溫度載荷條件下的新裝備故障模式影響及危害性分析

楊金鵬　連光耀　李會(huì)杰

摘要：針對(duì)由于新裝備歷史數(shù)據(jù)缺乏、依賴人工分析導(dǎo)致測(cè)試性試驗(yàn)樣本存在主觀性和盲目性等問題，在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上提出溫度載荷下的的故障模式影響及危害性分析方法。首先，分別建立元器件和焊點(diǎn)在溫度載荷下的失效模型;然后，提出基于元器件、焊點(diǎn)融合失效模型的典型故障模式的失效概率計(jì)算方法;最后，將元器件和焊點(diǎn)加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入融合失效模型進(jìn)行計(jì)算實(shí)現(xiàn)最終分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可對(duì)現(xiàn)有故障模式影響及危害性分析方法提供有效補(bǔ)充和修正，充分暴露產(chǎn)品測(cè)試性設(shè)計(jì)缺陷并為測(cè)試性設(shè)計(jì)改進(jìn)工作提供支持。

關(guān)鍵詞：故障模式影響及危害性分析;性能退化;加速退化試驗(yàn);熱失效

中圖分類號(hào)：TP302.8;V212.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）08-0156-05

收稿日期：2018-05-29;收到修改稿日期：2018-08-02

作者簡(jiǎn)介：楊金鵬（1993-），男，河北滄州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)檠b備測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析。

0 引言

故障模式、影響及危害性分析（failure mode effectand critically analysis，F(xiàn)MECA）是進(jìn)行測(cè)試性試驗(yàn)的一個(gè)重要項(xiàng)目，也是測(cè)試性分析中的基礎(chǔ)性工作。其通過查找產(chǎn)品所有可能出現(xiàn)的故障模式并分析可能產(chǎn)生的影響，為測(cè)試性試驗(yàn)樣本選擇提供依據(jù)[1-3]。

新一代裝備電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)總線式、模塊化、復(fù)合化、微型化等特點(diǎn)，從而顯著提高了裝備的戰(zhàn)備完好性和維修保障水平。由于新裝備自身功能結(jié)構(gòu)以及信息交換方式的改變，故障模式也發(fā)生了新的變化;此外，新裝備缺乏使用數(shù)據(jù)積累，失效樣本難以獲得，加上可供參考的資料有限，F(xiàn)MECA工作只能依賴設(shè)計(jì)人員自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，其分析結(jié)果存在很強(qiáng)主觀性和一定盲目性，難以全面發(fā)現(xiàn)新裝備設(shè)計(jì)缺陷并指導(dǎo)改進(jìn)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行。研究表明，退化失效是引發(fā)電子裝備故障的主要誘因。退化失效過程實(shí)質(zhì)是特定工作環(huán)境下電子產(chǎn)品損耗的累積，直至無法滿足功能需求。美國(guó)馬里蘭大學(xué)首先提出了壽命消耗監(jiān)測(cè)法[4-5]，該方法在失效模型中融合了裝備實(shí)際作業(yè)環(huán)境中的振動(dòng)、溫度、濕度等因素進(jìn)行累積毀傷計(jì)算，并在飛機(jī)中成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者在FMECA方面進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[6-7]提出了一種在采集電路系統(tǒng)自身仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行FMCEA分析的方法，該方法需要進(jìn)行故障注入試驗(yàn)，過程繁瑣，數(shù)據(jù)量大。文獻(xiàn)[8-11]分別以無人機(jī)系統(tǒng)、航行器推進(jìn)系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)組為對(duì)象實(shí)現(xiàn)了故障模式影響及其危害性分析，但分析方法中過多依賴于設(shè)計(jì)人員自身經(jīng)驗(yàn)，客觀性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[12]提出了一種利用加速退化試驗(yàn)技術(shù)對(duì)元器件進(jìn)行故障模式分析的方法，且取得了良好試驗(yàn)效果，但忽略了對(duì)焊點(diǎn)退化過程的研究，造成對(duì)板級(jí)電路故障模式的分析不夠全面。美國(guó)空軍航空電子統(tǒng)計(jì)分析中心的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，溫度對(duì)電子設(shè)備的影響程度可高達(dá)55%[13]。

基于此，本文考慮環(huán)境應(yīng)力中溫度因素對(duì)電子裝備性能退化的影響，通過分析溫度對(duì)電子元器件自身以及焊點(diǎn)的影響，并建立元器件、焊點(diǎn)融合失效計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺乏歷史失效數(shù)據(jù)的新電子裝備故障的模式的客觀分析。

1 溫度載荷條件下故障模式及影響分析方法

FMCEA包括故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）兩部分。故障模式及影響分析通過對(duì)產(chǎn)品功能和硬件分析得到故障模式、故障原因以及故障模式可能對(duì)自身、下一級(jí)或者系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，最后以嚴(yán)酷度等級(jí)對(duì)其影響程度進(jìn)行定量表達(dá)。危害性分析通過評(píng)估計(jì)算每一種故障模式嚴(yán)重程度和發(fā)生概率評(píng)價(jià)該故障模式的綜合影響，是對(duì)FMEA的補(bǔ)充和拓展，故障模式的危害性常用定量指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（risk priority number，RPN）表示，其計(jì)算公式為[2]：

RPN=DDR×ESR×OPR（1）

式中：DDR——故障模式被檢測(cè)難度;

ESR——故障模式嚴(yán)酷度;

OPR——故障模式發(fā)生概率。

除DDR外均為需要依靠裝備自身數(shù)據(jù)計(jì)算的定量指標(biāo)。新裝備在列裝前缺乏使用數(shù)據(jù)積累，難以對(duì)ESR、OPR實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)算，容易導(dǎo)致故障模式獲取與故障原因的判別科學(xué)性不強(qiáng)，且影響故障模式發(fā)生概率的準(zhǔn)確計(jì)算。此外，故障模式獲取不準(zhǔn)確也將影響嚴(yán)酷度等級(jí)的確定，進(jìn)而對(duì)式（1）中參數(shù)計(jì)算產(chǎn)生影響。要解決該問題必須獲取準(zhǔn)確的裝備失效數(shù)據(jù)，基于此，提出一個(gè)改進(jìn)的FMECA方法，其流程如圖1所示。

首先在系統(tǒng)硬件和功能分析基礎(chǔ)上，利用加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別建立溫度載荷下元器件及焊點(diǎn)失效模型，得到各自失效概率。然后建立元器件、焊點(diǎn)融合失效計(jì)算模型計(jì)算綜合失效概率并鑒別故障原因，進(jìn)而求解得到式（1）中的定量指標(biāo)。

2 溫度循環(huán)載荷條件下電子設(shè)備失效模式分析

裝備的電子設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中受溫度影響會(huì)產(chǎn)生兩種典型的失效模式：1）電子設(shè)備中元器件由于長(zhǎng)時(shí)間受到溫度載荷的作用而引發(fā)的功能失效（元器件類失效模式）;2）焊點(diǎn)在多次循環(huán)溫度載荷作用下引起的疲勞斷裂失效（焊點(diǎn)疲勞類失效模式）[14]。2.1溫度循環(huán)載荷條件下元器件失效分析

假設(shè)單溫度應(yīng)力下元器件的退化量為x（t），t時(shí)刻退化量的分布函數(shù)為F（x，t），概率密度函數(shù)為f（x，t）.研究發(fā)現(xiàn)電子系統(tǒng)板級(jí)電路性能退化數(shù)據(jù)服從威布爾分布，假設(shè)f（x，t）～Weibull（j，L（t）），則：其中，j為形狀參數(shù)，只與元器件自身相關(guān);L（t）為尺度函數(shù)，是與應(yīng)力有關(guān)的退化量，溫度載荷下材料會(huì)發(fā)生電遷移、腐蝕、絕緣破壞等物理或化學(xué)反應(yīng)，繼而引發(fā)元器件的退化失效。

對(duì)于溫度載荷下的性能退化問題，Arrhenius模型可以較精確地描述溫度應(yīng)力下電子設(shè)備性能指標(biāo)退化速率，即：

式中：A——與產(chǎn)品相關(guān)的常數(shù);

E_a——激活能，eV;

k——破爾茲曼常數(shù)，k=1.380649×10^-23J/K;

T——熱力學(xué)溫度，K。

根據(jù)式（2）、式（3）可以得到元器件類失效模式在溫度載荷條件下失效概率分布函數(shù)，其表達(dá)式為

2.2 溫度循環(huán)載荷條件下焊點(diǎn)疲勞類失效分析

對(duì)于裝備電子設(shè)備而言，在溫度載荷作用下由于元器件和電路板所采用材料的熱膨脹系數(shù)的不同，元器件與電路板之間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，從而引起連接元器件與電路板之間的焊點(diǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力。在持續(xù)應(yīng)力作用下焊點(diǎn)自身材料產(chǎn)生的形變和應(yīng)力松弛，也會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的疲勞壽命造成影響，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)的疲勞失效。研究表明：由于互連焊點(diǎn)的失效導(dǎo)致的電子元器件失效占70%以上[15]。

1969年Norris和Landzberg根據(jù)焊點(diǎn)材料的本構(gòu)模型以及焊點(diǎn)材料所受的應(yīng)力對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)變計(jì)算，并將最高溫度和循環(huán)頻率融入計(jì)算提出了Norris-Landzberg模型[16]，焊點(diǎn)疲勞壽命表達(dá)式為

式中：N_f——焊點(diǎn)的疲勞壽命，h;

δ——材料常數(shù);

f——溫度循環(huán)的頻率，Hz;

△T——溫度循環(huán)變化范圍，K;

T_max——溫度循環(huán)的最大溫度，K。

溫度循環(huán)的周期與失效模式的疲勞壽命相乘的結(jié)果即為焊點(diǎn)疲勞失效模式的失效時(shí)間，即：其中t_f為溫度循環(huán)周期（h）。

根據(jù)式（5）、式（6），可以將焊點(diǎn)疲勞類失效模式的特征壽命與溫度循環(huán)參數(shù)之間的關(guān)系描述為其中，a=1nδ，b=-m，c=-n，d=E_a/k。

Weibull分布對(duì)于焊點(diǎn)疲勞類失效模式中的失效時(shí)間的分布規(guī)律同樣適用。根據(jù)式（2）Weibull分布的失效分布函數(shù)，可以得到焊點(diǎn)疲勞失效模式的失效概率分布函數(shù)為

3 元器件、焊點(diǎn)融合失效計(jì)算模型

對(duì)于板級(jí)電路而言，故障模式的兩種主要表現(xiàn)形式分別是元器件自身失效和焊點(diǎn)疲勞失效。一般而言，焊點(diǎn)的失效概率遠(yuǎn)小于元器件的失效概率。但對(duì)于同一電路板的不同區(qū)域，受熱溫度存在差異，高低溫循環(huán)區(qū)間不同，焊點(diǎn)和元器件的失效概率會(huì)存在很大差別。現(xiàn)有方法對(duì)故障模式發(fā)生概率等級(jí)（OPR）的計(jì)算中僅考慮了焊點(diǎn)和元器件各自的失效概率，當(dāng)焊點(diǎn)失效概率較大時(shí)會(huì)將焊點(diǎn)失效作為故障原因分析，當(dāng)元器件失效概率較焊點(diǎn)失效概率相差較大時(shí)忽略了對(duì)焊點(diǎn)失效概率的統(tǒng)計(jì)，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。定義焊點(diǎn)失效概率值為

P_si=P₁+P₂+…+P_i（9）其中i為某元器件的引腳數(shù)量。

融合焊點(diǎn)失效概率的元器件失效概率值為

P_cn=P_c+P_si（10）其中P_c為元器件自身的失效概率值。

為有效區(qū)分焊點(diǎn)和元器件故障原因分析的界限，定義融合失效概率比為

參照GJB/Z 1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》中關(guān)于OPR的評(píng)分準(zhǔn)則（故障模式發(fā)生概率值相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)故障模式發(fā)生的可能性相差一個(gè)層級(jí)），規(guī)定：當(dāng)P_si<10^-6且λ≥100時(shí)，考慮元器件失效為主要故障原因并將焊點(diǎn)疲勞失效概率進(jìn)行融合失效計(jì)算;當(dāng)P_si≥10^-6時(shí)，應(yīng)單獨(dú)考慮焊點(diǎn)失效作為故障原因。

4 實(shí)例驗(yàn)證

模塊A是某型裝備核心模塊。模塊A作為一個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)與上級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞、與下級(jí)計(jì)算機(jī)之間的信息交換，完成整個(gè)控制執(zhí)行過程的檢控，其功能框圖如圖2所示。

以模塊A中的支持單元同步通信板為例，由生產(chǎn)廠家提供的研制階段FMECA內(nèi)容如表1所示。

以模塊A中同步通信板為例，連接外圍電路工作2h后用高分辨率紅外成像儀確定功能單元所含主要元器件的工作溫度。功能單元包含主要元器件及其工作溫度如表2所示。

收集樣本，進(jìn)行加速退化試驗(yàn)，并計(jì)算可得A和E_a值，分別為：A=2.526×10^-6，E_a=6.333×10^-2。

試驗(yàn)樣品所用焊點(diǎn)為錫鉛焊點(diǎn)，將其應(yīng)用于Norris和Landzberg模型，得到模型參數(shù)的估計(jì)值如表3所示。查閱文獻(xiàn)[17-19]可得c=10，β=2，假設(shè)裝備每次運(yùn)行時(shí)間為2h，則t_f=2h。

按照式（9）～式（11）過程計(jì)算，可以得到修正后的FMECA結(jié)果，如表4所示。

與表1中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，表4中發(fā)現(xiàn)了溫度載荷作用下存在的新故障模式，比如瓷介電容損壞、接口芯片IL422焊點(diǎn)脫落，并對(duì)故障原因?qū)崿F(xiàn)鑒別。在表2中已有的故障模式分析基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)溫度過高時(shí)故障模式的發(fā)生概率會(huì)增大，并以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)原有FMECA結(jié)果的修正。由此可見，原有的FMECA分析方法由于缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，僅憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的半定性分析可能會(huì)發(fā)生一些故障模式的遺漏，且在危害度等信息上存在一定偏差。而改進(jìn)的FMECA方法依靠加速退化數(shù)據(jù)，可作為依據(jù)鑒別和發(fā)現(xiàn)典型的故障模式，并確定發(fā)生概率、危害度等定量信息。該方法在對(duì)溫度載荷條件下導(dǎo)致的故障模式及其危害性分析上比現(xiàn)有FMECA結(jié)果更加精確、有據(jù)可依，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)分析結(jié)果的有效補(bǔ)充和修正。但是，傳統(tǒng)的FMECA依然是最為普適且有效的。

5 結(jié)束語

文中提出的溫度載荷條件下的改進(jìn)FMECA方法實(shí)現(xiàn)了在FMECA分析流程中的應(yīng)用，該方法有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）通過分別建立元器件、焊點(diǎn)失效模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)元器件、焊點(diǎn)失效概率的相對(duì)精確計(jì)算。

2）提出了元器件、焊點(diǎn)融合失效計(jì)算模型，對(duì)故障發(fā)生概率實(shí)現(xiàn)了修正，相對(duì)準(zhǔn)確度更高。

3）充分利用加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到產(chǎn)品在溫度載荷下的失效信息，為因熱退化失效導(dǎo)致的典型故障模式提供支撐手段，其分析結(jié)果可以作為測(cè)試性增長(zhǎng)和驗(yàn)證試驗(yàn)樣本集構(gòu)建的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Maintenance management outline for system anddevices：MIL-STD-470A[S].U.S.（iovemment Printing Office，1983.

[2]COLLI A.Failure mode and effect analysis for photovoltaicsystems[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews，2015，50：804-809.

[3]石君友.測(cè)試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M]北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011：282-284.

[4]RAMAKRISHNAN A，PECHT M G.A life consumptionmonitoring methodology for electronic systems[J].IEEETransactions on Components&Packaging Technologies，2003，26（3）：625-634.

[5]ROUET V，MINAULT F，DIANCOURT G，et al.Concept ofsmart integrated life consumption monitoring system forelectronics[J].Microelectronics Reliability，2007，47（12）：1921-1927.

[6]倪燦斌.基于數(shù)據(jù)挖掘的FMEA分析方法[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[7]何月順，丁秋林.基于數(shù)據(jù)挖掘思想的故障模式分析[JI.應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23（5）：545-547.

[8]竇賽，陳國(guó)順，呂艷梅，等.無人機(jī)系統(tǒng)的模糊FMECA分析方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（23）：7-9.

[9]孫華，唐曉慶，李瑞.FMECA和ETA綜合分析法在動(dòng)密封系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].裝備學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，26（6）：82-88.

[10]周新建，李志強(qiáng).利用FMECA法的兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)故障模式分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，34（1）：107-117.

[11]王宇晨，成斌.基于風(fēng)電機(jī)組常見故障的模糊FMECA評(píng)價(jià)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2018，46（1）：143-149.

[12]陳然，連光耀，孫江生，等.加速退化試驗(yàn)改進(jìn)的故障模式影響及危害性分析[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，44（3）：164-169.

[13]KANDA R，JAIN K.Thermal management of low volumecomplex electronic systems[C]//Springer.Proceedings of theInternational Conference onResearch and Inn。、ations inMechanical Engin-eering，2014：519-533.

[14]MIRMAN B.Tools for stress analysis of microelectronicstructures[J].Journal of Electronic Pakaging，2010，122（3）：280-282.

[15]景博，胡家興，黃以鋒，等.電子設(shè)備無鉛焊點(diǎn)的熱疲勞評(píng)估進(jìn)展與展望[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，17（6）：35-40.

[16]NORRIS K，LANDZBERG A.Reliability of controlledcollapse interconnections[J].IBM Journal of Research andDevelopment，1969，13（3）：266-271.

[17]SALMELA O.Acceleration factors for Lead-Free soldermaterials[J].IEEE Trans Components Pack T，2007，30（4）：158-165.

[18]VASUDEVAN V，F(xiàn)AN X.An acceleration model for Pb-free（SAC）solder joint reliability under thermal cycling[C]//Electron Components and Technology Conference，2008：139-145.

[19]于宗樂.溫度循環(huán)載荷條件下電子設(shè)備多失效模式加速試驗(yàn)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

（編輯：李剛）