一种基于故障物理的电子产品可靠性加速试验方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种基于故障物理的电子产品可靠性加速试验方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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I. 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】
[0003] 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 考虑应力在广品结构中的传递作用，提1?!?型的准确度，进而提1?试验结果精度。
[0004] 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：
[0005] 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；
[0006] 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；
[0007] 3、确定电子广品的故障机理：根据电子广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。
[0008] 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；
[0009] 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KTC?20°C，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°C?10°C，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°C /min?15°C /min ;:
[0010] 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Ttl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：
[0011] 6. 1、计算温度条件加速因子Tv :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,…，Nn，n个潜在薄弱点 的首发故障循环数分别记为乂1，乂2,?1'111，?乂11，1 = 1，2，?11;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'T1，…N'Tn;第i个故障点的加速因子tv1:
【权利要求】
1. 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. 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； 1. 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； 1. 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。 1.4、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； 1. 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KTC?20°C，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°C?10°C，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°C /min?15°C /min ;: 1. 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Ttl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T 1，具体方法如下： 1. 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η个潜在薄弱点NpN 2,…，Νη，η个潜在薄弱点的首 发故障循环数分别记为ΝΤ1，Ν Τ2，…NTi，…NTn，i = l，2，…η;计算在给定可靠性加速试验 的温度条件的损伤，得到η个潜在薄弱点的首发故障循环数分别记为Ν' Τ1，Ν' Τ2，…Ν' Ti^·· Ν' τη ;第i个故障点的加速因子τ Vi :
将η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 :
1.6. 2、计算加速试验时间T1 :
其中，h为给定可靠性加速试验的温度条件时间； 1. 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T' ^为输入参数，计算加速试验时间T1内振动应力施加时间 Iw 1的振动量值，具体方法如下： 1. 7. 1、计算振动加速因子bv :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Wa下振动疲劳失效的m个潜在薄弱点，分别在振动条件Wtll和振动条件 Wtl2T，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W cil下的首发故障时间记为tvl，tV2，…，?ν」···? νηι，j = 1， 2，…m;将m个潜在薄弱点在振动条件Wtl2下的首发故障时间记为t'vl，t' V2，…，t'Vj,… t' Vm，将第j个薄弱环节点在振动条件Wtll和振动条件Wtl2条件下的首发故障时间代入公式：
得到第j个故障点的常数因子bvi ;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bv :
1. 7. 2、计算在振动应力施加时间Ti ,下的振动量值Wh :
1. 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h进行评估：
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 = O?1。
【文档编号】G06F17/50GK104392073SQ201410771569
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】任占勇, 王昕 , 陈新, 孙瑞锋, 李想, 王欣, 王礼沅, 杜鑫 申请人:中国航空综合技术研究所