基于失效物理的電子學(xué)產(chǎn)品可靠性仿真研究

曹海斌，郝 恒，渠繼東

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214082）

0 引言

隨著我國(guó)載人航天任務(wù)不斷向前推進(jìn)，對(duì)空間站任務(wù)、可靠性和壽命等提出了越來(lái)越高的要求，同時(shí)為了滿足高功能密度、高性能的需求，以及國(guó)外禁運(yùn)限制，不得不采用高新技術(shù)的商用元器件、部組件。這些新的要求和情況使空間站任務(wù)的可靠性、長(zhǎng)壽命需求面臨極大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，以及工程實(shí)踐中“兩張皮”的現(xiàn)象在航天工程中也受到極大挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。

介紹一種基于失效物理的可靠性仿真分析方法，為解決長(zhǎng)壽命、高可靠空間電子學(xué)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題提供一種思路，它可以將產(chǎn)品可靠性與機(jī)、電、熱、物理化學(xué)等工程專業(yè)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可靠性與其他工程專業(yè)綜合、無(wú)縫銜接。基于失效物理的仿真技術(shù)研究早在21世紀(jì)初期由馬里蘭大學(xué)的CALCE中心發(fā)展起來(lái)的，其通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)模擬預(yù)期的電子學(xué)產(chǎn)品故障產(chǎn)生的過(guò)程，并研制了CALCE系列軟件，在NASA的航天飛機(jī)逃逸系統(tǒng)、HONEYWELL公司的航空引擎控制系統(tǒng)等[1-3]上得到成功應(yīng)用。最近幾年，以CALCE應(yīng)用的可靠性仿真技術(shù)在國(guó)內(nèi)也得到了廣泛研究和蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)代表性的研究單位如北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院、中航301所、中電集團(tuán)部分研究所等[8-11]，這項(xiàng)技術(shù)已在我國(guó)航空重大裝備等項(xiàng)目中開(kāi)展了試點(diǎn)應(yīng)用，取得了良好的工程實(shí)踐效果，將來(lái)擬開(kāi)展工程推廣應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心承擔(dān)空間站空間應(yīng)用任務(wù)，其壽命要求長(zhǎng)、可靠性要求高，載荷的物理化學(xué)特性復(fù)雜，相關(guān)研究人員正在對(duì)基于失效物理的可靠性仿真技術(shù)進(jìn)行研究和探索，力爭(zhēng)為長(zhǎng)壽命、高可靠的空間應(yīng)用任務(wù)載荷產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)與保證探索出一條新的道路。

1 電子學(xué)產(chǎn)品失效物理可靠性仿真流程

電子學(xué)產(chǎn)品基于失效物理的可靠性仿真來(lái)分析產(chǎn)品的可靠性，進(jìn)行故障預(yù)計(jì)和識(shí)別可靠性薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)數(shù)字樣機(jī)模型和失效機(jī)理模型等可以將產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與功能、性能設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合[4]。失效物理的可靠性分析方法認(rèn)為故障具有確定性，電子產(chǎn)品會(huì)隨時(shí)間而逐步退化直至失效，壽命是有限的，可以通過(guò)故障物理模型進(jìn)行描述，同時(shí)還認(rèn)為，產(chǎn)品故障由基本的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、電應(yīng)力和化學(xué)作用等應(yīng)力導(dǎo)致的。基于失效物理的可靠性仿真分析主要是開(kāi)展電子學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)力分析和故障預(yù)計(jì)。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，空間電子學(xué)產(chǎn)品故障的誘導(dǎo)因素中，溫度因素占50%（包括熱真空），振動(dòng)因素占30%，合計(jì)80%，可見(jiàn)溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力是影響空間電子學(xué)產(chǎn)品可靠性的主要因素。因此，空間電子學(xué)產(chǎn)品基于失效物理的可靠性仿真分析方法是在對(duì)電子學(xué)產(chǎn)品進(jìn)行失效機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品的CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）模型建立 FEA（Finite Element Analysis，有限元分析）數(shù)字樣機(jī)和 CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）數(shù)字樣機(jī)，開(kāi)展振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力分析，將分析結(jié)果帶入確定的失效機(jī)理模型進(jìn)行可靠性仿真和故障預(yù)計(jì)。仿真流程見(jiàn)圖1，其中，F(xiàn)MMEA即Failure Modes Mechanism and Effects analysis，故障模式影響分析MTTF即Mean Time To Failure，平均失效前時(shí)間。

圖1 可靠性仿真分析流程

由圖1可知，基于失效物理的可靠性仿真是多學(xué)科綜合、融合的過(guò)程，首先根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，包括CAD模型、原材料元器件信息等建立振動(dòng)分析的FEA數(shù)字樣機(jī)和熱分析的CFD數(shù)字樣機(jī)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果和熱測(cè)量結(jié)果對(duì)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行修正，確保建立的數(shù)字樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性；然后結(jié)合環(huán)境剖面分析的實(shí)際環(huán)境利用Ansys軟件對(duì)FEA數(shù)字樣機(jī)開(kāi)展力學(xué)分析、Icepak軟件對(duì)CFD數(shù)字樣機(jī)開(kāi)展熱分析；將力、熱分析結(jié)果納入由CalcePWA軟件建立的失效物理仿真模型，根據(jù)失效機(jī)理分析結(jié)果選擇合適的失效物理模型（如振動(dòng)疲勞模型、Engelmaier模型等）進(jìn)行應(yīng)力損傷和累積應(yīng)力損傷分析，以及故障預(yù)計(jì)，評(píng)估產(chǎn)品的MTTF和發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

電子系統(tǒng)在全壽命周期中導(dǎo)致產(chǎn)品失效的機(jī)理有多種[5，10]，包括電應(yīng)力方面的如柵介質(zhì)經(jīng)時(shí)擊穿、熱載流子注入和電遷移等，電連接部位焊點(diǎn)、鍍通孔的熱疲勞和振動(dòng)疲勞等。

2 電子學(xué)產(chǎn)品常見(jiàn)失效機(jī)理仿真模型

2.1 疲勞累積損傷模型

材料在復(fù)雜載荷（力、溫度等）下會(huì)受到不同程度的損傷，其影響損傷因素是隨機(jī)的，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域做了大量研究工作并取得了眾多累積損傷分析與計(jì)算模型，但至今也未統(tǒng)一。目前，最常用的方法是線性累積損傷法，即Palmgren-Miner模型，簡(jiǎn)稱Miner模型[12]。其含義為：若某零件在某循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞總壽命為Nf，在一個(gè)循環(huán)應(yīng)力作用下?lián)p傷為式（1）。

若在此循環(huán)應(yīng)力下循環(huán)Nf次，則累積損傷D=1。若零件在m個(gè)任務(wù)階段的n種失效機(jī)理作用下，其累積的總累積損傷為式（2）。

假設(shè)某空間電子產(chǎn)品在整個(gè)任務(wù)周期內(nèi)其焊點(diǎn)或鍍通孔經(jīng)歷循環(huán)振動(dòng)應(yīng)力和循環(huán)溫度應(yīng)力作用，假設(shè)Dvb和Dth分別表示振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力累積損傷值，根據(jù)式（2）可知，焊點(diǎn)或鍍通孔經(jīng)歷循環(huán)振動(dòng)應(yīng)力和循環(huán)溫度應(yīng)力下總累積損傷為式（3）。

若空間產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)的某時(shí)間t在循環(huán)振動(dòng)應(yīng)力和循環(huán)溫度應(yīng)力作用下總的累積損傷DΣ=1，則該產(chǎn)品壽命為式（4）。

2.2 振動(dòng)疲勞模型

空間產(chǎn)品電子學(xué)產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期受到的振動(dòng)環(huán)境主要包括研制振動(dòng)試驗(yàn)、運(yùn)輸環(huán)境以及發(fā)射環(huán)境等，其中對(duì)電子學(xué)產(chǎn)品連接部位的焊點(diǎn)或鍍通孔可靠性影響貢獻(xiàn)最大的是高周疲勞隨機(jī)振動(dòng)。因此，需要在建立的FEA數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究電路板級(jí)產(chǎn)品的隨機(jī)振動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性，來(lái)確定電路板不同部位在外界振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特性，從而確定電路板上焊點(diǎn)或鍍通孔等電連接結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命。

采用的失效物理建模軟件CALCEPWA中的隨機(jī)振動(dòng)疲勞模型[1]見(jiàn)式（5）。

式（5）中，Nfvb為器件的疲勞壽命，x和y為該器件在電路板上的相對(duì)中心的位置坐標(biāo)，C是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)確定的常數(shù)，b是疲勞強(qiáng)度指數(shù)，Z1和Z2為由功率譜密度、最小自然頻率、電路板厚度、焊點(diǎn)形態(tài)等信息確定的系數(shù)。

式（5）中，用相對(duì)曲率Rxy代替sin函數(shù)，則有式（6）。

馬里蘭大學(xué)的CALCE中心經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)測(cè)試和PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，得出電路板中心最大位移的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式（7）。

2.3 熱疲勞模型

空間產(chǎn)品電子學(xué)產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期中除了上述所承受的振動(dòng)外，還將承受飛行器進(jìn)出陰影陽(yáng)照區(qū)的交變溫度以及設(shè)備工作、待機(jī)、斷電不工作的溫度及交變溫度應(yīng)力。對(duì)于電子產(chǎn)品電連接部位的焊點(diǎn)、鍍通孔等在溫度交替變化下將交替膨脹和收縮，因其使用材料的熱膨脹系數(shù)不同將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變，初始焊點(diǎn)、鍍通孔等在溫度環(huán)境下出現(xiàn)裂紋和裂紋擴(kuò)張，導(dǎo)致其電阻值上升等電性能變化，甚至出現(xiàn)斷路現(xiàn)象。

采用的失效物理建模軟件CALCEPWA中的熱疲勞模型為Engelmaier模型[6-7]，具體模型見(jiàn)式（8）。

其中，Nfth為疲勞壽命，△γ為剪切應(yīng)變范圍，c為與溫度剖面相關(guān)的參數(shù)，εf為材料常數(shù)。對(duì)于廣泛采用的共晶焊料，εf=0.325。c為與溫度循環(huán)剖面相關(guān)的參數(shù)，c=0.442-0.0006sj+0.01741n（1+f）。其中，sj為溫度循環(huán)的平均溫度；f為溫度循環(huán)頻率。△γ 為剪切應(yīng)變范圍，由 3部分組成，即△γ=γe+γp+γc。其中：γe為彈性應(yīng)變分量；γp為塑性應(yīng)變分量；γc為蠕變應(yīng)變分量。

3 應(yīng)用實(shí)例

以空間應(yīng)用某載荷電控設(shè)備為例。其為空間應(yīng)用典型的電子學(xué)產(chǎn)品，由電源板、主控板等組成，采用籠屜式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)輕巧、抗力學(xué)性能好，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3.1 壽命剖面與失效機(jī)理分析

該電控設(shè)備自研制完成后，將在地面完成力熱環(huán)境試驗(yàn)、ESS（Environment Stress Screen，環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)驗(yàn)）試驗(yàn)后，在運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場(chǎng)裝整器后發(fā)射，在軌按運(yùn)控要求開(kāi)機(jī)工作完成科學(xué)任務(wù)目標(biāo)，直至任務(wù)壽命終結(jié)。由此可見(jiàn)，該電控設(shè)備在壽命剖面內(nèi)將主要經(jīng)歷地面研制階段力學(xué)試驗(yàn)和熱試驗(yàn)帶來(lái)的力學(xué)應(yīng)力和溫度應(yīng)力，發(fā)射階段帶來(lái)的力學(xué)振動(dòng)，以及在軌加電工作帶來(lái)的溫度應(yīng)力等。該設(shè)備上的主要電子學(xué)器件為DC/DC模塊、DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理）集成電路，以及發(fā)熱量比較大的LDO（Low Dropout linear regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器）和功率電阻等器件，經(jīng)過(guò)對(duì)電控設(shè)備電路及電裝工藝進(jìn)行詳細(xì)的失效機(jī)理分析，其對(duì)可靠性影響比較大的失效機(jī)理分析結(jié)果見(jiàn)表1所示。其中，PTH為Plating Through Hole，即通孔直插式元件。

圖2 載荷電控設(shè)備結(jié)構(gòu)

表1 某電控設(shè)備典型潛在失效機(jī)理

3.2 數(shù)字樣機(jī)建模與應(yīng)力分析

根據(jù)該電控設(shè)備的設(shè)計(jì)資料以及CAD模型，采用Ansys Workbench建立的FEA數(shù)字樣機(jī)如圖3所示，采用Icepak建立的CFD數(shù)字樣機(jī)如圖4所示，并為這些模型中的材料、器件、零件等附上相關(guān)屬性，為后面的應(yīng)力分析和故障預(yù)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

開(kāi)展基于失效物理的可靠性仿真，進(jìn)行應(yīng)力分析是關(guān)鍵一環(huán)，下面在圖3和圖4數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)展應(yīng)用分析。由壽命剖面分析可知，該電控設(shè)備承受的力學(xué)振動(dòng)主要是研制階段的地面力學(xué)試驗(yàn)和發(fā)射階段的發(fā)射力學(xué)環(huán)境，承受的溫度環(huán)境主要是地面研制階段的溫度試驗(yàn)和老練篩選以及在軌運(yùn)行階段的溫度環(huán)境。則根據(jù)圖3的FEA數(shù)字樣機(jī)模型分別分析地面力學(xué)試驗(yàn)和發(fā)射階段電控設(shè)備所受環(huán)境應(yīng)力下的受力情況，關(guān)注環(huán)節(jié)的應(yīng)力、應(yīng)變或加速度響應(yīng)分布等；根據(jù)圖4的樣機(jī)模型分別分析地面熱試驗(yàn)、老練篩選以及在軌運(yùn)行段溫度環(huán)境下設(shè)備溫度分布、局部溫度等情況。分析結(jié)果如圖5所示。

圖3 電控設(shè)備FEA數(shù)字樣機(jī)模型

圖4 電控設(shè)備CFD數(shù)字樣機(jī)模型

3.3 失效物理建模與故障預(yù)計(jì)

采用馬里蘭大學(xué)CALCE中心的CalcePWA軟件對(duì)該電控設(shè)備具有典型失效機(jī)理的主控板進(jìn)行失效物理建模和故障預(yù)計(jì)，故障預(yù)計(jì)模型如圖6所示，并在模型中設(shè)置除PCB層數(shù)、導(dǎo)電介質(zhì)參數(shù)外，還需要設(shè)置元器件的封裝形式、封裝材料、尺寸、功耗、重量、溫度及結(jié)殼熱阻、過(guò)孔、安裝工藝參數(shù)（器件與PCB板間間隙及填充材料、焊點(diǎn)參數(shù)）等。在模型完成參數(shù)設(shè)置后，選擇合適的失效物理模型和工況開(kāi)展故障預(yù)計(jì)分析。

根據(jù)壽命剖面分析，本案例中該電控設(shè)備將經(jīng)歷地面研制、發(fā)射和在軌運(yùn)行（2 a任務(wù)期）3個(gè)階段，對(duì)3個(gè)階段所承受的力學(xué)、熱應(yīng)力開(kāi)展故障預(yù)計(jì)分析，經(jīng)過(guò)工程分析和反復(fù)迭代，確定了LDO1，LDO2，LDO3等為熱疲勞潛在故障可靠性薄弱點(diǎn)，DSP1，DCDC2等為振動(dòng)疲勞潛在故障可靠性薄弱點(diǎn)。針對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)，在LDO1，LDO2，LDO3等處改善導(dǎo)熱路勁、涂覆導(dǎo)熱脂，對(duì) DSP1，DCDC2等布局位置進(jìn)行優(yōu)化。主控板的最終仿真分析結(jié)果見(jiàn)表2，基本達(dá)到了預(yù)期的可靠性指標(biāo)，最終地面環(huán)境試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)故障。

表2 某電控設(shè)備—主控板故障預(yù)計(jì)分析結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

空間站時(shí)代，空間應(yīng)用系統(tǒng)有效載荷產(chǎn)品新技術(shù)、新材料、新器件等新手段應(yīng)用將更加廣泛，有效載荷更加復(fù)雜、創(chuàng)新性將更強(qiáng)，壽命要求更長(zhǎng)、可靠性要求更高，可繼承和借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少，用于幫助識(shí)別產(chǎn)品可靠性薄弱環(huán)節(jié)、評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)水平的數(shù)據(jù)更少。因此，提出采用基于失效物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真分析技術(shù)來(lái)解決這一難題，將可靠性量化分析與結(jié)構(gòu)分析、熱分析等進(jìn)行專業(yè)綜合，能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，明確應(yīng)力裕量，減少設(shè)計(jì)更改反復(fù)，并能比較有效的減少工程中的兩張皮現(xiàn)象，方法經(jīng)濟(jì)、高效。在提高產(chǎn)品可靠性、縮短研制周期、降低研制費(fèi)用等方面具有積極意義，特別是針對(duì)創(chuàng)新強(qiáng)的空間應(yīng)用有效載荷小子樣產(chǎn)品更加適用，應(yīng)積極推廣和應(yīng)用。

圖5 電控設(shè)備力學(xué)響應(yīng)和溫度水平分布情況

圖6 主控板故障預(yù)計(jì)模型