高可靠電子設(shè)備可靠性仿真試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用研究

張蕊，汪凱蔚，沈崢嶸

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的快速提升和各類虛擬仿真軟件在商業(yè)中的廣泛應(yīng)用，如何利用各類虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來解決高可靠電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)問題已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。在國(guó)外，可靠性仿真試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)取得了較大的發(fā)展，形成了完善的理論基礎(chǔ)和豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但該技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)卻處于起步階段，其理論研究及工程應(yīng)用較少。本文在分析和整合熱仿真、振動(dòng)仿真以及故障預(yù)計(jì)仿真等各項(xiàng)仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，給出每項(xiàng)仿真試驗(yàn)輸入條件和輸出應(yīng)用方法，并給出基于故障聚類擬合和基于蒙特卡洛的可靠性評(píng)價(jià)流程，形成一個(gè)完整的高可靠電子設(shè)備可靠性仿真試驗(yàn)方法，最后給出了以某電子設(shè)備為試驗(yàn)對(duì)象的試驗(yàn)案例。

1 可靠性仿真試驗(yàn)的概念及原理

可靠性仿真試驗(yàn)是基于故障物理原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)仿真分析軟件，對(duì)實(shí)際或設(shè)想的設(shè)備進(jìn)行數(shù)字模型可靠性分析、計(jì)算的過程?？煽啃苑抡嬖囼?yàn)主要通過軟件來建立產(chǎn)品的仿真模型，施加產(chǎn)品所需經(jīng)歷的載荷歷程（包括溫度和振動(dòng)），分解到產(chǎn)品的基本模塊上，進(jìn)行應(yīng)力分析和應(yīng)力損傷分析，從而找出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)提高產(chǎn)品的固有可靠性，并能夠通過仿真預(yù)計(jì)產(chǎn)品的失效時(shí)間分布，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性水平。

2 與傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)的比較

從本質(zhì)上來說，可靠性仿真試驗(yàn)和傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)一樣，都是一種對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)的手段，其目的也都是為了發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷以及評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性水平，而兩者之間的區(qū)別在于試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)條件等試驗(yàn)因素的不同，如表1所示。

表1 可靠性仿真試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)的比較

從表1中可以看出，與傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)相比，可靠性仿真試驗(yàn)具有試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、試驗(yàn)周期短以及試驗(yàn)成本低的特點(diǎn)。

3 各類虛擬仿真技術(shù)

3.1 熱仿真（CFD）

計(jì)算流體力學(xué)熱仿真（CFD：Computational Fluid Dynamics）是一種求解數(shù)學(xué)方程組來預(yù)測(cè)流體流動(dòng)、熱交換、質(zhì)量交換、化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)現(xiàn)象的科學(xué)。計(jì)算機(jī)輔助熱仿真是集數(shù)值傳熱、數(shù)值計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的一項(xiàng)技術(shù)，為電子設(shè)備的熱可靠性設(shè)計(jì)提供了一種理想的分析方法，用于電子設(shè)備的方案論證階段以及成品的熱分析。

3.2 振動(dòng)仿真（FEA）

有限元分析振動(dòng)仿真（FEA：Finite Element Analysis）是在力學(xué)模型上將一個(gè)原來連續(xù)的物體離散成為有限個(gè)具有一定大小的單元，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連接，并在節(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效力以代替實(shí)際作用于單元上的外力。對(duì)于每個(gè)單元，根據(jù)分塊近似的思想，選擇一種簡(jiǎn)單的函數(shù)來表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，并按彈性理論中的能量原理建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后，把所有單元的這種關(guān)系式集合起來，就得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組，從而求出物體上有限個(gè)離散節(jié)點(diǎn)上的位移。該仿真技術(shù)使得設(shè)計(jì)人員通過有效的計(jì)算機(jī)計(jì)算，確切地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)，在未來工作時(shí)所發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。

3.3 故障預(yù)計(jì)仿真 [1-2]

故障預(yù)計(jì)仿真是基于故障物理的可靠性分析，產(chǎn)品的任何故障必然是由特定的熱、機(jī)械、化學(xué)、物理或電子驅(qū)使的某種故障機(jī)理所導(dǎo)致。人們可以利用這種必然的規(guī)律，通過對(duì)產(chǎn)品工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)特性和物理特性的深入認(rèn)識(shí)來確定產(chǎn)品潛在的故障機(jī)理，從而采取 “事前預(yù)防”的措施。

基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真分析和預(yù)計(jì)與傳統(tǒng)的可靠性分析和預(yù)計(jì)方法不同，它是利用材料、結(jié)構(gòu)、工藝和應(yīng)力等性能參數(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字模型并進(jìn)行失效模式、機(jī)理與影響分析，得到其所有的潛在失效點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的物理模型；再利用應(yīng)力損傷分析對(duì)每個(gè)電路板（模塊）進(jìn)行故障預(yù)計(jì)，得到每一個(gè)潛在失效點(diǎn)在某一失效機(jī)理下仿真的大樣本量失效時(shí)間數(shù)據(jù)，利用 “最早失效時(shí)間” 來確定電子產(chǎn)品故障前時(shí)間，從而能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期的設(shè)計(jì)缺陷。在國(guó)外，基于故障物理的可靠性仿真分析和預(yù)計(jì)研究較為廣泛和深入，美國(guó)陸軍裝備系統(tǒng)分析中心（AMSAA）與馬里蘭大學(xué)CALCE中心合作，對(duì)基于故障物理的可靠性技術(shù)進(jìn)行研究，并開發(fā)出了可靠性仿真軟件工具CalcePWA?；诠收衔锢淼墓收戏治鲕浖闪穗娮釉O(shè)備常見的各種故障物理模型，具有對(duì)電路板組件及電子元器件進(jìn)行應(yīng)力-累積損傷分析和故障時(shí)間預(yù)計(jì)的能力，其功能模塊主要包括故障物理分析建模、應(yīng)力損傷分析、累積損傷分析和蒙特卡羅仿真等。

4 可靠性仿真試驗(yàn)的實(shí)施方法

4.1 可靠性仿真試驗(yàn)流程 [3]

可靠性仿真試驗(yàn)主要包括受試產(chǎn)品的信息收集、仿真建模、仿真分析以及仿真評(píng)估4個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示，即：1）收集可靠性仿真試驗(yàn)所必須的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及使用環(huán)境信息；2）根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，利用仿真軟件建立產(chǎn)品的仿真模型；3）將產(chǎn)品的使用環(huán)境信息經(jīng)過處理作為試驗(yàn)條件施加于仿真模型中并進(jìn)行仿真分析；4）根據(jù)仿真分析得到的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性仿真評(píng)估。

圖1 可靠性仿真試驗(yàn)流程

4.2 信息收集

可靠性仿真信息收集就是要收集可靠性仿真試驗(yàn)、仿真建模以及仿真分析所需要的產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息和使用信息，主要包括以下內(nèi)容：

1）整機(jī)信息，如尺寸、重量、整機(jī)功率、結(jié)構(gòu)以及機(jī)箱材料的力學(xué)參數(shù)、整機(jī)裝配信息等；

2）印制線路板信息，如電路板的材料、熱力學(xué)參數(shù)、尺寸、覆銅比、安裝方式、與其余部分的交聯(lián)關(guān)系、有無散熱措施以及板上焊點(diǎn)的材料與面積等；

3）元器件信息，如功率、尺寸、重量、工藝信息（封裝形式、封裝材料、引腳材料等）和位置等；

4）使用環(huán)境信息，如整機(jī)的溫度應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力等，主要以試驗(yàn)剖面的形式反映。

4.3 仿真建模

仿真建模就是利用軟件來建立可靠性仿真試驗(yàn)時(shí)所需要的試驗(yàn)對(duì)象，即反映產(chǎn)品某種特性的仿真模型。

a）CAD模型

使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立的、描述設(shè)備幾何特征和材料屬性的三維數(shù)字模型。

b）CFD模型

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件建立的、描述設(shè)備熱特性的三維數(shù)字模型。

c）FEA模型

采用有限元方法建立的、描述設(shè)備力學(xué)特征的三維數(shù)字模型。

d）故障預(yù)計(jì)模型

采用故障預(yù)計(jì)軟件建立的、描述設(shè)備故障物理特征的二維數(shù)字模型。

4.4 仿真分析

仿真分析就是利用軟件在所建立的仿真模型上施加虛擬的外部環(huán)境條件，從而得到響應(yīng)的過程，其分析流程如圖2所示。首先利用溫度環(huán)境條件和振動(dòng)環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)品開展熱分析以及振動(dòng)分析，得到產(chǎn)品的熱、振動(dòng)響應(yīng)；其次利用產(chǎn)品的熱、振動(dòng)響應(yīng)開展故障預(yù)計(jì)，得到產(chǎn)品的故障信息，即產(chǎn)品各位置預(yù)計(jì)發(fā)生故障的時(shí)間以及相對(duì)應(yīng)的故障模式和故障機(jī)理。

圖2 仿真分析流程

4.5 可靠性仿真評(píng)估 [4]

可靠性仿真評(píng)估就是利用故障預(yù)計(jì)所輸出的故障信息來估算和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性水平。其流程如下：

a）單點(diǎn)故障密度分布擬合

根據(jù)某一潛在故障點(diǎn)的蒙特卡洛仿真大樣本故障時(shí)間數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方法來擬合潛在故障點(diǎn)的故障時(shí)間分布。一般采用威布爾分布、指數(shù)分布、正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布等擬合。

b）多點(diǎn)故障密度分布融合

對(duì)各單點(diǎn)故障，采用蒙特卡洛仿真方法進(jìn)行故障分布融合，得到產(chǎn)品的故障時(shí)間分布。

c）可靠性仿真評(píng)估

由產(chǎn)品的故障密度分布函數(shù)來求解在規(guī)定置信度下的可靠性仿真評(píng)估值。

5 案例研究

本案例以某飛機(jī)的機(jī)載電子設(shè)備為例，介紹了可靠性仿真試驗(yàn)的流程，并得出了該電子設(shè)備的可靠性指標(biāo)平均首發(fā)故障時(shí)間。

5.1 信息收集

a）產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息

該設(shè)備由4個(gè)模塊、215種型號(hào)1 049只元器件構(gòu)成，本次試驗(yàn)共收集了包括PCB設(shè)計(jì)信息、全部元器件信息在內(nèi)的型號(hào)、封裝、重量和尺寸等近5 000條相關(guān)信息。

b）試驗(yàn)條件信息

采用該產(chǎn)品進(jìn)行研制所用的綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面中的溫度和振動(dòng)環(huán)境信息作為可靠性仿真分析的邊界條件，綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面和振動(dòng)譜型示意如圖3、4所示。

圖3 綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面

圖4 振動(dòng)譜型圖

5.2 仿真建模

首先，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化后建立產(chǎn)品的CAD數(shù)字樣機(jī)如圖5所示，該模型反映了產(chǎn)品的組成和基本連接關(guān)系，作為后續(xù)熱仿真和振動(dòng)仿真分析的模型輸入。

圖5 CAD數(shù)字樣機(jī)

結(jié)合產(chǎn)品CAD數(shù)字樣機(jī)及收集的產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，采用專用的熱分析軟件ICEPAK建立產(chǎn)品CFD數(shù)字樣機(jī)，該數(shù)字樣機(jī)中設(shè)定了與產(chǎn)品熱特性相關(guān)的各種參數(shù)信息，如散熱措施、各種材料的熱傳導(dǎo)特性、元器件實(shí)際功耗等；同時(shí)，采用ANASYS軟件建立產(chǎn)品FEA數(shù)字樣機(jī)，設(shè)定與振動(dòng)相關(guān)的參數(shù)，如材料的彈性模量、密度、泊松比和元器件質(zhì)量等，某電子設(shè)備的CFD和FEA數(shù)字樣機(jī)如圖6所示。

圖6 CFD數(shù)字樣機(jī)（a）和FEA數(shù)字樣機(jī)（b）

最后，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，在專用的故障預(yù)計(jì)軟件中建立各模塊的故障預(yù)計(jì)模型，在故障預(yù)計(jì)建模時(shí)需要輸入產(chǎn)品元器件的詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)信息，該電子設(shè)備中某模塊的故障預(yù)計(jì)模型如圖7所示。

圖7 故障預(yù)計(jì)數(shù)字樣機(jī)

5.3 仿真分析

針對(duì)產(chǎn)品的CFD、FEA仿真模型，開展熱響應(yīng)分析以及振動(dòng)響應(yīng)分析，得到產(chǎn)品綜合試驗(yàn)剖面中各個(gè)溫度條件下和振動(dòng)應(yīng)力下產(chǎn)品的熱分布云圖和加速度響應(yīng)云圖。如環(huán)境溫度為70℃時(shí)該產(chǎn)品的整體和模塊3溫度分布云圖如圖8、10所示，在最大振動(dòng)量級(jí)下整機(jī)和模塊3隨機(jī)振動(dòng)加速度響應(yīng)和位移均方根值云圖如圖9、11所示。

圖9 整機(jī)隨機(jī)振動(dòng)加速度響應(yīng)云圖

圖10 模塊3溫度分布云圖

圖11 模塊3隨機(jī)振動(dòng)加速度響應(yīng)和位移均方根值云圖

從熱仿真分析和振動(dòng)仿真分析得到的產(chǎn)品溫度分布云圖和加速度響應(yīng)分布云圖中，設(shè)計(jì)師可以了解產(chǎn)品的主要發(fā)熱區(qū)域和高溫器件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形或位移較大的薄弱點(diǎn)，從而采取有效的措施進(jìn)行改進(jìn)，提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)。例如：從整機(jī)溫度分布云圖中得知機(jī)箱溫度表面的平均溫度為91℃，比環(huán)境溫度高21℃，同時(shí)發(fā)現(xiàn)模塊3在環(huán)境溫度為70℃時(shí)，其模塊溫度范圍在100～110℃，相對(duì)其它模塊溫度較高，尤其是D1芯片表面溫度達(dá)到118.4℃，超出技術(shù)規(guī)范中的使用溫度范圍，經(jīng)分析得知該芯片為DSP，具有信息處理功能，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)算后，熱量積累現(xiàn)象會(huì)較嚴(yán)重，因此，設(shè)計(jì)師需盡可能地采用一些散熱措施，如在DSP表面增加散熱器等來降低殼溫；同時(shí)，通過對(duì)電子設(shè)備數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，發(fā)現(xiàn)模塊3的PCB板上部邊角部位法向加速度均方根值最大為11.9 g，中部位移最大值為0.013 mm，加速度響應(yīng)相對(duì)較大，容易產(chǎn)生振動(dòng)疲勞損傷。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該模塊電路板的尺寸相對(duì)較大，但支撐點(diǎn)較少，致使電路板的支撐剛度變小，從而導(dǎo)致該分機(jī)中尺寸較大的電路板的振動(dòng)響應(yīng)和曲率相對(duì)過大，設(shè)計(jì)師需在振動(dòng)響應(yīng)較大且有重要元器件的部位處增加固定支撐點(diǎn)或添加加強(qiáng)筋，以提高支撐剛度；或者增加阻尼材料，以降低響應(yīng)幅值。

將綜合試驗(yàn)剖面中各個(gè)溫度和振動(dòng)條件下得到的產(chǎn)品及內(nèi)部各模塊的熱仿真和振動(dòng)仿真分布云圖輸入至故障預(yù)計(jì)軟件，利用故障預(yù)計(jì)模型開展故障預(yù)計(jì)仿真分析，模擬產(chǎn)品在綜合試驗(yàn)剖面下進(jìn)行30 000 h飛行，進(jìn)行蒙特卡羅仿真得到該產(chǎn)品的故障信息矩陣，從而得出各個(gè)模塊中故障發(fā)生模式、機(jī)理及時(shí)間，其中各模塊不滿足壽命要求（例如要求壽命大于30 000 h）的故障信息如表2所示。以模塊3為例，從故障信息表中可以看出，模塊3的故障預(yù)計(jì)仿真進(jìn)一步定量地反映了熱仿真和振動(dòng)仿真的薄弱點(diǎn)，D1器件最終會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)由于熱疲勞而發(fā)生焊點(diǎn)開裂，模塊中的部分器件會(huì)由于振動(dòng)疲勞而發(fā)生故障。

表2 各模塊不滿足壽命要求故障信息

5.4 仿真評(píng)估

通過單點(diǎn)故障分布擬合對(duì)故障信息矩陣中各故障機(jī)理的故障時(shí)間進(jìn)行處理，得到各故障機(jī)理的故障分布，在此基礎(chǔ)上利用多點(diǎn)故障分布融合算法，得出器件、模塊、設(shè)備及系統(tǒng)的故障分布及可靠性水平，其仿真流程如圖12所示。

對(duì)該電子設(shè)備故障預(yù)計(jì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)故障密度分布擬合、多點(diǎn)故障密度分布融合、可靠性仿真評(píng)估，得到該產(chǎn)品的平均首發(fā)故障時(shí)間MTTFF為11 376 h，詳見表3。

圖12 可靠性仿真評(píng)價(jià)一般流程

表3 受試產(chǎn)品及各模塊可靠性評(píng)估表

6 結(jié)束語

在產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)階段開展可靠性仿真試驗(yàn)可以有效地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)以及對(duì)產(chǎn)品的可靠性水平進(jìn)行快速的評(píng)價(jià)，相比傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)而言，具有經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)勢(shì)。但由于仿真軟件的限制，本文提供的電子設(shè)備可靠性仿真應(yīng)用方法尚有缺陷，例如故障預(yù)計(jì)仿真軟件無法給出元器件內(nèi)部故障的信息；同時(shí)后續(xù)還可以把電路仿真技術(shù)添加進(jìn)來，形成更完整的可靠性仿真試驗(yàn)方法。

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