光電產(chǎn)品的可靠性仿真試驗(yàn)＊

淦 創(chuàng)

（北京航空航天大學(xué) 北京 100191）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的誕生，出現(xiàn)了各種新的電子元器件封裝技術(shù)，使電子設(shè)備的集成度和功能的復(fù)雜度越來越高，航空裝備的高可靠性需求，要求我們在產(chǎn)品的設(shè)計階段就不斷提高產(chǎn)品的可靠性，產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計出來的、生產(chǎn)出來的，這就要求我們找到能夠在短期內(nèi)評估其可靠性的技術(shù)和方法。本文就可靠性仿真試驗(yàn)、可靠性仿真分析等，作進(jìn)一步的研究和探討。

2 試驗(yàn)流程與環(huán)境應(yīng)力

1）試驗(yàn)流程。電子產(chǎn)品的可靠性仿真試驗(yàn)共五個步驟：產(chǎn)品設(shè)計信息采集、產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)建模、應(yīng)力分析、故障預(yù)計、可靠性仿真評估?？煽啃苑抡嬖囼?yàn)流程圖如圖1所示。

圖1 可靠性仿真試驗(yàn)流程圖

2）試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力。電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力包括：溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力。

（1）仿真試驗(yàn)溫度應(yīng)力包括四個條件，量值見表1。

表1 溫度應(yīng)力條件表

（2）仿真試驗(yàn)振動應(yīng)力包括三個條件，振動量級見表2。

表2 振動應(yīng)力量級表

3 可靠性仿真試驗(yàn)

可靠性仿真試驗(yàn)共五個步驟：產(chǎn)品設(shè)計信息采集、產(chǎn)品字樣機(jī)建模、應(yīng)力分析、故障預(yù)計、可靠性仿真評估?？煽啃苑抡嬖囼?yàn)流程圖如圖1所示。

1）信息收集。收集全部信息，例如，PCB設(shè)計信息、全部元器件信息的模塊共3塊，15種281只元器件，包括型號、封裝、重量，尺寸等相關(guān)信息。信息收集表見表3。

表3 信息收集表

2）數(shù)字樣機(jī)建模。

3）模型修正與驗(yàn)證。為保證數(shù)字樣機(jī)的準(zhǔn)確性及數(shù)字樣機(jī)模型與物理樣機(jī)的一致性，通過對物理樣機(jī)采用熱測量試驗(yàn)的方法，得到物理樣機(jī)關(guān)鍵器件點(diǎn)溫度測試結(jié)果，對已建立的CFD初始模型進(jìn)行了修正，從而保證了CFD數(shù)字樣機(jī)的準(zhǔn)確性；通過對物理樣機(jī)采用模態(tài)試驗(yàn)的方法，對FEA數(shù)字樣機(jī)的初始模型進(jìn)行了修正，試驗(yàn)首先對電路板、空機(jī)箱及整機(jī)進(jìn)行自由模態(tài)分析，保證建模的準(zhǔn)確性，然后對電路板進(jìn)行約束條件下的模態(tài)分析，以保證仿真分析設(shè)置的邊界條件的準(zhǔn)確性，最后對整機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動分析，驗(yàn)證數(shù)字樣機(jī)模型與物理樣機(jī)的一致性。

根據(jù)熱測量試驗(yàn)結(jié)果，對產(chǎn)品CFD數(shù)字樣機(jī)的邊界條件、器件參數(shù)等部分進(jìn)行修正。將模型修正之后的溫度應(yīng)力分析結(jié)果與熱測量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比見表4，對比結(jié)果誤差滿足要求，表明了溫度應(yīng)力分析采用模型的正確性。

網(wǎng)格劃分采用了掃掠、單元大小控制及多區(qū)域劃分法，分別對機(jī)箱殼體，各模塊殼體以及電路板組件進(jìn)行單獨(dú)劃分，以保證網(wǎng)格質(zhì)量能夠滿足要求。最終計算得到的網(wǎng)格數(shù)量為76855，網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)采用Skewness算法。

將模型修正之后的振動應(yīng)力分析結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，見表5。對比結(jié)果誤差滿足要求，表明了振動應(yīng)力分析采用模型的正確性。

表4 溫度應(yīng)力分析結(jié)果與熱測量試驗(yàn)結(jié)果對比

表5 振動應(yīng)力分析結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對比

4）應(yīng)力分析

（1）溫度應(yīng)力分析。采用Mentor Graphics公司的Flo－THERM V9.1對產(chǎn)品CFD數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行分析計算，溫度應(yīng)力分析結(jié)果，在平臺環(huán)境溫度70℃條件下的整機(jī)溫度場分布結(jié)果。箱體表面的最高溫度為73℃，比平臺環(huán)境溫度高3℃。為評估產(chǎn)品熱設(shè)計效果將平臺環(huán)境溫度70℃定為第一參考溫度條件，將箱體表面平均溫度（通過表面積加權(quán)計算）定為第二參考溫度條件。

表6 機(jī)箱溫度分析結(jié)果

（2）振動應(yīng)力分析。采用 ANSYS公司的 ANSYS Workbench 12.1對產(chǎn)品FEA數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行分析計算，整機(jī)模態(tài)分析的前三階頻率結(jié)果，見表8。

電源濾波模塊前三階頻率結(jié)果見表9?？刂颇K前三階頻率結(jié)果見表10。整機(jī)及模塊最大響應(yīng)量值和位置見表11。

表7 各模塊溫度分析結(jié)果

表8 整機(jī)諧振頻率及位置

表9 電源濾波模塊諧振頻率及位置

5）故障預(yù)計

（1）故障預(yù)計分析模型

表10 控制模塊諧振頻率及位置

采用CalcePWA軟件建立受試產(chǎn)品的故障預(yù)計分析模型。

（2）故障預(yù)計結(jié)果

采用CalcePWA軟件開展受試產(chǎn)品的故障預(yù)計，結(jié)果如下：

控制模塊的潛在故障點(diǎn)已找到，見圖2，由于在預(yù)期壽命內(nèi)綜合電源模塊未發(fā)現(xiàn)故障器件，故主要故障信息矩陣不再列出。

圖2 電源模塊故障報告

表11 整機(jī)及模塊最大響應(yīng)量值和位置

6）可靠性評估結(jié)果

利用Matlab軟件根據(jù)故障預(yù)計所輸出的潛在故障點(diǎn)的故障時間、仿真計算數(shù)據(jù)，采用競爭失效的原則，通過單點(diǎn)故障密度分布擬合、多點(diǎn)故障密度分布融合分析等方法得到受試產(chǎn)品整機(jī)和各模塊可靠性仿真評估結(jié)果見表12。

表12 可靠性仿真評估結(jié)果

·電源濾波模塊PCB板正面偏左處的電源模塊G1左下角處加速度均方根值及位移均方根值較大。

·機(jī)箱后部的后面板轉(zhuǎn)接板偏右處加速度均方根值與位移均方根值較大。

·受試產(chǎn)品平均首發(fā)故障時間為67065h。

4 可靠性仿真分析

隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)在可靠性研究上的應(yīng)用，形成了可靠性仿真，可靠性仿真技術(shù)作為一門新興的可靠性技術(shù)正在興起，它必將為可靠性設(shè)計工作提供一種強(qiáng)有力的工具。

1）可靠性仿真試驗(yàn)作為仿真技術(shù)在可靠性工程中的研究成果，必將成為可靠性設(shè)計強(qiáng)有力的支撐工具，是提高可靠性設(shè)計的有效途徑；

2）通過對物理樣機(jī)采用熱測量試驗(yàn)的方法和模態(tài)試驗(yàn)的方法，對仿真模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證，保證了數(shù)字樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證數(shù)字樣機(jī)模型與物理樣機(jī)的一致性，從而提高仿真模型的可信度；

3）可靠性仿真試驗(yàn)開展的最佳時機(jī)：在初樣機(jī)設(shè)計完畢，PCB制板前開始，貫穿初樣機(jī)的整個研制階段，重點(diǎn)進(jìn)行熱應(yīng)力分析、振動應(yīng)力分析、故障仿真預(yù)計及可靠性結(jié)果評估；

4）通過可靠性仿真試驗(yàn)?zāi)軌蛟诙唐趦?nèi)對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行評估，并給出定量指標(biāo)，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計方案改進(jìn)；

5）通過可靠性仿真實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)Ξa(chǎn)品的故障進(jìn)行預(yù)計，找到設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，并指明潛在故障發(fā)生的位置和原因，指導(dǎo)設(shè)計改進(jìn)。

5 結(jié)語

通過可靠性仿真試驗(yàn)在光電產(chǎn)品中的具體應(yīng)用，使我們對可靠性仿真試驗(yàn)有了更加深刻的認(rèn)識，加深了對可靠性仿真試驗(yàn)的理解，掌握了可靠性仿真試驗(yàn)實(shí)施流程、分析方法及開展時機(jī)?？煽啃苑抡嬖囼?yàn)具有經(jīng)濟(jì)性好、應(yīng)用范圍廣、通用性好、難度小等優(yōu)點(diǎn)，我們相信可靠性仿真試驗(yàn)作為仿真技術(shù)在可靠性領(lǐng)域的研究成果，作為一種全新的、有效的可靠性研究方法，在產(chǎn)品高可靠性需求下，必將在產(chǎn)品研制生產(chǎn)的可靠性工程中取得更大的應(yīng)用和更好的效果。

［1］萬博，付桂翠，鄒航.航空電子產(chǎn)品可靠性仿真預(yù)計數(shù)據(jù)處理方法研究［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2011（01）：5－9.

［2］李莉，林堅(jiān).基于數(shù)字化平臺的發(fā)電機(jī)控制器可靠性優(yōu)化設(shè)計［J］.航空計算技術(shù)，2009（05）：88－91.

［3］郭維長.可靠性預(yù)計中的置信度問題研究［J］.中國空間科學(xué)技術(shù)，2002（06）：16－20.

［4］任羿，曾聲奎，李曉陽.電子設(shè)備可靠性預(yù)計參數(shù)綜合分析方法研究［J］.宇航學(xué)報，2003（03）：318－321.