可靠性仿真技術(shù)在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與分析＊

王文智 寧 琦

（1.中航工業(yè)西安航空計(jì)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(jì)、驗(yàn)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(jià)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(yàn)證方法，并指導(dǎo)可靠性設(shè)計(jì)工作。可靠性仿真技術(shù)是一項(xiàng)可以對電子設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷和可靠性設(shè)計(jì)水平進(jìn)行驗(yàn)證與評估，并指導(dǎo)電子設(shè)備改進(jìn)和完善設(shè)備的新興技術(shù)，是進(jìn)行電子設(shè)備初期可靠性驗(yàn)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(yàn)時(shí)機(jī)、流程、方法、評估數(shù)據(jù)、試驗(yàn)結(jié)論及對一典型電路完善設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、驗(yàn)證方法，一般采用在規(guī)定的可靠性指標(biāo)前提下，完成電子設(shè)備的設(shè)計(jì)，開展可靠性預(yù)計(jì)工作，之后根據(jù)可靠性預(yù)計(jì)［3］結(jié)論對電子設(shè)備進(jìn)行完善設(shè)計(jì)，并開展新一輪的可靠性預(yù)計(jì)工作，直至可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果滿足指標(biāo)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(yàn)證（一般采用定時(shí)結(jié)尾的試驗(yàn)方式）工作；傳統(tǒng)可靠性技術(shù)雖然能夠準(zhǔn)確地對電子設(shè)備可靠性指標(biāo)進(jìn)行評估，但費(fèi)用高、周期長，同時(shí)其驗(yàn)證方法對可靠性指標(biāo)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)。可靠性仿真技術(shù)與可靠性強(qiáng)化、可靠性加速和可靠性增長等驗(yàn)證方法共同形成了一種新型可靠性驗(yàn)證技術(shù)，有效地解決了傳統(tǒng)可靠性技術(shù)存在的費(fèi)用高、周期長和高指標(biāo)無法驗(yàn)證等問題。通過可靠性仿真技術(shù)，電子設(shè)備在設(shè)計(jì)初期實(shí)現(xiàn)了可靠性評估，通過評估發(fā)現(xiàn)電子設(shè)備設(shè)計(jì)初期存在的設(shè)計(jì)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(jì)有效地提供了電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)水平。可靠性仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)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(jì)方法對比

3 可靠性仿真試驗(yàn)的流程、方法及評估

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

3.1 可靠性仿真試驗(yàn)流程

可靠性仿真試驗(yàn)一般分為五個(gè)步驟，流程見圖1。設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先關(guān)注第1個(gè)步驟，并應(yīng)按要求詳細(xì)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(shí)現(xiàn)［4］。

圖1 可靠性仿真試驗(yàn)流程

3.2 可靠性仿真試驗(yàn)

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

3.2.1 設(shè)計(jì)信息采集

為有效地開展電源模塊可靠性仿真試驗(yàn)工作，需詳細(xì)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(jì)，提供設(shè)計(jì)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(biāo)、尺寸、重量、封裝形式等信息）及數(shù)量。

1）環(huán)境試驗(yàn)剖面：明確電源模塊試驗(yàn)環(huán)境剖面（如圖2），試驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(jì)信息，電路模塊由印制板1塊、元器件27個(gè)（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(jī)建模

電源模塊數(shù)字樣機(jī)建模［7］采用專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)，一般分為熱設(shè)計(jì)信息和振動設(shè)計(jì)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(dāng)簡化建立CAD數(shù)字樣機(jī)模型；

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

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

4）CFD數(shù)字樣機(jī)模型的修正與驗(yàn)證：為保證CFD數(shù)字樣機(jī)模型與物理樣機(jī)的一致性，通過對電源模塊工作狀態(tài)熱測量試驗(yàn)的方法，取得電源模塊關(guān)鍵元器件點(diǎn)溫度測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)熱測量試驗(yàn)結(jié)果，對電源模塊CFD數(shù)字樣機(jī)的邊界條件、器件參數(shù)等部分進(jìn)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(jī)的準(zhǔn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果對比

5）FEA數(shù)字樣機(jī)模型的修正與驗(yàn)證：為保證FEA數(shù)字樣機(jī)模型與物理樣機(jī)的一致性，通過對電源模塊采用模態(tài)試驗(yàn)的方法獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對FEA數(shù)字樣機(jī)的初始模型進(jìn)行修正。試驗(yàn)中，對電源模塊重點(diǎn)部位、關(guān)鍵元器件進(jìn)行約束條件下的模態(tài)分析，并根據(jù)電源模塊試驗(yàn)的模態(tài)結(jié)果對FEA數(shù)字樣機(jī)模型修正。FEA數(shù)字樣機(jī)模型修正后的振動應(yīng)力分析結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)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(yàn)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(jī)模型進(jìn)行分析計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算）定為第二參考溫度條件。電源模塊所在分機(jī)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?yàn)殡娫茨K熱分布較為集中的部位，經(jīng)對電源模塊電路設(shè)計(jì)圖分析，該區(qū)域內(nèi)排布了為電源模塊所在分機(jī)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(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖3 電源模塊所在分機(jī)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(jī)模型進(jìn)行分析計(jì)算。通過振動應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)電源模塊設(shè)計(jì)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(jì)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?yàn)槟K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(qiáng)度問題和兩個(gè)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?yàn)槟K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(qiáng)度問題；三階模態(tài)條件下，產(chǎn)生諧振頻率區(qū)域?yàn)槟K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(qiáng)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(jì)

圖4 電路模塊故障預(yù)計(jì)分析示意表

采用CalcePWA軟件建立電源模塊的故障預(yù)計(jì)分析模型，分析電源模塊可能存在的潛在故障點(diǎn)位置及在預(yù)期時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生故障的元器件。電路模塊故障預(yù)計(jì)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(jì)分析輸出的潛在故障點(diǎn)的故障首發(fā)時(shí)間及相關(guān)仿真數(shù)據(jù)，采用競爭失效的原則，通過單點(diǎn)故障密度分布擬合、多點(diǎn)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(yàn)的作用

4.1 指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)

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

1）增強(qiáng)了印制板結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jià)與認(rèn)識

通過電源模塊可靠性仿真試驗(yàn)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(diǎn)認(rèn)識與評價(jià)：

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

2）可靠性仿真試驗(yàn)?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(biāo)，指導(dǎo)電子設(shè)備設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)；

3）可靠性仿真試驗(yàn)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(fèi)用低、約束條件少、評估準(zhǔn)確率較高等優(yōu)點(diǎn)將成為提高電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)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(yàn)在電源模塊中的具體應(yīng)用，加深了對可靠性仿真試驗(yàn)的理解，掌握了可靠性仿真試驗(yàn)實(shí)施流程、分析方法及開展時(shí)機(jī)。可靠性仿真試驗(yàn)具有經(jīng)濟(jì)性好、應(yīng)用范圍廣、難度小、周期短等優(yōu)點(diǎn)。相信可靠性仿真試驗(yàn)作為一種全新的、有效的可靠性研究與驗(yàn)證方法，必將在提高電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)能力和水平方面得到更廣泛的應(yīng)用并取得良好效果［10］。

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［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(bào)，2007，19（2）：417－420.

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