本文针对某伺服机构掌握器电路板采取故障物理方法进行失落效剖析，然后在不同温度应力下开展该电子产品温升试验和热仿真，之后基于Coffin-Manson模型进行产品焊点疲倦寿命仿真并求解各元器件寿命分布，末了构建竞争失落效模型进行电路板寿命估量。通过温度应力试验得到了关键元器件温升值在（23~31）℃范围内，基于CRAFE热仿真得到了产品各元器件温度，运用Coffin-Manson模型得到了元器件寿命分布，利用竞争失落效方法打算了产品失落效概率函数，评估了产品事情10年的可靠度为0.94，在可靠度指标为0.9时其事情寿命为12.11年。本文基于温度应力试验和热仿真，通过进行故障物理剖析和元器件竞争失落效剖析有效评估了电子产品事情寿命，对其他类似电子产品可靠性剖析供应了一定参考。
引 言
随着军事科学技能的发展和新期间装备的迭代更新，当代装备对可靠性的哀求越来越高，研究创造在环境引起的装备故障中电子产品的失落效比例在所有统计试验中占比最大。电子产品作为装备关键组成部分对担保装备战备无缺性、任务成功性以及维修保障性等十分主要，同时装备中电子产品也呈现出研制周期短、新技能大量运用、可靠性指标越来越高的发展趋势，因此如何有效剖析和提升装备电子产品的可靠性成为亟待办理的问题。
可靠性剖析包括基于概率统计和基于故障物理模型两个方向，然而，在无端障样本情形下，基于概率统计方法面临运用上的局限性。美国马里兰大学最先提出并展开了基于故障物理（Physics of Failure，PoF）模型的可靠性剖析技能研究，之后广泛运用于美国的航空航天和陆军的装备研究。基于故障物理的试验常日须要耗费大量资源，而仿真具有本钱低、可重复等上风，现今多数研究采取试验仿原形结合的办法探索电子产品故障机理模型。
国内外学者在电子产品故障物理剖析、疲倦模型研究、可靠性仿真、寿命估量等方面已取得许多成果。Jiao J等给出了电子产品故障缘故原由统计结果，个中温度占比43.3%，这温度和振动应力已成为电子产品可靠性研究的重点。Wilman A等针对电子产品进行了基于故障物理剖析的寿命预测研究，但其对可靠性求解过程剖析不充分。胡博等针对机载电子产品进行了可靠性仿真试验的运用探索。栾家辉等针对电子产品薄弱环节进行了单应力和多应力累积损伤仿真剖析并给出产品寿命预测结果。陈颖等剖析了电子产品部分元器件失落效模式、机理与故障物理模型，研究了一种基于故障物理的产品可靠性仿真方法，但对有热源产品的温升参数研究存在不敷。黄姣英对故障物理剖析中常用焊点疲倦模型进行了综述。李宝兰针对舵机掌握电路板进行了热剖析及基于Coffin-Manson模型的焊点疲倦寿命预测研究，该研究只针对电路板部分焊点进行了剖析。现今，对付电子产品可靠性剖析虽已有大量研究，但针对装备范例电子产品基于故障物理的可靠性剖析运用研究仍不充分，现有研究多针对电子产品薄弱环节进行剖析，仍需将产品多个关键元器件纳入整体寿命评估研究中。
本文针对某伺服机构掌握器电路板，利用故障模式、机理及影响剖析（FMMEA）方法进行产品故障物理剖析并确定基于温度应力的故障物理模型；之后剖析确定产品组成和材料参数，通过温度应力试验和热仿原形结合的办法剖析电路板温度分布；进一步，通过焊点疲倦模型打算疲倦寿命，求解元器件疲倦寿命分布；末了结合竞争失落效剖析实现电子产品可靠事情寿命有效评估。
1 失落效物理模型剖析
1.1 电路板构造
本文研究实例工具为某装备伺服机构掌握器电路板，该产品属于范例电子产品。电路板整体较小，长126mm、宽54mm、厚2mm，个中部分元器件质量和体积相对较大。该电路板硬件紧张由DSP及外围电路模块、功率驱动模块、模数转换模块和接口模块等组成，PCB焊接各种电阻、电容、集成电路、电连接器等元器件。
图1 电路板实物图
1.2 失落效物理剖析
利用FMMEA方法对电路板进行潜在的故障模式和机理剖析。电路板事情环境条件良好，可打消振动、断裂、静电和辐射等故障成分，同时电路板元器件知足军用标准，自身故障发生可能性远小于焊点发生故障可能性。实际利用时，温度变革会导致电连接部位焊点热疲倦失落效，因此本文紧张进行基于焊点热疲倦的电路板失落效剖析研究，该产品部分元器件故障物理信息如表1所示。
表1 部分元器件的FMMEA
1.3 Coffin-manson模型
焊点疲倦寿命预测模型紧张基于塑性变形、蠕变变形、断裂参数、能量等进行构建，研究表明材料的塑性应变逐渐累积将会引起疲倦失落效，对付电路板故障物理失落效剖析常用焊点热疲倦模型为基于应变的Coffin-Manson模型，该模型表示了应力与循环周期的关系，模型公式如下：
式中：
Nf—器件失落效所经历的循环周期；
εf—疲倦系数，该系数与材料干系，对付63Sn37Pb，该值取 0.325；
c—疲倦指数，该指数与材料干系；
△γ—剪切应变范围。
式中：
Ta—焊点温度循环中均匀温度；
tD—最高温恒定时间；
f —温度循环频率。
式中：
F —应力范围因子，
L—元器件长度，
h—焊点高度，
αc—元器件壳体热膨胀系数，
αs—基板热膨胀系数，
Tc—器件外壳事情温度，
Ts—基板事情温度，
T0—初始温度。
常见焊点横截面如图2所示。
图2 焊点横截面示意图
已知温度循环载荷浸染下元器件与PCB基板均受温度影响发生胀缩，PCB板焊接多种材料的元器件，不同元器件相对基板产生应变，进而导致焊点疲倦损伤。
2 温度试验与仿真
通过剖析电路板组成，研究文献确定各部分的材料类型、热膨胀系数、弹性模量、导热系数等材料参数，对付本文研究的电路板，采取温度试验和热仿原形结合的办法确定各元器件温升参数，用于打算焊点疲倦寿命。
2.1 温度应力试验
1）温升试验环境搭建
通过梳理元器件清单并根据实际利用情形，得到该电路板4个发热功率较高且随意马虎产生焊点热疲倦的关键元器件。对付1号、2号和3号器件分别利用编号为S01、S02、S03的热电偶分别采集电源模块温升数据，由于4号集成电路尺寸较大，利用S04和S05号2个热电偶在不同位置采集温度数据，之后按照掌握器实际安装办法进行组装，进一步通过连接供电电源、数采设备、打算机，并将该掌握器放入温箱组成试验系统，热电偶贴片和测试系统如图3所示。
图3 温度应力试验环境搭建
2）温升试验流程
将温箱分别调度到25℃、35℃和45℃进行试验并采集数据，设定每种温度应力下数据采集时长为35分钟、采样频率10Hz。试验环境搭建完成后，首先将温箱温度设置为25℃，待温箱温度稳定至25℃后不雅观察打算机显示的热电偶感知温度，数值稳定至25℃时打开电路板电源使其正常事情，通过打算机记录设备采集的温升数据，完成该温度应力下试验后关闭电路板电源。
3）温升试验结果剖析
试验得到25℃、35℃和45℃温度应力下电路板关键产热元器件温升数据，通过中值滤波和均值滤波方法对旗子暗记数据进行处理，各测点在3种温度环境下的温升曲线如图4所示。
图4 热电偶丈量温升曲线
电路板在不同温度环境应力下运行时同一位置温升速率随温度升高逐渐变慢末了趋于稳定；电路板不同位置事情运行温升量和热平衡值存在差异，例如1号位置（S01）在不同温度应力下热平衡温升值均比2号位置（S02）低5.5℃旁边，比3号位置（S03）低4.3℃旁边。根据热电偶采集数据，打算得到在25℃，35℃和45℃环境温度下各热电偶丈量点热平衡时的温升数据，热平衡温升随温度变革的温升曲线如图5所示。
图5 各监测点温升规律图
从图5中可知热平衡时各测点温升在23℃到31℃内，随着环境温度的升高稳态温升量略有低落趋势，同一位置不同温度应力下温升差均小于1℃。将试验温升结果作为可靠性仿真模型的参数输入，用于进行电路板温度分布仿真剖析。
2.2 CRAFE热仿真
1）仿真模型构建
本文基于CRAFE软件进行电路板的温度应力仿真剖析，该软件可提取各元器件仿真过程温度参数值。利用AD（Altium Designer）软件将设计的电路板模型转换为ODB++模型导入CRAFE软件并天生相应的几何模型。该模型紧张包括元器件层、丝印层、钻孔层、阻焊层、铜层、机器层等，模型如图6所示。
图6 电路板模型图
2）边界条件设定
热仿真过程设置电路板为自由状态，根据温度应力试验设置对应仿真试验剖面和器件温升参数，对付不同温度应力采取相同的环境温度变革趋势，构建3种温度应力下的环境剖面如图7所示。
图7 仿真试验剖面
选取4个关键发热元器件作为温升参数设置点，将温度试验结果输入仿真模型。在温度试验过程中对付4号位置通过热电偶获取了两组温升数据，因此模型4号位置对应元器件温升参数设置为S04和S05热电偶得到温升的均值。
图8 温升参数设置点
3）电路板热仿真
利用仿真软件在25℃温度应力仿真试验剖面下进行电路板热仿真，得到三维温度云图结果如图9所示，基于温度云图提取产品各元器件温度。
图9 电路板热仿真结果（25℃）
在25℃、35℃和45℃三种温度应力下通过仿真可以得到产品温度应力云图和所有位置的温度数据，根据以下公式打算温升设置点仿真与试验结果的相对偏差，仿真与试验比拟结果如表2所示。
式中：
s —仿真温度结果；
e —试验温度结果；
p —相对偏差。
表2 仿真与试验结果比拟
仿真结果和试验结果相对偏差均小于5%。因此通过仿真得到的产品各位置温度具有较强可信度，同时表明在CRAFE软件中设置的各参数较为准确，可用于电路板各元器件温度仿真提取。
3 产品寿命估量
3.1 Coffin-Manson寿命估量
将改进后的 Coffin-Manson 热疲倦模型作为寿命估量的故障物理模型，设置电路板全寿命周期经历的温度循环任务剖面如图10所示。
图10 任务剖面
根据各元器件封装、引脚、焊点和温度等方面参数输入，将任务剖面作为仿真条件输入，通过每周一次的温度循环仿真对产品各个元器件进行基于焊点热疲倦故障的寿命估量。得到各元器件估量失落效韶光（Time to Failure，TTF），部分结果如表3所示。
表3 部分元器件寿命估量结果
3.2 Weibull寿命分布剖析
在温度循环载荷条件下，元器件的焊点疲倦寿命的随机性常日可采取 Weibull 分布或对数正态分布进行描述。本文利用双参数威布尔分布表征元器件寿命分布特性，基于寿命预测结果仿真得到元器件失落效概率分布，元器件累积失落效概率和概率密度函数表达式如下：
式中：
m—形状参数；
η—尺度参数。
已知双参数威布尔分布 MTTF 可表示为：
设置履历参数m=3并根据各元器件焊点疲倦失落效韶光打算得到元器件寿命分布参数ηi，部分元器件寿命分布参数打算结果如表4所示。
表4 元器件寿命分布参数结果
3.3 竞争失落效剖析
将电路板元器件视为串联可靠性剖析系统进行评估，根据各元器件失落效概率分布，运用竞争失落效理论打算电路板总体寿命分布。在电路板利用过程中，最早失落效的元器件将导致电路板失落效，假设每个元器件的失落效韶光为Ti，则电路板的失落效韶光为：
个中：K为电路板元器件个数。设Fi(t)是元器件 i 的累积失落效概率分布，电路板的累积失落效概率分布函数和可靠度函数分别为：
通过竞争失落效公式求解得到电路板服从的威布尔失落效分布的参数结果为m=3、η=25.66。电路板累积失落效概率分布结果如图11所示。
图11 电路板寿命分布估量结果
由打算结果可知，利用竞争失落效剖析得到电路板的可靠度小于各元器件可靠度。电路板在规定任务剖面下利用10年的估量累积失落效概率为5.75%，可靠度约为0.94。在产品实际可靠性设计中，若以0.90为可靠度指标打算剩余利用寿命，则可设定产品累计失落效概率F(t)=0.1，通过威布尔分布逆函数打算得到产品估量涌现故障的韶光为12.11年。
4 结 语
文中针对装备范例电子产品提出了一种基于温度应力试验的可靠性剖析方法，用于评估了某伺服机构掌握器电路板寿命。通过开展温度应力试验和热仿真，得到关键元件器温升特性和温升参数，通过运用Coffin-Manson模型得到了元器件寿命分布，结合元器件竞争失落效剖析进行了电路板事情寿命估量。论文紧张针对故障物理中温度环境变革导致焊点热疲倦对电子产品可靠性的影响进行了研究，在后续事情中还需综合考虑其他繁芜环境成分和失落效模式，进而使得可靠性剖析更加全面和准确。
作者：曹敬帅1，秦强1,2，张生鹏1，杨培3，乔洪凯3
单位：1. 航天科工防御技能研究试验中央；2. 清华大学 工程力学系, 热科学与动力工程教诲部重点实验室；3. 中国航天第二研究院二〇六所
简介：曹敬帅，工程师，紧张从事装备质量与可靠性研究事情。
引用本文：曹敬帅，秦强，张生鹏，杨培，乔洪凯.基于温度应力试验的电子产品可靠性仿真剖析[J].环境技能,2023,41(03):31-37+43.
