可靠性仿真技術(shù)在電路設(shè)計中的應(yīng)用與分析＊

王文智 寧 琦

（1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所 西安 710119）（2.東北電子技術(shù)研究所 錦州 121000）

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，導(dǎo)致對電子設(shè)備功能、集成度、復(fù)雜度和可靠度的要求越來越高。在此背景下，電子設(shè)備傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計、驗證方法和手段已不能滿足對電子設(shè)備可靠性水平的評價需求，因此需要探求一種適合于對電子設(shè)備可靠性水平評估的驗證方法，并指導(dǎo)可靠性設(shè)計工作?？煽啃苑抡婕夹g(shù)是一項可以對電子設(shè)備設(shè)計缺陷和可靠性設(shè)計水平進行驗證與評估，并指導(dǎo)電子設(shè)備改進和完善設(shè)備的新興技術(shù)，是進行電子設(shè)備初期可靠性驗證與評估的技術(shù)之一。本文將通過一例典型電路開展的可靠性仿真工作，闡述可靠性仿真試驗時機、流程、方法、評估數(shù)據(jù)、試驗結(jié)論及對一典型電路完善設(shè)計的指導(dǎo)作用［1］。

2 可靠性仿真技術(shù)與傳統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)分析

可靠性是指電子設(shè)備在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。傳統(tǒng)可靠性設(shè)計、驗證方法，一般采用在規(guī)定的可靠性指標前提下，完成電子設(shè)備的設(shè)計，開展可靠性預(yù)計工作，之后根據(jù)可靠性預(yù)計［3］結(jié)論對電子設(shè)備進行完善設(shè)計，并開展新一輪的可靠性預(yù)計工作，直至可靠性預(yù)計結(jié)果滿足指標要求；在完成上述工作后，開展電子設(shè)備的生產(chǎn)、調(diào)試和可靠性驗證（一般采用定時結(jié)尾的試驗方式）工作；傳統(tǒng)可靠性技術(shù)雖然能夠準確地對電子設(shè)備可靠性指標進行評估，但費用高、周期長，同時其驗證方法對可靠性指標高的電子設(shè)備不具備可操作性［2］。

隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)已在可靠性領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并形成了一門新興的可靠性仿真技術(shù)?？煽啃苑抡婕夹g(shù)與可靠性強化、可靠性加速和可靠性增長等驗證方法共同形成了一種新型可靠性驗證技術(shù)，有效地解決了傳統(tǒng)可靠性技術(shù)存在的費用高、周期長和高指標無法驗證等問題。通過可靠性仿真技術(shù)，電子設(shè)備在設(shè)計初期實現(xiàn)了可靠性評估，通過評估發(fā)現(xiàn)電子設(shè)備設(shè)計初期存在的設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)和潛在故障發(fā)生的位置及原因，通過完善設(shè)計有效地提供了電子設(shè)備的可靠性設(shè)計水平?？煽啃苑抡婕夹g(shù)與傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計、分析和試驗方法對比如表1所示。

表1 可靠性仿真方法與傳統(tǒng)可靠性設(shè)計方法對比

3 可靠性仿真試驗的流程、方法及評估

可靠性仿真試驗適用電子設(shè)備設(shè)計初期，可以有效地發(fā)現(xiàn)電子設(shè)備設(shè)計階段存在的潛在故障和設(shè)計方面的薄弱環(huán)境，并對完善設(shè)計具有指導(dǎo)意義。下面通過一典型電路的可靠性仿真試驗過程，較為詳細地介紹了可靠性仿真試驗的流程、方法及評估［3］。

3.1 可靠性仿真試驗流程

可靠性仿真試驗一般分為五個步驟，流程見圖1。設(shè)計人員應(yīng)首先關(guān)注第1個步驟，并應(yīng)按要求詳細提供電子設(shè)備相關(guān)信息［5］，第2～第5步驟由專業(yè)軟件和專業(yè)設(shè)備實現(xiàn)［4］。

圖1 可靠性仿真試驗流程

3.2 可靠性仿真試驗

依據(jù)可靠性仿真試驗流程，一種典型電路（電源模塊）的可靠性仿真試驗按如下規(guī)定的方面開展工作［5］。

3.2.1 設(shè)計信息采集

為有效地開展電源模塊可靠性仿真試驗工作，需詳細提供電源模塊的應(yīng)用環(huán)境和使用方式，提供電源模塊電路設(shè)計，提供設(shè)計中采用的元器件、原材料特性（主要包括元器件、原材料技術(shù)指標、尺寸、重量、封裝形式等信息）及數(shù)量。

1）環(huán)境試驗剖面：明確電源模塊試驗環(huán)境剖面（如圖2），試驗環(huán)境應(yīng)力包括溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力。

圖2 電源模塊可靠性仿真試驗綜合剖面

2）電源模塊信息收集：收集的信息包括電源模塊PCB設(shè)計信息、全部元器件信息（型號、封裝、重量，尺寸等）。根據(jù)電源模塊PCB設(shè)計信息，電路模塊由印制板1塊、元器件27個（八類）。電源模塊信息收集示意表如表2所示。

表2 信息收集表

3.2.2 數(shù)字樣機建模

電源模塊數(shù)字樣機建模［7］采用專業(yè)軟件實現(xiàn)，一般分為熱設(shè)計信息和振動設(shè)計信息兩類建模方式，建模步驟如下［6］

1）根據(jù)收集的電源模塊信息，經(jīng)過適當簡化建立CAD數(shù)字樣機模型；

2）結(jié)合電源模塊CAD數(shù)字樣機模型，并根據(jù)熱設(shè)計信息建立CFD數(shù)字樣機模型；

3）結(jié)合電源模塊CAD數(shù)字樣機模型，并根據(jù)振動設(shè)計信息建立FEA數(shù)字樣機模型；

4）CFD數(shù)字樣機模型的修正與驗證：為保證CFD數(shù)字樣機模型與物理樣機的一致性，通過對電源模塊工作狀態(tài)熱測量試驗的方法，取得電源模塊關(guān)鍵元器件點溫度測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)熱測量試驗結(jié)果，對電源模塊CFD數(shù)字樣機的邊界條件、器件參數(shù)等部分進行修正，最終完成對CFD數(shù)字模型的修正，從而保證CFD數(shù)字樣機的準確性。電源模塊關(guān)鍵元器件溫度應(yīng)力分析結(jié)果與熱測量試驗結(jié)果對比情況見表3，表中兩種分析結(jié)果的誤差滿足要求，表明了溫度應(yīng)力分析采用模型的正確性；

表3 溫度應(yīng)力分析結(jié)果與熱測量試驗結(jié)果對比

5）FEA數(shù)字樣機模型的修正與驗證：為保證FEA數(shù)字樣機模型與物理樣機的一致性，通過對電源模塊采用模態(tài)試驗的方法獲取試驗數(shù)據(jù)，對FEA數(shù)字樣機的初始模型進行修正。試驗中，對電源模塊重點部位、關(guān)鍵元器件進行約束條件下的模態(tài)分析，并根據(jù)電源模塊試驗的模態(tài)結(jié)果對FEA數(shù)字樣機模型修正。FEA數(shù)字樣機模型修正后的振動應(yīng)力分析結(jié)果與模態(tài)試驗結(jié)果對比情況見表4，表中兩種分析結(jié)果的誤差滿足要求，表明了振動應(yīng)力分析采用模型的正確性。

表4 振動應(yīng)力分析與模態(tài)試驗結(jié)果對比

3.2.3 應(yīng)力分析

1）溫度應(yīng)力分析

溫度應(yīng)力分析［8］采用Mentor Graphics公司的FloTHERM V9.1對電源模塊CFD數(shù)字樣機模型進行分析計算。通過溫度應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)，由于電源模塊設(shè)計中存在的元器件排布不合理，導(dǎo)致電源模塊熱分布過于集中等設(shè)計缺陷［7］。

分析過程中，平臺環(huán)境溫度70℃，該溫度設(shè)定為第一參考溫度條件，電源模塊表面均溫度72℃（通過表面積加權(quán)計算）定為第二參考溫度條件。電源模塊所在分機的溫度場分布結(jié)果見圖3，電源模塊溫度分析結(jié)果見表5。圖3中的深色區(qū)域為電源模塊熱分布較為集中的部位，經(jīng)對電源模塊電路設(shè)計圖分析，該區(qū)域內(nèi)排布了為電源模塊所在分機提供5V工作電源的功率器；表5中的電源模塊最高溫度82.5℃，電源模塊應(yīng)進行改進設(shè)計。

圖3 電源模塊所在分機溫度場分布圖

表5 電源模塊溫度分析結(jié)果

2）振動應(yīng)力分析

振動應(yīng)力分析采用ANSYS公司的ANSYS Workbench 12.1對電源模塊FEA數(shù)字樣機模型進行分析計算。通過振動應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)電源模塊設(shè)計中存在的元器件數(shù)量和重量排布、安裝方式等不合理，導(dǎo)致電源模塊局部產(chǎn)生共振等設(shè)計缺陷。電源模塊諧振頻率及位置見表6。根據(jù)表6電源模塊一階模態(tài)條件下，產(chǎn)生諧振頻率區(qū)域為模塊中心偏上，該區(qū)域主要為印制板，產(chǎn)生諧振的原因是印制板強度問題和兩個體積、重量較大器件的臨近安裝問題；二階模態(tài)條件下，產(chǎn)生諧振頻率區(qū)域為模塊中心上方，該區(qū)域主要為印制板無元器件，產(chǎn)生諧振的原因是印制板強度問題；三階模態(tài)條件下，產(chǎn)生諧振頻率區(qū)域為模塊中心偏左，該區(qū)域主要為5V供電功率器件和印制板，產(chǎn)生諧振的原因是印制板強度問題和該功率器件的重量及安裝問題［8］。

表6 電源模塊諧振頻率及位置

3.2.4 故障預(yù)計

圖4 電路模塊故障預(yù)計分析示意表

采用CalcePWA軟件建立電源模塊的故障預(yù)計分析模型，分析電源模塊可能存在的潛在故障點位置及在預(yù)期時間內(nèi)可能發(fā)生故障的元器件。電路模塊故障預(yù)計分析示意表見圖4。

3.3 可靠性仿真評估

1）利用Matlab軟件，根據(jù)故障預(yù)計分析輸出的潛在故障點的故障首發(fā)時間及相關(guān)仿真數(shù)據(jù)，采用競爭失效的原則，通過單點故障密度分布擬合、多點故障密度分布融合分析等方法，電源模塊可靠性仿真評估結(jié)果見表7。

表7 可靠性仿真評估結(jié)果

圖5 電源模塊潛在故障示意圖

2）電源模塊PCB板正面偏左處的電源模塊元器件D2左下角處加速度均方根值及位移均方根值較大，如圖5所示。

4 可靠性仿真試驗的作用

4.1 指導(dǎo)設(shè)計改進

根據(jù)電源模塊可靠性仿真試驗結(jié)果，對電源模塊在模態(tài)仿真試驗暴露的局域振動偏大，電源功率器件溫度高等設(shè)計缺陷，通過加裝導(dǎo)熱冷板等方式實現(xiàn)了如下兩方面的設(shè)計完善，消除了電源模塊存在的故障隱患［9］：

1）增強了印制板結(jié)構(gòu)強度，改善了電源模塊元器件D2的諧振狀態(tài)；

2）導(dǎo)熱冷板有效的傳導(dǎo)了電源模塊元器件D2產(chǎn)生的熱量，降級了電源模塊該區(qū)域的溫度。

4.2 評價與認識

通過電源模塊可靠性仿真試驗過程，對可靠性仿真技術(shù)在電子設(shè)備研發(fā)過程中的作用有如下三點認識與評價：

1）可靠性仿真試驗?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)電子設(shè)備各階段設(shè)計初期存在的各種設(shè)計缺陷和故障隱患，明確設(shè)計缺陷和故障隱患的原因和位置，指導(dǎo)改進設(shè)計；

2）可靠性仿真試驗?zāi)軌蛟诙唐趦?nèi)完成對電子設(shè)備可靠性評估，并給出定量指標，指導(dǎo)電子設(shè)備設(shè)計方案的改進；

3）可靠性仿真試驗作為仿真技術(shù)在可靠性工程中的研究成果，以其周期短、費用低、約束條件少、評估準確率較高等優(yōu)點將成為提高電子設(shè)備可靠性設(shè)計水平的支撐工具，并將得到廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)語

通過可靠性仿真試驗在電源模塊中的具體應(yīng)用，加深了對可靠性仿真試驗的理解，掌握了可靠性仿真試驗實施流程、分析方法及開展時機?？煽啃苑抡嬖囼灳哂薪?jīng)濟性好、應(yīng)用范圍廣、難度小、周期短等優(yōu)點。相信可靠性仿真試驗作為一種全新的、有效的可靠性研究與驗證方法，必將在提高電子設(shè)備可靠性設(shè)計能力和水平方面得到更廣泛的應(yīng)用并取得良好效果［10］。

［1］賈占強，蔡金燕，梁玉英，等.產(chǎn)品性能可靠性評估中的環(huán)境因子仿真研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報，2010，29（3）：172－175.

［2］張志華，李慶民，田燕梅.小樣本多技術(shù)狀態(tài)性能可靠性的仿真評估方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（2）：417－420.

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［4］江麗君，石磊，李雪鵬，等.ASON中RSVP－TE可靠性和生存性機制研究［J］.光通信研究，2007，33（3）：1－3.

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［6］GJB／Z299C－2006［S］.電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計手冊

［7］楊志飛，李平.以故障為核心的工程可靠性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.

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