基于可靠性仿真分析的一體化設計研究

王 宏，蔡文琦

（1. 南京電子技術研究所，南京 210039； 2. 駐電子十四所軍代表室，南京 210013）

基于可靠性仿真分析的一體化設計研究

王 宏1，蔡文琦2

（1. 南京電子技術研究所，南京 210039； 2. 駐電子十四所軍代表室，南京 210013）

可靠性仿真分析通過施加溫度、振動等載荷應力在產品的數字樣機上，并分解到基本組件上，通過開展應力分析和應力損傷分析，得到產品的薄弱環節，并據此進行改進設計，以提高產品可靠性水平，并可預計出平均首發故障時間。討論了如何利用可靠性仿真分析方法進行可靠性優化設計，克服了傳統的“設計”與“可靠性”兩張皮的現狀，實現了可靠性與性能的一體化設計。

可靠性仿真；優化設計；故障物理

引言

可靠性工程技術的發展并存著兩條主線，即基于概率統計的方法和基于故障物理的方法。由于基于概率統計的方法在工程實踐中見效快而被廣泛應用，但其主要是對試驗和故障信息的事后統計，與產品性能設計未能緊密結合，不能及時指出產品的設計缺陷，使得產品性能設計與可靠性設計出現了“兩張皮”現象。基于故障物理的可靠性技術與建模仿真技術相結合，形成了故障機理分析方法，在產品設計過程中，通過建立產品數字化樣機，并施加溫度、振動等載荷應力在其上，利用故障物理模型，能夠及時發現設計、工藝潛在故障，并采取有效的改進措施，使得電子產品的可靠性設計能與性能設計實現一體化協同設計。

1 可靠性仿真分析概念及原理

可靠性仿真分析是基于故障物理和計算機仿真技術，通過建立產品數字化樣機，并對數字樣機施加產品應經歷的溫度和振動等載荷歷程，開展應力損傷分析，發現設計、工藝缺陷，并進行改進設計，使產品固有可靠性得到提高。利用故障物理模型和可靠性仿真分析軟件也可預計平均首發故障時間，以對產品的可靠性水平進行評價。

1.1 故障物理

故障物理又稱可靠性物理，故障物理學是確定和了解產品退化與引起最終失效的物理過程的科學。故障物理模型是針對某一特定的故障機理，在基本物理、化學、電子學公式和/或試驗回歸公式的基礎上，建立起來的定量地反映故障發生與材料、結構、應力等關系的數學函數模型，包括電遷移、熱載流子、腐蝕、焊點熱疲勞等在內的多種故障物理模型[1]，是對故障微觀層面的認識。1985年美國陸軍裝備系統分析中心與馬里蘭大學合作，對基于故障物理的可靠性技術進行研究[2]，之后該技術和軟件工具在多種通用無線電臺、布萊得利戰車、長弓阿帕奇等的電子設備和機械系統獲得了成功的應用[3]。

1.2 可靠性仿真分析優勢

傳統的可靠性試驗基于統計概念，其觀點為電子產品的故障是隨機發生的，通過故障數據發現其統計規律。電子設備通常采用恒定故障率指數分布來描述其規律，通過“事后驗證”的方式來評價。

可靠性仿真試驗技術基于故障物理，其觀點為電子產品的失效必定是由微觀的物理或化學的某種效應所致。利用這種必然的故障機理，通過對電子產品的工作環境、物理和結構特性的分析以確定電子產品深層次的失效機理，并通過采取“事前預防”措施加以避免。

基于故障物理學的可靠性仿真試驗技術，其優點是能夠通過非實物、半實物驗證的方式得到電子產品的可靠性評估結果，從而可以在電子產品的設計早期得到產品的薄弱環節信息，通過優化設計，使電子產品的可靠性得到提高。

2 基于可靠性仿真的一體化并行設計（圖1）

可靠性仿真包括采集設計信息、建立產品數字化樣機模型、熱和力學及電的應力分析、預計故障和可靠性的仿真評估等部分。

1）采集可靠性仿真需要的設計和使用環境數據，包含材料、元器件、結構、電路設計、環境要求、使用信息等；

2） 依據設計數據，采用數字化仿真軟件進行建模，包括CAD、CFD和FEA數字樣機；

3）將產品的使用環境信息經過處理作為試驗條件施加于仿真模型中并利用有限元軟件進行仿真分析，包含溫度應力和振動應力的分析；

圖1 基于可靠性仿真分析的一體化設計流程

4）對應力分析得到的結果，利用失效模型開展應力損傷分析，以獲取失效位置、模式、機理及發生時間等潛在的失效信息；

5）根據仿真分析得到的仿真數據進行可靠性仿真評估。

2.1 信息采集

信息采集是可靠性仿真分析的核心和基礎，采集信息的內容需要根據規劃的后續可靠性仿真內容確定，應包含由使用單位提供的實際使用環境和使用方式，由承研單位提供的設計和研制中的試驗數據，以及材料和元器件的基礎數據。產品設計結構信息是建立CAD、CFD、FEA數字樣機模型都必須用到的。產品各部分材料的動力學參數、熱力學參數、環境條件、使用方式等是CFD、FEA數字樣機建模所必須的。電路設計、元器件安裝特征參數是建立故障預計模型所必須的。因此，在開展可靠性仿真之前，必須按照各模型輸入要求收集相應產品設計信息，以便提高仿真的準確性。

2.2 數字樣機建模

建立產品數字樣機模型，包括CAD、CFD、FEA數字樣機模型，分別描述了產品的結構幾何特性、熱特性和振動特性。CAD數字樣機模型是CFD數字樣機模型和FEA數字樣機模型的基礎，需要根據產品設計要求準確建立其模型。CFD數字樣機模型是進行熱仿真的基礎，需要根據熱仿真模型簡化原則并結合產品具體結構和熱設計特點建立模型。同樣，FEA數字樣機模型是進行振動仿真的基礎，需要根據振動仿真模型簡化原則并結合產品具體結構和振動設計特點建立模型。

2.3 應力分析及模型修正

熱應力分析是在建立好的CFD模型基礎上，通過對電子產品機箱的結構特性、材料屬性及冷卻方式等進行設置，施加溫度環境條件進行分析，得到組件模塊及產品的溫度云圖。根據熱分析可找出熱設計中的問題，隨后通過熱設計優化，可提高產品的可靠性。

振動應力分析建立在CAD上的，根據材料、外形尺寸、體積、重量等產品基礎信息，通過有限元分析開展模態分析，以得到產品各組成的振動響應，獲得板級、整機的振動相應特性，包括各階頻率、加速度及位移響應云圖等，通過振動應力分析，可以獲取振動設計的薄弱環節、是否有共振頻率等，從而采取改進措施，優化產品的設計。

為保證CFD、FEA模型的準確性，需要通過物理樣機熱試驗測試和模態試驗的結果對CFD、FEA模型進行修正，保證設置的仿真邊界條件較為準確，并驗證CFD、FEA模型與物理樣機的一致[4]。

2.4 故障預計分析

采用故障預計軟件建立的、描述設備故障物理特征的數字模型，如采用故障預計軟件CalcePWA建立模型和進行分析，獲得產品的可靠性薄弱表、可能的故障信息、改進設計建議等。目前主要的故障預計方法是應力損傷分析和損傷累積分析。應力損傷分析針對每種可能的故障機理，分析得到潛在故障點在某一應力水平下的故障時間。損傷累積分析對潛在故障點在載荷歷程中不同應力水平下的損傷進行累積，以獲得各點的故障時間。

2.5 可靠性評估

根據故障預計分析結果，可以得到各潛在故障點在某一故障機理下的大樣本量故障時間數據。采用統計數學方法對這些故障數據進行擬合，以獲得各機理條件下（溫度循環、振動量值等）的單點壽命分布。電子產品常用的分布有威布爾分布、指數分布、正態分布和對數正態分布等。

對每個器件所有故障機理的壽命分布進行擬合，得到該器件綜合剖面下的壽命分布函數，進而對所有器件的壽命概率密度函數進行融合，得到模塊級/設備級/系統級產品的壽命概率密度函數，從而評估產品的可靠性水平。

3 某電子設備可靠性一體化設計案例

本文以某電子設備為例，詳細說明如何利用可靠性仿真分析結果優化產品可靠性設計的過程。

3.1 信息搜集

1）產品信息

該電子設備主由6個模塊、全部元器件信息在內的型號、封裝、重量，尺寸等相關信息近10 000條。

2）環境條件

施加產品實際的環境應力剖面。

3.2 數字樣機建模

首先根據產品的設計信息，按照一定的簡化原則建立產品的CAD數字樣機模型，該CAD數字樣機反映了產品的基本組成和連接關系，是后續熱應力仿真和振動應力仿真分析的輸入。

在CAD模型基礎上，結合產品的設計信息，如重量、材料屬性、功耗、冷卻方式等，利用熱分析專用軟件Flotherm建立產品的產品的CFD模型，同時采用ANASYS軟件建立產品的FEA模型，如圖2所示。

最后，根據收集到的板級、元器件等信息建立故障預計模型，圖3所示的是其中一塊PCB板的故障預計模型。

3.3 應力分析

3.3.1 熱應力分析

圖2 產品的CFD和FEA模型

圖3 組件3的故障預計模型

針對產品的CFD模型，開展熱應力分析，得到產品及各模塊在環境條件下的熱分布云圖及關鍵器件的溫度。如圖4所示是70 ℃環境條件下產品的熱分布云圖。表1是各模塊在70 ℃下的熱應力仿真結果。

從熱仿真分析結果中可以了解產品的主要發熱區域和高溫器件，并采取相應的改進措施：

1）通過模塊溫度云圖，可以找出熱集中地方，并將熱敏感器件遠離該區域；而對發熱量大的器件采用加強散熱等手段；

2）若器件結溫過高或余量較小，則會使器件在短時間內失效，可采取風冷或液冷等散熱措施。

例如，從產品溫度云圖中可看到機箱表面平均溫度91℃，比周圍環境溫度高21 ℃，最高達30 ℃，而組件2在周圍環境溫度70 ℃時，其高達110 ℃，特別是D1表面溫度l18.4 ℃，超出了使用范圍。其是信號處理芯片，長時間工作，會產生熱量積累。因此，必需采取特別散熱措施，如在處理器件上添加散熱器以降低殼溫，并對其他高溫器件進行優化局部。

3.3.2 振動應力分析

針對產品的FEA模型開展振動應力分析，得到產品在振動應力下整機及各個模塊的各階頻率、加速度及位移響應。如圖 5所示為產品的加速度響應云圖。

通過進行模態及隨機振動仿真分析，如表2所示，發現組件2的加速度均方根值最大為28.7 g，位移最大值為0.22 843 mm，容易產生振動疲勞損傷。經分析發現，該模塊尺寸相對較大，且有大質量的電源模塊及器件，但支撐點較少，使得其剛度變小，致使該單元中外形較大的電路板的振動響應大。必需添加支撐點或加強筋，以提高電路板的剛度；或者應用阻尼材料，以減低振動響應的幅值。

3.4 故障預計分析

圖4 溫度分布

表1 各組件的溫度結果

圖5 加速度響應

將綜合應力剖面下得到的產品及各組件的熱和振動仿真云圖輸入到故障預計軟件，通過故障預計模型進行仿真，模擬在綜合應力剖面下一定時間工作，通過蒙特卡羅仿真得出的故障矩陣，并找出各個組件中故障的發生模式、故障機理及時間。分析結果如下：上述6個模塊只有模塊3在預期壽命內發現故障器件，組件3的故障預計信息矩陣見表 3。

表2 各模塊的振動應力分析結果

表3 組件3的故障矩陣

表4 可靠性仿真評估

組件3的故障預計仿真進一步定量地反映了熱仿真和振動仿真的薄弱點，D1器件最終會在一定的時間內由于熱疲勞而發生焊點開裂。模塊中的部分器件會由于振動疲勞而發生故障。

3.5 可靠性評估

對單點故障通過分布擬合，將故障矩陣中的各種失效機理的故障時間加以處理，以得到各失效機理的故障分布，然后采用多點故障分布融合的算法，得到元器件、組件、產品的故障分布和其可靠性水平，評估結果如表 4所示。

4 結論

在產品研制初期進行可靠性仿真分析能及早找出產品設計薄弱點，并對產品可靠性水平進行初步評價，其與傳統可靠性試驗相比具有高效、經濟的優點。本文通過建立數字樣機對電子設備的可靠性設計進行優化，同時對產品的可靠性進行了評估，實現了產品可靠性設計與性能的同步一體化設計，克服了傳統可靠性設計須借助實物驗證的不足，真正實現了可靠性設計與產品性能的并行設計，對于克服當前存在的“產品性能設計”與“可靠性設計”的兩張皮現象具有一定現實意義。

[1] MARK WHITE, JOSEPH B B．Microelectronics Reliability：Physics—of-Failure Based Modeling and Lifetime Evaluation[M]．National Aeronautics and Space Administration, JPL Publication．2008．

[2] MCLEISH J G．Enhancing MIL-HDBK-217 Reliability Predictions with Physics of Failure Methods[C]//Annual Proceedings of Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), 2010：1-6．

[3] PECHT M, DASGUPTA A，BARKER D, et a1．The Reliability Physics Approach to Failure Prediction Modeling [J]. Quality and Reliability Engineering Internationa1．2007, 6(4)：267-273．

[4]郭維長．可靠性預計中的置信度問題研究[J]．中國間科學技術, 2002,(6)：16-20.

王宏，男，1965年生，碩士，高級工程師。研究方向為質量與可靠性工程、控制工程。

蔡文琦，男，1980年生，碩士，工程師。研究方向為質量控制。

Research on Integrated Design Based on Reliability Simulation Analysis

WANG Hong1, CAI Wen-qi2
(1.Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039; 2. Military Representative Office in the 14th Research Institute, Nanjing 210013)

Through the implementation of temperature and vibration stressing on the virtual sample provided by simulation software, by performing stressing damage analysis and cumulative damage analysis, we can find out the product design defects and weaknesses, and propose the improvement measures so as to improve the inherent reliability of product, and we can also achieve the time to failure of the product by using physics of failure. In this paper, we discuss how to obtain the reliability optimization design by using the reliability simulation, so as to overcome the gap between“design” and “reliability”, and achieve the integrated design of reliability and performance.

reliability simulation; reliability optimization design; physics of failure

V438+.4

A

1004-7204（2016）06-0039-06