基于故障機(jī)理和偽失效壽命的電子產(chǎn)品剩余壽命預(yù)測

楊立峰，呂衛(wèi)民，肖陽

（1.海軍駐北京地區(qū)艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)軍事代表室，北京100841；2.海軍航空工程學(xué)院七系，山東煙臺264001）

基于故障機(jī)理和偽失效壽命的電子產(chǎn)品剩余壽命預(yù)測

楊立峰1，呂衛(wèi)民2，肖陽2

（1.海軍駐北京地區(qū)艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)軍事代表室，北京100841；2.海軍航空工程學(xué)院七系，山東煙臺264001）

針對傳統(tǒng)電子產(chǎn)品可靠性評估中存在的不足，提出了一種基于故障機(jī)理和偽失效壽命的電子產(chǎn)品剩余壽命預(yù)測方法。首先，基于電子產(chǎn)品的故障模式、故障機(jī)理分析，確定產(chǎn)品敏感性能參數(shù)；然后，對敏感參數(shù)退化量進(jìn)行監(jiān)測，建立電子產(chǎn)品退化軌跡模型，利用最大似然法估計(jì)其參數(shù)；最后，根據(jù)電子產(chǎn)品退化軌跡，設(shè)定故障閾值，得到電子產(chǎn)品壽命分布。通過仿真表明，該方法評估精度較高，對電子產(chǎn)品的可靠性評估有一定的參考價(jià)值。

可靠性；故障機(jī)理；剩余壽命預(yù)測；退化軌跡

隨著科技水平和制造工藝的日益發(fā)展，電子產(chǎn)品的性能和可靠性不斷提高，它具有應(yīng)用領(lǐng)域廣、集成度高、型號多樣等特點(diǎn)，從而對人們的生活影響越來越大，其可靠性也越來越引起人們的重視。目前，評價(jià)電子產(chǎn)品可靠性的常規(guī)方法主要有批接收抽樣檢驗(yàn)、可靠性壽命試驗(yàn)或加速壽命試驗(yàn)、現(xiàn)場收集并積累使用壽命數(shù)據(jù)以及對設(shè)計(jì)與工藝的評價(jià)。而在電子產(chǎn)品生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)方面，評價(jià)元器件的質(zhì)量水平的主要途徑有進(jìn)貨檢驗(yàn)、篩選、FA（Failure Analysis）分析、質(zhì)量一致性檢驗(yàn)和DPA（Destructive Physical Analysis）分析等[1]。

當(dāng)前，我國對軍用電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性的評價(jià)是依靠電子產(chǎn)品鑒定和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)的辦法，即依相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，進(jìn)行批接收抽樣檢驗(yàn)、采用常規(guī)壽命試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)方法，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具來評定元器件的壽命、失效率或可靠性質(zhì)量等級[2-4]。同時(shí)，在軍用元器件裝機(jī)前，選擇合適的篩選項(xiàng)目，利用二次篩選方法，有效剔除生產(chǎn)中存在的早期失效元器件，確保元器件有較高的使用可靠性。對關(guān)鍵設(shè)備中的電子元器件，則應(yīng)用DPA分析發(fā)現(xiàn)元器件內(nèi)部可能存在的潛在缺陷，以保證元器件批次的質(zhì)量[5-6]。

雖然上述方法能夠評估電子產(chǎn)品的可靠性，但也存在以下缺點(diǎn)：

1）傳統(tǒng)的手冊式可靠性評估只是單純地依靠固定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對電子產(chǎn)品進(jìn)行初步鑒定和篩選，只能證明電子產(chǎn)品是否符合最低可靠性等級要求；

2）鑒定過程中，基于“二元狀態(tài)”（正常和失效）假設(shè)[7]，未考慮產(chǎn)品的故障模式和故障機(jī)理，切斷了產(chǎn)品可靠性與故障機(jī)理之間的關(guān)系，使得評估結(jié)果主觀性較強(qiáng)，缺乏一定的典型性和代表性；

3）隨著電子產(chǎn)品可靠性水平的不斷提高，依靠傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)，短時(shí)間內(nèi)很難得到失效樣本，導(dǎo)致試驗(yàn)周期較長，效率較低；

4）采用加速壽命試驗(yàn)的方法對電子產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評估，雖然周期較短，但試驗(yàn)過程中必須保證電子產(chǎn)品在不同應(yīng)力水平下失效機(jī)理保持一致，否則得到的結(jié)果誤差較大，而且某些產(chǎn)品成本高昂，樣本數(shù)量很少，最終導(dǎo)致評估結(jié)果精度較低，可能達(dá)不到可靠性評估的要求。

針對以上不足，本文提出了一種基于故障機(jī)理和偽失效壽命的電子產(chǎn)品剩余壽命預(yù)測方法。該方法從電子產(chǎn)品的故障模式和故障機(jī)理入手，根據(jù)性能退化參數(shù)分布，建立其性能參數(shù)退化軌跡模型，采用最大似然法對模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，通過設(shè)定故障閾值，外推得到產(chǎn)品剩余壽命，從而克服了傳統(tǒng)手冊式可靠性評估方法的缺點(diǎn)，提高了評估結(jié)果的精度，縮短了評估周期，節(jié)約了成本。

1 故障機(jī)理理論

故障機(jī)理作為一門新興的可靠性評估和分析技術(shù)，被稱為“21世紀(jì)的可靠性技術(shù)”，被廣泛應(yīng)用產(chǎn)品的故障分析和可靠性評估中。故障機(jī)理理論認(rèn)為“產(chǎn)品中所有的故障都是由于基本的機(jī)械、熱、電和化學(xué)等應(yīng)力作用的過程所導(dǎo)致”[8]。因此，要對產(chǎn)品可靠性做出正確的設(shè)計(jì)和評價(jià)，僅根據(jù)內(nèi)外場統(tǒng)計(jì)得到的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷是不夠的，必須充分了解產(chǎn)品的故障模式、故障機(jī)理。

基于故障機(jī)理的可靠性分析方法，就是從產(chǎn)品的物理、化學(xué)等微觀結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，分析產(chǎn)品性能退化過程，闡明產(chǎn)品發(fā)生故障的本質(zhì)、規(guī)律和原因，從而對產(chǎn)品進(jìn)行有針對性的改進(jìn)。

2 退化軌跡理論

電子產(chǎn)品的失效往往不是突發(fā)的，而是由于產(chǎn)品的物理或化學(xué)原因引起產(chǎn)品性能退化，最終導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障[7]。因此，產(chǎn)品實(shí)際的失效時(shí)間可以通過產(chǎn)品性能參數(shù)的退化軌跡外推確定[8]，從而可以使用性能退化數(shù)據(jù)分析代替?zhèn)鹘y(tǒng)的失效數(shù)據(jù)分析來評估產(chǎn)品可靠性[9-10]。基于退化軌跡理論的可靠性評估通常預(yù)設(shè)一個門限值，即退化失效標(biāo)準(zhǔn)或故障閾值，當(dāng)產(chǎn)品的性能退化量超過失效閾值時(shí)，產(chǎn)品就會發(fā)生故障，比如電子元器件性能衰退、電纜的絕緣老化、軸承的磨損或疲勞等[11-14]。

退化軌跡是描述產(chǎn)品性能退化趨勢的曲線[15]。不同試驗(yàn)樣本對應(yīng)不同的退化軌跡曲線，如有n個樣本，則對應(yīng)有n條退化軌跡。對于大部分的性能退化產(chǎn)品而言，其退化軌跡可用4種退化軌跡模型[16]來進(jìn)行有效的擬合，即：

式（1）～（4）中：αi、βi為未知參數(shù)；yi為第i個產(chǎn)品實(shí)際性能退化量；i為受試樣本數(shù)；t為測試時(shí)間。

利用試驗(yàn)過程中測得的產(chǎn)品性能退化數(shù)據(jù)，通過極大似然法來估計(jì)退化軌跡中αi、βi的值，從而建立產(chǎn)品退化軌跡模型，得到實(shí)際條件下產(chǎn)品的壽命分布。

3 最大似然估計(jì)

最大似然估計(jì)是一種具有理論性的點(diǎn)估計(jì)法，它的基本思想是通過合理的參數(shù)估計(jì)，使得統(tǒng)計(jì)得到的樣本數(shù)據(jù)發(fā)生概率最大，從而提高估計(jì)參數(shù)的精度，其具體算法如下。

通過測量不同時(shí)刻產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)，得到樣本(ti,yij)，i=1,2,…,n，j=1,2,…,k。其中，ti為第i次監(jiān)測時(shí)間；yij為第j個樣本在ti時(shí)刻性能退化量。

式（5）中：αj、βj為第j個樣本的特征參數(shù)；εij為隨機(jī)誤差。

對于第j個樣品而言，y1j,y2j,…,yij的聯(lián)合密度函數(shù)為：

要使得Lj最大，只需函數(shù)

取最小值。

求Q關(guān)于αj、βj的偏導(dǎo)數(shù)，并令它們?yōu)?：

對式（8）求解，得到αj、βj的最大似然估計(jì)值為：

根據(jù)式（9）可得第j個樣品退化軌跡模型為：

4 基于故障機(jī)理和偽失效壽命的電子產(chǎn)品壽命預(yù)測步驟

1）對電子產(chǎn)品的故障模式、故障機(jī)理進(jìn)行分析，了解產(chǎn)品主故障機(jī)理，從而確定所要監(jiān)測的敏感性能參數(shù)；

2）基于故障機(jī)理分析，對樣品的敏感性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，得到樣品的性能退化量，記為(tj,yij)；

3）根據(jù)獲得的性能退化數(shù)據(jù)(tj,yij)，選取相應(yīng)的退化軌跡模型，利用極大似然法，對模型中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到產(chǎn)品性能退化軌跡模型；

4）設(shè)定產(chǎn)品失效閾值Df，根據(jù)得到的退化軌跡模型，外推出各個樣品的剩余壽命Tf。

5 實(shí)例仿真

本文以鋁電解電容器為例，隨機(jī)抽取8個樣品，采用基于故障機(jī)理和偽失效壽命的電子產(chǎn)品壽命預(yù)測方法，對其壽命進(jìn)行預(yù)測。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)電容器主要故障模式有漏液、開路、短路、漏電流增加、參數(shù)漂移等[17-18]，具體故障模式及機(jī)理見表1。

表1 電容器的主要故障模式和故障機(jī)理Tab.1 Main failure modes and mechanisms of capacitor

由表1知，電容器主要故障模式為漏電流增加，主要故障機(jī)理為陽極氧化膜損傷，氯離子嚴(yán)重污染，從而影響電容性能，所以以電容漏電流為性能參數(shù)。隨機(jī)選取8個鋁電解電容，每隔200 h對其漏電流退化量進(jìn)行監(jiān)測，具體結(jié)果如表2所示。

表2 電容器漏電流退化百分比Tab.2 Degradation percentage of capacitor in evade current

根據(jù)上述退化數(shù)據(jù)，得到8組樣本的實(shí)際退化軌跡，如圖1所示。由圖1知，實(shí)際退化軌跡基本服從線性分布，故選取式（1）作為樣本數(shù)據(jù)退化軌跡模型，失效閾值設(shè)為Df=10，利用極大似然法，估計(jì)出8組樣本數(shù)據(jù)的退化軌跡模型參數(shù)及其壽命分布，具體結(jié)果見表3。

通過仿真得到樣本數(shù)據(jù)的擬合退化軌跡，如圖2所示。

表3 各樣本退化軌跡擬合參數(shù)及剩余壽命Tab.3 Fitting parameters of degradation path and residual life of different samples

6 結(jié)論

針對目前電子產(chǎn)品可靠性評估存在的一些不足，提出了一種基于故障機(jī)理和偽失效壽命的電子產(chǎn)品壽命預(yù)測方法。從電子產(chǎn)品的故障模式、故障機(jī)理入手，從微觀層面了解產(chǎn)品發(fā)生故障的具體原因，有針對性地對產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，通過設(shè)定失效閾值，就可以預(yù)測出電子產(chǎn)品的壽命分布情況。此方法數(shù)據(jù)處理簡單，節(jié)約了成本，縮短了評估周期，為電子產(chǎn)品的可靠性評估提供了一種解決思路。

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Residual Life Prediction for Electronic Products Based on Fault Mechanism and Pseudo-Failure Data

YANG Lifeng1,LYU Weimin2,XIAO Yang2
（1.Military Representatives Office of Ship-to-Air Missile System of Navy in Beijing,Beijing 100841,China; 2.No.7 Department,NAAU,Shandong Yantai 264001,China）

According to the disadvantages of the conventional reliability estimation of electronic products,a useful life pre?diction method of electronic products was put forward which was based on the fault mechanism and pseudo-failure data. First of all,based on the analysis of failure modes and mechanism,the sensitive performance parameters of the product were determined.In addition,by monitoring the degradation amount of sensitive parameters,the model of electronics degra?dation path was built and its parameters were estimated by using maximum likelihood method.Ultimately,by setting the fault threshold value,the life distribution of electronic products was obtained.Simulations showed that the evaluation accu?racy of the method was higher，which provided certain reference to evaluate the reliability of electronic products.

reliability;fault mechanism;residual life prediction;degradation path

TB114.3

A

1673-1522（2017）02-0246-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.02.013

2017-02-08；

2017-03-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51605487）

楊立峰（1969-），男，高工，大學(xué)。