠性加速试验方 法，其特征在于：进行电子产品可靠性加速试验的步骤如下：

1、构建电子产品的数字样机模型：数字样机模型是指二维数字样机模型 或三维数字样机模型，电子产品包括机箱、支架、模块、电路板和元器件；

2、热应力状态和振动应力状态分析：采用有限元仿真分析软件分析电子 产品在载荷条件下的热应力状态和振动应力状态，载荷条件是指环境载荷和 工作载荷；

3、确定电子产品的故障机理：根据电子产品所承受热应力状态和振动应 力状态，结合电子产品的故障模式、影响及危害性分析报告、外场和实验室 故障数据，确定电子产品的主要失效位置、失效模块、失效电路板和潜在故 障元器件，及其故障机理。

4、确定电子产品的故障物理模型：根据潜在故障元器件的故障机理，确 定电子产品的故障物理模型，设置潜在故障元器件的几何结构参数、材料属 性、应力参数、模型修正因子等模型参数；

5、给定可靠性加速试验的温度条件：高温：被试验电子产品给出的极限 温度范围的上限减去10℃～20℃，持续时间为温度稳定时间加上被试验电子 产品测试时间；低温：被试验电子产品给出的极限温度范围的下限加上5℃～ 10℃，持续时间为温度稳定时间加上被试验电子产品测试时间；温度变化率： 5℃/min～15℃/min；：

6、计算加速试验时间T₁：以被试验电子产品基于环境模拟的可靠性试验 剖面中的温度条件和试验时间T₀为输入参数，计算在给定可靠性加速试验中 给出的温度条件下的加速试验时间T₁，具体方法如下：

6.1、计算温度条件加速因子τ_V：根据电子产品的故障物理模型，计算潜 在故障元器件在环境模拟的可靠性试验剖面中的温度条件下的损伤，得到环 境模拟的可靠性试验剖面中的温度条件持续作用下热疲劳失效的n个潜在薄 弱点N₁，N₂，…，N_n，n个潜在薄弱点的首发故障循环数分别记为N_T1，N_T2，… N_Ti，…N_Tn，i＝1，2，…n；计算在给定可靠性加速试验的温度条件的损伤，得 到n个潜在薄弱点的首发故障循环数分别记为N'_T1，N'_T2，…N'_Ti，…N'_Tn；第i 个故障点的加速因子τ_Vi：

${\tau }_{\mathrm{Vi}}=\frac{N_{\mathrm{Ti}}}{{N^{\prime }}_{\mathrm{Ti}}}···\left[1\right]$

将n个潜在故障点的加速因子进行算术平均，得到产品温度加速因子τ_V：

${\tau }_V=\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{\tau }_{\mathrm{Vi}}···\left[2\right]$

6.2、计算加速试验时间T₁：

$T_1=\frac{T_0}{{\tau }_V\times t_1}···\left[3\right]$

其中，t₁为给定可靠性加速试验的温度条件时间；

7、计算可靠性加速试验的振动条件：以基于环境模拟的可靠性试验剖面 的振动条件和对应的振动应力施加时间T₀'为输入参数，计算加速试验时间T₁内振动应力施加时间T₁'的振动量值，具体方法如下：

7.1、计算振动加速因子b_V：根据电子产品的故障物理模型，计算潜在故 障元器件在环境模拟的可靠性试验剖面中的振动条件下的损伤，得到产品在 基于环境模拟的可靠性试验剖面中振动条件W_a下振动疲劳失效的m个潜在薄 弱点，分别在振动条件W₀₁和振动条件W₀₂下，得出的振动疲劳损伤模型分别计 算产品在振动耐久故障点损伤率为1时的失效时间，将m个潜在薄弱点在振 动条件W₀₁下的首发故障时间记为t_V1，t_V2，…，t_Vj…t_Vm，j＝1，2，…m；将m 个潜在薄弱点在振动条件W₀₂下的首发故障时间记为t'_V1，t'_V2，…，t'_Vj，…t'_Vm, 将第j个薄弱环节点在振动条件W₀₁和振动条件W₀₂条件下的首发故障时间代入 公式:

$\frac{{t_{\mathrm{vi}}}^{\prime }}{t_{\mathrm{vi}}}={\left(\frac{W_{01}}{W_{02}}\right)}^{b_{\mathrm{vi}}}···\left[4\right]$

得到第j个故障点的常数因子b_vi；将m个潜在故障点的加速因子进行算 术平均，得到振动加速因子b_V：

$b_V=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_{\mathrm{vj}}···\left[4\right]$

7.2、计算在振动应力施加时间T₁'下的振动量值W_b：

$W_b=W_a\times {\left(\frac{{T_0}^{\prime }}{{T_1}^{\prime }}\right)}^{\frac{1}{b_V}}···\left[6\right]$

8、试验实施及试验结果评估：综合温度和振动应力条件，并按照综合后 的加速试验条件开展试验，试验结束后，按照下式对产品的平均故障间隔时 间MTBF在给定置信度下的单侧置信下限θ_L进行评估：

${\theta }_L\ge \frac{2T_0}{{\chi }_{(1-c)(2r+2)}^2}···\left[7\right]$

式中：r是在可靠性加速试验时间T₁内出现的责任故障数；

C是置信度，C＝0～1。

本发明的优点是：提出了一种基于故障物理的电子产品可靠性加速试验 方法，能考虑应力在产品结构中的传递作用，提高了模型的准确度，进而提 高了试验结果精度。

附图说明

图1是基于环境模拟的可靠性试验剖面示例，图中上半部分为温度条件， 横坐标为时间，单位为min，纵坐标为温度量值，单位为℃；图中下半部分为 振动条件，横坐标为时间，单位为min，纵坐标为振动量值，以功率谱密度表 示，单位为g²/Hz，对应图2振动谱型中的W₀值；温度条件和振动条件综合施 加，在第0～60min和420min～480min只施加温度条件；第60min～420min 和480min～840min同时施加温度和振动条件。

图2是图1中振动应力的谱型说明，横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标 为功率谱密度，单位为g²/Hz，图中的W₀代表功率谱密度量值。

图3是按照本发明中的方法计算出的可靠性加速试验剖面示例，图中上 半部分为温度条件，横坐标为时间，单位为min，纵坐标为温度量值，单位为℃； 图中下半部分为振动条件，横坐标为时间，单位为min，纵坐标为振动量值， 以功率谱密度表示，单位为g²/Hz，对应图2振动谱型中的W₀值；温度条件和 振动条件综合施加，在第0～20min只施加温度条件；第20min～140min同时 施加温度和振动条件。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。一种基于故障物理的电子产品可靠性 加速试验方法，其特征在于：进行电子产品可靠性加速试验的步骤如下：

1、构建电子产品的数字样机模型：数字样机模型是指二维数字样机模型 或三维数字样机模型，电子产品包括机箱、支架、模块、电路板和元器件；

2、热应力状态和振动应力状态分析：采用有限元仿真分析软件分析电子 产品在载荷条件下的热应力状态和振动应力状态，载荷条件是指环境载荷和 工作载荷；

3、确定电子产品的故障机理：根据电子产品所承受热应力状态和振动应 力状态，结合电子产品的故障模式、影响及危害性分析报告、外场和实验室 故障数据，确定电子产品的主要失效位置、失效模块、失效电路板和潜在故 障元器件，及其故障机理。

4、确定电子产品的故障物理模型：根据潜在故障元器件的故障机理，确 定电子产品的故障物理模型，设置潜在故障元器件的几何结构参数、材料属 性、应力参数、模型修正因子等模型参数；

5、给定可靠性加速试验的温度条件：高温：被试验电子产品给出的极限 温度范围的上限减去10℃～20℃，持续时间为温度稳定时间加上被试验电子 产品测试时间；低温：被试验电子产品给出的极限温度范围的下限加上5℃～ 10℃，持续时间为温度稳定时间加上被试验电子产品测试时间；温度变化率： 5℃/min～15℃/min；：

6、计算加速试验时间T₁：以被试验电子产品基于环境模拟的可靠性试验 剖面中的温度条件和试验时间T₀为输入参数，计算在给定可靠性加速试验中 给出的温度条件下的加速试验时间T₁，具体方法如下：

6.1、计算温度条件加速因子τ_V：根据电子产品的故障物理模型，计算潜 在故障元器件在环境模拟的可靠性试验剖面中的温度条件下的损伤，得到环 境模拟的可靠性试验剖面中的温度条件持续作用下热疲劳失效的n个潜在薄 弱点N₁，N₂，…，N_n，n个潜在薄弱点的首发故障循环数分别记为N_T1，N_T2，… N_Ti，…N_Tn，i＝1，2，…n；计算在给定可靠性加速试验的温度条件的损伤，得 到n个潜在薄弱点的首发故障循环数分别记为N'_T1，N'_T2，…N'_Ti，…N'_Tn；第i 个故障点的加速因子τ_Vi：

${\tau }_{\mathrm{Vi}}=\frac{N_{\mathrm{Ti}}}{{N^{\prime }}_{\mathrm{Ti}}}···\left[8\right]$

将n个潜在故障点的加速因子进行算术平均，得到产品温度加速因子τ_V：

${\tau }_V=\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{\tau }_{\mathrm{Vi}}···\left[9\right]$

6.2、计算加速试验时间T₁：

$T_1=\frac{T_0}{{\tau }_V\times t_1}···\left[10\right]$

其中，t₁为给定可靠性加速试验的温度条件时间；

7、计算可靠性加速试验的振动条件：以基于环境模拟的可靠性试验剖面 的振动条件和对应的振动应力施加时间T₀'为输入参数，计算加速试验时间T₁内振动应力施加时间T₁'的振动量值，具体方法如下：

7.1、计算振动加速因子b_V：根据电子产品的故障物理模型，计算潜在故 障元器件在环境模拟的可靠性试验剖面中的振动条件下的损伤，得到产品在 基于环境模拟的可靠性试验剖面中振动条件W_a下振动疲劳失效的m个潜在薄 弱点，分别在振动条件W₀₁和振动条件W₀₂下，得出的振动疲劳损伤模型分别计 算产品在振动耐久故障点损伤率为1时的失效时间，将m个潜在薄弱点在振 动条件W₀₁下的首发故障时间记为t_V1，t_V2，…，t_Vj…t_Vm，j＝1，2，…m；将m 个潜在薄弱点在振动条件W₀₂下的首发故障时间记为t'_V1，t'_V2，…，t'_Vj，…t'_Vm, 将第j个薄弱环节点在振动条件W₀₁和振动条件W₀₂条件下的首发故障时间代入 公式:

$\frac{{t_{\mathrm{vi}}}^{\prime }}{t_{\mathrm{vi}}}={\left(\frac{W_{01}}{W_{02}}\right)}^{b_{\mathrm{vi}}}···\left[11\right]$

得到第j个故障点的常数因子b_vi；将m个潜在故障点的加速因子进行算 术平均，得到振动加速因子b_V：

$b_V=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_{\mathrm{vj}}···\left[12\right]$

7.2、计算在振动应力施加时间T₁'下的振动量值W_b：

$W_b=W_a\times {\left(\frac{{T_0}^{\prime }}{{T_1}^{\prime }}\right)}^{\frac{1}{b_V}}···\left[13\right]$

8、试验实施及试验结果评估：综合温度和振动应力条件，并按照综合后 的加速试验条件开展试验，试验结束后，按照下式对产品的平均故障间隔时 间MTBF在给定置信度下的单侧置信下限θ_L进行评估：

${\theta }_L\ge \frac{2T_0}{{\chi }_{(1-c)(2r+2)}^2}···\left[14\right]$

式中：r是在可靠性加速试验时间T₁内出现的责任故障数；

C是置信度，C＝0～1。

实施例:

本案例选用的对象为无线电接口单元，其平均故障间隔时间最低可接受 值为3000小时，安装与某型飞机电子设备架，基于环境模拟的可靠性试验剖 面如图1所示，在前期开展过可靠性强化试验，得到的工作应力极限为：温 度：-80℃～110℃，振动：≤0.5g²/Hz；根据订购方要求，在图1剖面下的试 验时间为30000小时，设计可靠性加速试验方案。

1、构建电子产品的数字样机模型：产品按照设计信息建立了包括机箱结 构、10个模块，及272种型号10494只元器件在内的数字样机模型；

2、热应力状态和振动应力状态分析：在构建的数字样机模型基础上，按 照图1剖面，进行了流体力学分析和振动有限元分析，获得产品内部包括机 箱、模块、和元器件在内的热和振动微观应力状态；

3、确定电子产品的故障机理：根据热应力状态和振动应力状态分析结果， 结合电子产品的故障模式、影响及危害性分析报告、外场和实验室故障数据， 确定无线电接口单元的主要潜在故障元器件及其故障模式和故障机理，如表1 所示，共有10个热疲劳薄弱点和5个振动疲劳薄弱点。

4、确定电子产品的故障物理模型：对表1潜在故障元器件的故障机理进 行分析，确定了无线电接口单元的故障物理模型，并对各故障元器件的几何 结构参数、材料属性、应力参数、模型修正因子等模型参数进行设置；

5、给定可靠性加速试验的温度条件：低温：-65℃，持续时间30min；高 温：85℃，持续时间90min；温变率：15℃/min。一个循环时间为140min， 如图3所示。

6、计算加速试验时间T₁：

6.1、计算温度条件加速因子τ_V：根据电子产品的故障物理模型，以30000 小时对应的2143循环可靠性试验剖面为输入计算加速温度应力条件下的平均 故障首发时间，通过对正常条件下10个热疲劳潜在薄弱点进行分析，计算各 潜在故障点在图1温度条件下和图3温度条件下的首发故障时间及加速因子， 如表2所示；根据潜在故障点的加速因子进行算术平均，获得产品加速因子：

${\tau }_V=\frac{1}{10}\Sigma {\tau }_{\mathrm{Vi}}=\frac{1}{10}(4.6+7.0+7.8+4.3+7.4+4.5+4.6+4.4+4.2+4.0)=5.25$

6.2、计算加速试验时间T₁：

$T_1=\frac{T_0}{{\tau }_V\times t_1}=\frac{3000}{5.25\times 140/60}=952.4h$

7、计算可靠性加速试验的振动条件：以基于环境模拟的可靠性试验剖面 的振动条件和对应的振动应力施加时间T₀'为输入参数，计算加速试验时间T₁内振动应力施加时间T₁'的振动量值，具体方法如下：

7.1、计算振动加速因子b_V：

分别在以图2谱形振动量值0.001g²/Hz和0.005g²/Hz条件下得出的振 动疲劳损伤模型分别计算产品在振动耐久故障点损伤率为1时的失效时间， 将第各个潜在薄弱点在振动条件W₀₁：0.001g²/Hz对应的首发故障时间均值和 W₀₁：0.005g²/Hz条件下的首发故障时间均值代入公式

$\frac{{t_{\mathrm{vi}}}^{\prime }}{t_{\mathrm{vi}}}={\left(\frac{W_{01}}{W_{02}}\right)}^{b_{\mathrm{vi}}}···\left[15\right]$

可得各个潜在薄弱点的振动加速因子，如表3所示；

对表3中5潜在薄弱点的加速因子进行算术平均，获得产品加速因子：

$b_V=\frac{1}{5}\Sigma b_{\mathrm{Vi}}=\frac{1}{5}(3.198+3.203+3.2+3.202+3.199)=3.2$

7.2、计算在振动应力施加时间T₁'下的振动量值W_b：

根据经验，在图3中140min循环时间内前20min不施加振动，后120min 施加两次3min的最大振动，与图1剖面运行30000小时时间内的最大振动 (0.005g²/Hz)损伤等效；其余114min施加最小振动，与图1剖面运行30000h 时间内的最小振动(0.001g²/Hz)损伤等效。

最大振动量值W₀和施加时间计算：

按照图1剖面，每循环有6min的0.005g²/Hz最大振动，运行30000h的 最大振动总时间为2143*6＝12858min，；按照加速条件共有约 952.4*60/140＝408个循环，最大振动量值总时间为408*6＝2448min，最大振 动量值：

$W_0=0.005\times {\left(\frac{12858}{2448}\right)}^{\frac{1}{3.2}}=0.0084g^2/\mathrm{Hz}$

最小振动量值W₁和施加时间计算：

按照图1剖面，每循环714min的0.001g²/Hz最小振动，运行30000h最 小振动总时间为2143*714＝1530102min；按照加速条件共有约408个循环，最 小振动量值总时间为408*114＝46512min，最小振动量值：

$W_1=0.001\times {\left(\frac{1530102}{46512}\right)}^{\frac{1}{3.2}}=0.003g^2/\mathrm{Hz}$

8、试验实施及试验结果评估：

无线电接口单元受试产品在累计图3剖面下进行了952.4h的可靠性加速 试验，等效在图1剖面下进行30000h的基于环境模拟的可靠性试验，试验过 程中出现3次责任故障，按照下式进行评估：

$\theta \ge \frac{2T}{{\chi }_{(1-c)(2r+2)}^2}$

等效试验时间T取30000小时，责任故障数r取3，置信度c取70％，代 入上式可得

$\theta \ge \frac{2\times 30000}{{\chi }_{\mathrm{0.3,8}}^2}\approx 6300h$

因此，在952.4h的可靠性加速试验时间的结束后，在70％置信度下，无 线电接口单元受试产品的平均故障间隔时间单侧置信下限为6300h。

表1无线电接口单元潜在故障元器件及其故障模式和故障机理

表2无线电接口单元10个热疲劳潜在薄弱点加速因子

表3无线电接口单元5个振动疲劳潜在薄弱点加速因子