基于功能仿真的電子產(chǎn)品性能退化分析方法

張輝,王陶,李明,曾晨暉

(中國航空綜合技術(shù)研究所,北京100028)

基于功能仿真的電子產(chǎn)品性能退化分析方法

張輝,王陶,李明,曾晨暉

(中國航空綜合技術(shù)研究所,北京100028)

目的研究基于功能仿真對電子產(chǎn)品長期工作過程中性能退化問題進(jìn)行分析的方法。方法以DC-DC電源模塊為對象,一種方式是直接對電源模塊進(jìn)行加速退化試驗(yàn),并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析;另一種方式是對電源模塊中性能退化關(guān)鍵元器件進(jìn)行加速退化試驗(yàn),并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)模型注入到電源模塊功能仿真模型中,進(jìn)行性能退化仿真與可靠性分析,最終對兩種分析結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證仿真分析技術(shù)的有效性。結(jié)果對比顯示,加速退化試驗(yàn)分析得到的電源模塊平均壽命為281 560 h,仿真分析得到的電源模塊平均壽命為357 290 h。結(jié)論由于仿真分析方法只考慮了性能退化的關(guān)鍵元器件,結(jié)果偏樂觀,但是偏差在合理的范圍內(nèi),證明該方法對于性能退化可靠性分析是有效的,并且應(yīng)用該方法更便于進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)和迭代分析。

電子產(chǎn)品;性能退化;仿真分析;加速退化試驗(yàn)

KEY WORDS:electronic product;performance degradation;simulation analysis;accelerated degradation test

導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的故障模式主要有2種[1],第一種是突發(fā)型故障,如焊點(diǎn)、通孔、元器件引腳、元器件殼體等材料的斷裂;第二種是退化型故障,如在連接器插針或繼電器觸點(diǎn)上形成腐蝕薄膜、電介質(zhì)和電纜護(hù)套的脆裂、電子元器件特性隨時(shí)間的漂移等。

在早期的武器裝備中,電子產(chǎn)品的失效主要是由突發(fā)型故障導(dǎo)致的。隨著失效分析、設(shè)計(jì)改進(jìn)以及評估技術(shù)的不斷發(fā)展,電子產(chǎn)品的可靠性達(dá)到了一個(gè)新的水平,越來越多的電子產(chǎn)品失效是由退化型故障導(dǎo)致的[2]?，F(xiàn)有的可靠性技術(shù)對于電子產(chǎn)品性能退化問題尚缺乏有效的分析方法,從而嚴(yán)重制約了電子產(chǎn)品可靠性的進(jìn)一步提高。在航空、航天、船艦和導(dǎo)彈等現(xiàn)代武器裝備中,電子產(chǎn)品所占比重逐漸增大,作用愈加突出,高可靠性和長壽命設(shè)計(jì)已成為未來軍用電子產(chǎn)品共有的特征和目標(biāo)。因此研究有效的方法來分析性能退化對電子產(chǎn)品可靠性的影響,避免或延遲產(chǎn)品出現(xiàn)退化型故障,對于進(jìn)一步提高電子產(chǎn)品可靠性水平具有十分重要的意義。

文中提出基于功能仿真手段的電子產(chǎn)品性能退化分析方法,利用該方法對DC-DC電源模塊進(jìn)行了性能退化仿真分析,與基于加速退化試驗(yàn)的分析方法進(jìn)行了對比驗(yàn)證,證明了該方法的有效性。

1 方法流程

基于功能仿真的電子產(chǎn)品性能退化分析流程如圖1所示,主要分為3步:確定性能退化關(guān)鍵元器件,建立關(guān)鍵元器件的性能退化模型,將元器件性能退化模型注入到產(chǎn)品功能仿真模型中進(jìn)行產(chǎn)品性能退化仿真分析。

1.1 關(guān)鍵元器件分析

由于電子元器件種類繁多,而相對應(yīng)的元器件性能退化數(shù)據(jù)和模型在廠家和用戶都比較匱乏,該方法主要使用基于木桶原理的轉(zhuǎn)化法,將電子產(chǎn)品的性能退化問題等效為對容易產(chǎn)生退化并且對產(chǎn)品性能參數(shù)敏感的元器件(稱為性能退化關(guān)鍵元器件)的性能退化分析問題。因此第一步就是確定所分析產(chǎn)品中的性能退化關(guān)鍵元器件,針對易退化和參數(shù)靈敏兩個(gè)關(guān)鍵因素,主要包含電子元器件可靠性數(shù)據(jù)分析和電子產(chǎn)品參數(shù)靈敏度仿真分析。

1)電子元器件可靠性數(shù)據(jù)分析。通過對日常收集和廠家提供的常見軍用電子元器件可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析,對比該產(chǎn)品中包含的電阻、電容、半導(dǎo)體分立器件、微電路等各種元器件產(chǎn)生退化的時(shí)間、退化的速度、壽命的長短,明確各類電子元器件退化速度和壽命的數(shù)量級,按照器件退化速度和壽命進(jìn)行排序,以便于對容易產(chǎn)生退化的元器件進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2)電子產(chǎn)品參數(shù)靈敏度仿真分析。電子產(chǎn)品參數(shù)靈敏度仿真分析是建立在電子產(chǎn)品功能仿真模型基礎(chǔ)上的,利用參數(shù)靈敏度仿真分析方法,確定對電子產(chǎn)品性能參數(shù)最為敏感的一系列元器件。然后結(jié)合可靠性數(shù)據(jù)分析的結(jié)果,即可以確定所分析產(chǎn)品的性能退化關(guān)鍵元器件。

圖1 方法流程Fig.1 Flow chart of the proposed method

1.2 退化建模

第二步是建立所分析產(chǎn)品中性能退化關(guān)鍵元器件的性能退化模型。

1)關(guān)鍵元器件退化機(jī)理和應(yīng)力條件分析。根據(jù)電子產(chǎn)品的環(huán)境載荷特點(diǎn),分析在各種綜合環(huán)境應(yīng)力條件下的元器件退化機(jī)理,明確可能出現(xiàn)性能退化的元器件性能參數(shù),確定元器件性能參數(shù)在相應(yīng)環(huán)境應(yīng)力條件下隨時(shí)間變化的基本關(guān)系。

2)關(guān)鍵元器件退化數(shù)據(jù)獲取。針對確定的電子產(chǎn)品性能退化關(guān)鍵元器件的關(guān)鍵性能參數(shù),通過外場數(shù)據(jù)、相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料等渠道獲取性能退化數(shù)據(jù),而鑒于目前可用數(shù)據(jù)的匱乏,最常用的方式是根據(jù)所分析產(chǎn)品的環(huán)境載荷譜建立加速退化試驗(yàn)綜合環(huán)境應(yīng)力條件,按照環(huán)境載荷譜進(jìn)行加速退化試驗(yàn),獲取元器件性能退化數(shù)據(jù)。

3)關(guān)鍵元器件性能退化建模?；诩铀偻嘶囼?yàn)數(shù)據(jù)建立元器件性能退化模型。性能退化模型主要包括退化量分布模型和退化軌跡模型[3—5],根據(jù)退化量分布模型的常見分布和退化軌跡模型的常見模型,利用基于加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的外推方法和非規(guī)則數(shù)據(jù)的規(guī)則化方法,通過統(tǒng)計(jì)分析估計(jì)模型參數(shù)。

1.3 仿真與影響分析

在建立電子產(chǎn)品性能退化關(guān)鍵元器件的性能退化模型后,就可以基于電子產(chǎn)品功能仿真模型進(jìn)行性能退化模型注入,仿真分析整個(gè)電子產(chǎn)品由于長期工作導(dǎo)致的性能退化軌跡。根據(jù)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)確定性能退化失效閾值,獲得產(chǎn)品由于性能退化而導(dǎo)致的失效分布[6—7]。

2 電源模塊仿真分析案例

鑒于電源模塊的輸出為穩(wěn)定的連續(xù)性電壓信號,便于測量和試驗(yàn)過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測,選取某DCDC電源模塊作為案例對象。該電源模塊標(biāo)稱輸出為12 V直流電壓,根據(jù)產(chǎn)品手冊選取±1%作為壽命閾值。

2.1 電源模塊性能退化關(guān)鍵元器件分析

為了確定性能退化關(guān)鍵元器件,首先需要基于功能仿真模型進(jìn)行參數(shù)靈敏度仿真分析。文中基于Synopsys公司的Saber軟件建立電源模塊的功能仿真模型,如圖2所示。該電路的主要功能是在輸入為18～36 V直流電壓的情況下,輸出為12 V穩(wěn)定直流電壓,所以選定輸出電壓作為電源模塊的主要性能參數(shù)。

圖2 電源模塊功能仿真模型Fig.2 Function simulation model of the power supply module

通過參數(shù)靈敏度仿真,分析了各個(gè)元器件參數(shù)分別擾動變化時(shí)電源模塊輸出電壓的變化情況,分析結(jié)果為輸出電壓關(guān)于元器件參數(shù)在標(biāo)稱值處的導(dǎo)數(shù),數(shù)值越大表明輸出電壓對于該元器件參數(shù)的變化越敏感,仿真分析得到的靈敏度見表1第2列。表1第3列為各個(gè)元器件在電源模塊壽命時(shí)間點(diǎn)的退化比率,它表示了在產(chǎn)品性能退化分析所關(guān)注的時(shí)間段內(nèi)元器件的易退化程度。由于相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏,退化比率采用基于歷史數(shù)據(jù)和相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)打分的方式獲得,隨著數(shù)據(jù)的逐漸積累,退化比率的衡量將會更加準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上,定義性能退化關(guān)鍵度為靈敏度與退化比率的乘積,其含義是在產(chǎn)品到壽時(shí)刻由于該元器件參數(shù)退化所導(dǎo)致產(chǎn)品性能參數(shù)的變化,如表1第4列所示,通過對比確定電阻R 22為電源模塊的性能退化關(guān)鍵元器件。

表1 性能退化關(guān)鍵元器件分析Table 1 Key components analysis based on performance degradation

2.2 關(guān)鍵元器件性能退化建模

電阻R 22為金屬化膜電阻器,其主要的退化機(jī)理包括導(dǎo)電材料的結(jié)構(gòu)變化、氣體吸附與解吸以及氧化,影響退化的主要應(yīng)力因素有溫度、濕度、電應(yīng)力和壓力。在實(shí)際使用過程溫度變化最為劇烈,尤其是在考慮電阻本身發(fā)熱的情況下,溫度對于退化的影響最大,所以一般金屬化膜電阻器性能退化模型主要是溫度應(yīng)力下的阻值退化模型[8]。

通過高溫加速退化試驗(yàn)來獲取電阻R22的性能退化數(shù)據(jù)[9—10]。如圖3所示,試驗(yàn)儀器主要采用高溫老化箱,并內(nèi)置測試系統(tǒng)BTS-E280,能夠自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于試驗(yàn)主要是驗(yàn)證仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的一致性,試驗(yàn)只選擇了1個(gè)溫度值進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。為了保證各加速應(yīng)力水平下產(chǎn)品的失效機(jī)理不變,失效模式不變,同時(shí)有一定加速性,需要慎重選擇試驗(yàn)環(huán)境溫度。通過預(yù)試驗(yàn)得到試驗(yàn)對象的高溫上限約為120℃,保留一定的裕度,確定試驗(yàn)環(huán)境溫度為110℃。

圖3 加速退化試驗(yàn)裝置Fig.3 Equipment for accelerated degradation test

加速退化試驗(yàn)共包含64個(gè)電阻樣本,獲得的電阻R22阻值退化數(shù)據(jù)如圖4所示,可以看到電阻器在長期高溫使用情況下阻值會緩慢增大,退化現(xiàn)象符合電阻器退化機(jī)理分析。常見的退化軌跡模型包括線性模型、指數(shù)模型、冪律模型、對數(shù)模型、Lloyd-Lipow模型等[11—13]。將退化數(shù)據(jù)利用Matlab擬合工具箱擬合退化軌跡模型,并根據(jù)擬合優(yōu)度選擇最優(yōu)模型。最終得到電阻R22的退化軌跡模型為:

其中系數(shù)均滿足正態(tài)分布,a:N(9.872 86, 0.015 503 1),b:N(0.000 796 575,1.146 99e-007)。

圖4 電阻R 22退化數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Degradation data curve of R 22

2.3 電源模塊性能退化仿真與影響分析

將電阻R 22的退化軌跡模型注入到如圖2所示的電源模塊功能仿真模型中,基于Saber軟件首先對退化軌跡模型系數(shù)a,b進(jìn)行蒙特卡洛抽樣,再對時(shí)間進(jìn)行參數(shù)掃描,獲得電源模塊的輸出電壓由于R22阻值退化而出現(xiàn)的變化規(guī)律,如圖5a所示。可以看出電源模塊在長時(shí)間高溫使用時(shí)輸出電壓緩慢上升,多條退化軌跡表示電源模塊不同個(gè)體的差異性。

圖5 電源模塊性能退化仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of performance degradation of the power supply module

設(shè)定電源模塊故障判定標(biāo)準(zhǔn)為輸出電壓變化大于初始值的1%,基于此得到電源模塊由于性能退化所導(dǎo)致的故障時(shí)間分布如圖5b所示,計(jì)算得到平均壽命為357 290 h。

仿真分析過程中已經(jīng)確定導(dǎo)致性能退化的關(guān)鍵元器件為電阻R22,所以如果根據(jù)仿真結(jié)果需要改進(jìn)設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高電源模塊壽命,則可以提高電阻R22的精度,選用不易于退化的電阻器,或者基于退化機(jī)理分析,在電阻R22附近進(jìn)行散熱優(yōu)化設(shè)計(jì),降低環(huán)境溫度,從而減緩性能退化[14]。

3 加速退化試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的有效性,文中還對電源模塊整體進(jìn)行了加速退化試驗(yàn),直接對試驗(yàn)得到輸出電壓退化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得電源模塊的壽命,與仿真得到電源模塊壽命進(jìn)行對比驗(yàn)證[15]。為了消除環(huán)境因素對驗(yàn)證結(jié)果的干擾,電阻R 22和電源模塊加速試驗(yàn)在同一溫度箱內(nèi)相同的試驗(yàn)板上進(jìn)行,試驗(yàn)板如圖6所示。試驗(yàn)共有8個(gè)試驗(yàn)板,每個(gè)試驗(yàn)板上安裝8個(gè)電源模塊。

圖6 電源模塊試驗(yàn)板照片F(xiàn)ig.6 Photo of the test board of power supply

將電源模塊退化數(shù)據(jù)利用Matlab擬合工具箱擬合退化軌跡模型,并根據(jù)擬合優(yōu)度選擇最優(yōu)模型。最終得到電源模塊的退化軌跡模型為:

其中系數(shù)均滿足正態(tài)分布,a:N(12.198 8, 0.011 612 5),b:N(0.000 862 837,0.000 318 846)。

擬合得到退化軌跡如圖7a所示,同樣設(shè)定電源模塊故障判定標(biāo)準(zhǔn)為輸出電壓變化大于初始值的1%,基于此得到電源模塊由性能退化所致的故障時(shí)間分布如圖7b所示,計(jì)算得到平均壽命為281 560 h。

圖7 電源模塊加速退化試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results of accelerated degradation test of the power supply module

對比仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出,仿真分析方法給出的壽命時(shí)間偏差約為26%,是一種可接受的便捷有效的性能退化分析方法。仿真分析結(jié)果相比試驗(yàn)結(jié)果較為樂觀,并且故障時(shí)間分布較為集中,這是因?yàn)榉抡嬷豢紤]了對性能退化影響最大的1個(gè)或幾個(gè)關(guān)鍵元器件,忽略了其他次要影響的元器件。另外由于電源模塊是一種廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中的成熟功能電路,對輸出電壓穩(wěn)定性有著很高的要求,電路設(shè)計(jì)考慮了各種元器件參數(shù)波動對輸出電壓的影響,如該試驗(yàn)中所用到的電源模塊使用負(fù)反饋方法來減小局部參數(shù)波動的影響,所以最終分析得到的電源模塊壽命時(shí)間均比較長。

4 結(jié)語

文中提出了在定位性能退化關(guān)鍵元器件的基礎(chǔ)上,通過功能仿真手段對電子產(chǎn)品性能退化進(jìn)行分析的方法,并以DC-DC電源模塊為對象,分別進(jìn)行了性能退化仿真分析和加速退化試驗(yàn)分析。分析結(jié)果表明仿真分析方法便捷有效,結(jié)果合理可信,并且能夠快速給出設(shè)計(jì)改進(jìn)建議,與加速退化試驗(yàn)相比更加節(jié)省成本,更加便于進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。文中性能退化關(guān)鍵元器件的退化數(shù)據(jù)雖然也是通過加速退化試驗(yàn)獲得,但數(shù)據(jù)可復(fù)用,隨著方法的進(jìn)一步應(yīng)用和數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累,可使的仿真分析方法使用更加方便,結(jié)果更加精確,為高可靠、長壽命的電子產(chǎn)品可靠性分析評估和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了新途徑。

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Analysis Method of Performance Degradation of Electronic Product Based on Function Simulation

ZHANG Hui,WANG Tao,LI Ming,ZENG Chen-hui
(China Aero-Polytechnology Establishment,Beijing 100028,China)

Objective To study the analysis method of performance degradation during long-term operation based on function simulation.Methods Accelerated degradation test was directly carried out on the power supply module,and the test data was used for reliability analysis.At the same time,accelerated degradation test was carried out on the key components of performance degradation in power supply circuit.The test data was injected into the function simulation model of power supply to simulate performance degradation and analyze the reliability.Finally,the results of the two kinds of analyses were compared to demonstrate the effectiveness of the proposed simulation method.Results Comparison showed that average life span of power supply was 281 560 hours based on the accelerated degradation test while 357 290 hours based on the degradation simulation analysis.Conclusion The result of the simulation method was too optimistic,since it only considered the performance degradation of the key components.But the deviation was within a reasonable range,which proved that the method was effective,and the application of this method could assist design improvement and iterative analysis.

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.009

TP202

:A

1672-9242(2014)05-0043-06

2014-05-30;

2014-07-02

Received:2014-05-30;Revised:2014-07-02

張輝(1983—),男,陜西人,博士,高級工程師,主要研究方向?yàn)楹娇针娮赢a(chǎn)品可靠性分析與設(shè)計(jì)。

Biography:ZHANG Hui(1983—),Male,from Shaanxi,Ph.D.,Senior engineer.Research focus:reliability analysis and design of avionics.