專利名稱：一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，它是利用基于失效物理理論的電氣互連結(jié)構(gòu)故障前工作時(shí)間預(yù)測方法、基于手冊(cè)的元器件失效率預(yù)計(jì)方法和數(shù)據(jù)融合方法，可用于評(píng)估和預(yù)計(jì)電子產(chǎn)品的可靠性水平，屬于電子產(chǎn)品可靠性工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前， 在電子產(chǎn)品可靠性工程中主要依照我國軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)和GJB/Z 108A-2006電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)對(duì)國產(chǎn)電子產(chǎn)品在工作和非工作狀態(tài)下的可靠性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)計(jì)，采用美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MI-HDBK-217、貝爾實(shí)驗(yàn)室編制的Bellcore TR 332、西門子公司編制的SN 29500等可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)對(duì)國外生產(chǎn)的相應(yīng)元器件和電子模組的可靠性水平進(jìn)行預(yù)計(jì)。上述基于手冊(cè)的可靠性預(yù)計(jì)方法都是通過統(tǒng)計(jì)各類元器件在實(shí)際工作條件或試驗(yàn)條件下的失效率，預(yù)計(jì)整個(gè)電子產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。數(shù)據(jù)處理基本思想則是依據(jù)電子產(chǎn)品失效率服從指數(shù)分布的基本假設(shè)進(jìn)行。對(duì)于電子元器件，尤其是微電子器件內(nèi)部的各種失效機(jī)理，由于導(dǎo)致失效的各種物理化學(xué)過程較為復(fù)雜，因此元器件自身失效所反映出來的隨機(jī)性可以采用指數(shù)分布描述；而對(duì)于元器件與印制電路板電氣互連部分的失效，則是由于溫度循環(huán)、振動(dòng)、腐蝕等因素導(dǎo)致，此類故障往往呈現(xiàn)耗損性特征。而基于手冊(cè)的可靠性預(yù)計(jì)方法對(duì)于電氣互連結(jié)構(gòu)故障的處理方法可分為兩類一種是將此類故障忽略，僅統(tǒng)計(jì)器件內(nèi)部的失效；另一種是仍然簡單地將此類故障按照指數(shù)分布處理，計(jì)算相應(yīng)的基本失效率和使用失效率。為了更為準(zhǔn)確的評(píng)估電子產(chǎn)品的可靠性水平，基于失效物理的電子產(chǎn)品壽命預(yù)測方法正逐步得到應(yīng)用。通過熱分析、振動(dòng)分析等環(huán)境應(yīng)力分析方法，可以獲得電子產(chǎn)品電氣互連部位，例如焊點(diǎn)、鍍通孔等結(jié)構(gòu)的局部環(huán)境應(yīng)力水平，連同材料、尺寸結(jié)構(gòu)信息一起，代入相應(yīng)失效物理模型中，即可得到該結(jié)構(gòu)的故障前工作時(shí)間。此種方法較基于手冊(cè)的可靠性預(yù)計(jì)方法相比，可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。若在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，利用失效物理方法和數(shù)據(jù)融合方法計(jì)算電氣互聯(lián)部分的可靠性指標(biāo)，并結(jié)合可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)中給出的元器件自身失效率，就可以獲得更為準(zhǔn)確的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，它是一種采用失效物理方法修正的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，該方法便于實(shí)施，且可提高電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確度。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，它包括如下步驟步驟一列舉電子產(chǎn)品中全部電氣互連部分可能出現(xiàn)失效的潛在故障點(diǎn)，考慮電子組裝工藝中裝配公差的影響，根據(jù)其分布類型(如正態(tài)分布、三角分布、威布爾分布等)，采用Mont-Carlo方法對(duì)電子組裝公差等具有分散性的參數(shù)進(jìn)行仿真抽樣；步驟二 利用數(shù)值仿真計(jì)算方法進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力分析，計(jì)算得到電氣互連結(jié)構(gòu)失效物理模型的必要輸入；步驟三將采用Mont-Carlo方法產(chǎn)生的潛在故障點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)逐個(gè)代入失效物理模型，生成失效前工作時(shí)間的樣本數(shù)據(jù)；步驟四根據(jù)電子產(chǎn)品電氣互連部分各潛在故障點(diǎn)的失效前工作時(shí)間樣本，構(gòu)建能夠反映電子產(chǎn)品失效前工作時(shí)間的故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Amxn ；步驟五根據(jù)該電子產(chǎn)品的可靠性框圖，針對(duì)冗余、備份的結(jié)構(gòu)，對(duì)故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Amxn中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，得到化簡后的故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Amxk，其中(k<n);步驟六取化簡后的故障仿真數(shù)據(jù)矩陣各行向量元素最小值，構(gòu)成板級(jí)故障仿真向量TTFB_d，其中每個(gè)元素分別表示m個(gè)電子產(chǎn)品各自電氣互連結(jié)構(gòu)部分的失效前工作時(shí)間；步驟七對(duì)m維列向量TTFbmk1的全部元素取均值得到電子產(chǎn)品電氣互連結(jié)構(gòu)部分的平均故障前工作時(shí)間MTTF，通常板級(jí)電子產(chǎn)品的電氣互連結(jié)構(gòu)屬于不可修，則其失效率λ _可以通過對(duì)MTTF取倒數(shù)獲得；步驟八加入元器件在使用條件下自身的失效率，以及電子產(chǎn)品本身的可靠性模型，得到模組級(jí)電子產(chǎn)品的失效率為最終預(yù)計(jì)結(jié)果。其中，在步驟一中所述的“電子組裝公差”是指對(duì)電子產(chǎn)品電氣互聯(lián)結(jié)構(gòu)壽命、可靠性有影響的參數(shù)，例如焊點(diǎn)的有效接觸面積、焊點(diǎn)的高度、元器件外引線尺寸、PCB鍍通孔聞徑t匕等。其中，在步驟二中所述的“環(huán)境應(yīng)力分析”是指利用有限元、有限體積、有限差分法等的數(shù)值仿真計(jì)算方法，獲得失效物理模型所需的潛在失效點(diǎn)局部環(huán)境應(yīng)力水平。此處的應(yīng)力是指廣義環(huán)境應(yīng)力，可以包括熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)等多個(gè)方面的應(yīng)力。環(huán)境應(yīng)力分析可以采用商業(yè)軟件中相應(yīng)功能模塊通過建模求解計(jì)算得到。其中，在步驟三中所述的“失效物理模型”，是指用于預(yù)測元器件的焊點(diǎn)、連接PCB基板各層布線之間的鍍通孔等電氣互連結(jié)構(gòu)失效前工作時(shí)間的失效物理模型，它可以通過 大量公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文、報(bào)告、標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)等途徑獲得，在應(yīng)用本方法前應(yīng)對(duì)模型參數(shù)，及模型的適用條件進(jìn)行確定，才能保證可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。其中，在步驟四中所述的“故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Amxn”，需要按照如下形式整理
~ TTFn TTF12 ··· TTF1:
TTF1' TTF77
A _2122
mxn:I
JTFml···TTFmn_式中，故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Amxn的下角標(biāo)η表示第η個(gè)進(jìn)行仿真的潛在故障點(diǎn)，m表示某一潛在故障點(diǎn)中的第m個(gè)仿真結(jié)果，因此TTFnm表示在第m次仿真過程中，編號(hào)為η的潛在故障點(diǎn)的故障前工作時(shí)間。其中，在步驟五中所述的對(duì)故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Amxn中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并與化簡是指根據(jù)電子產(chǎn)品的可靠性框圖，分析產(chǎn)品組成部分中是否具有冗余、備份的情況，如果存在冗余設(shè)計(jì)的情形，例如第j個(gè)元器件是第i個(gè)元器件的備份，二者在可靠性框圖中屬于并列關(guān)系，那么這兩個(gè)元器件的電氣互聯(lián)結(jié)構(gòu)故障仿真數(shù)據(jù)則應(yīng)按照下述方法處理首先，逐一比較每個(gè)行向量中TTFmi和TTFnu.的取值，取其中的較大者，賦值給TTFmi，然后刪除TTFnu.整列數(shù)據(jù)，則此時(shí)原故障仿真數(shù)據(jù)矩陣變?yōu)楹喕蟮腁mxk，其中k =(η-I)，即TTFmi = max {TTFmi, TTFmj | m =仿真次數(shù)}進(jìn)而可以得到
權(quán)利要求
1.一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，其特征在于它包括如下步驟 步驟一列舉電子產(chǎn)品中全部電氣互連部分可能出現(xiàn)失效的潛在故障點(diǎn)，考慮電子組裝工藝中裝配公差的影響，根據(jù)其分布類型采用Mont-Carlo方法對(duì)電子組裝公差具有分散性的參數(shù)進(jìn)行仿真抽樣； 步驟二 利用數(shù)值仿真計(jì)算方法進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力分析，計(jì)算得到電氣互連結(jié)構(gòu)失效物理模型的必要輸入； 步驟三將采用Mont-Carlo方法產(chǎn)生的潛在故障點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)逐個(gè)代入失效物理模型，生成失效前工作時(shí)間的樣本數(shù)據(jù)； 步驟四根據(jù)電子產(chǎn)品電氣互連部分各潛在故障點(diǎn)的失效前工作時(shí)間樣本，構(gòu)建能夠反映電子產(chǎn)品失效前工作時(shí)間的故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Amxn ； 步驟五根據(jù)該電子產(chǎn)品的可靠性框圖，針對(duì)冗余、備份的結(jié)構(gòu)，對(duì)故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Afflxn中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，得到化簡后的故障仿真數(shù)據(jù)矩陣AmXk，其中k < n ; 步驟六取化簡后的故障仿真數(shù)據(jù)矩陣各行向量元素最小值，構(gòu)成板級(jí)故障仿真向量TTFB(OTd，其中每個(gè)元素分別表示m個(gè)電子產(chǎn)品各自電氣互連結(jié)構(gòu)部分的失效前工作時(shí)間； 步驟七對(duì)m維列向量TTFbmk1的全部元素取均值得到電子產(chǎn)品電氣互連結(jié)構(gòu)部分的平均故障前工作時(shí)間MTTF，通常板級(jí)電子產(chǎn)品的電氣互連結(jié)構(gòu)屬于不可修，則其失效率入_通過對(duì)MTTF取倒數(shù)獲得； 步驟八加入元器件在使用條件下自身的失效率，以及電子產(chǎn)品本身的可靠性模型，得到模組級(jí)電子產(chǎn)品的失效率為最終預(yù)計(jì)結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，其特征在于步驟一中所述的“電子組裝公差”是指對(duì)電子產(chǎn)品電氣互聯(lián)結(jié)構(gòu)壽命及可靠性有影響的參數(shù)，如焊點(diǎn)的有效接觸面積、焊點(diǎn)的高度、元器件外引線尺寸、PCB鍍通孔高徑比。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，其特征在于步驟二中所述的“環(huán)境應(yīng)力分析”是指利用有限元、有限體積、有限差分法的數(shù)值仿真計(jì)算方法，獲得失效物理模型所需的潛在失效點(diǎn)局部環(huán)境應(yīng)力水平；此處的應(yīng)力是指廣義環(huán)境應(yīng)力，包括熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)多個(gè)方面的應(yīng)力，環(huán)境應(yīng)力分析采用商業(yè)軟件中相應(yīng)功能模塊通過建模求解計(jì)算得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，其特征在于步驟三中所述的“失效物理模型”，是指用于預(yù)測元器件的焊點(diǎn)、連接PCB基板各層布線之間的鍍通孔電氣互連結(jié)構(gòu)失效前工作時(shí)間的失效物理模型，它通過現(xiàn)有技術(shù)獲得，在應(yīng)用前應(yīng)對(duì)模型參數(shù)及適用條件進(jìn)行確定，才能保證可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，其特征在于步驟四中所述的“故障仿真數(shù)據(jù)矩陣AmXn”，需要按照如下形式整理
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，其特征在于步驟五中所述的對(duì)故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Amxn中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并與化簡是指根據(jù)電子產(chǎn)品的可靠性框圖，分析產(chǎn)品組成部分中是否具有冗余、備份的情況，如果存在冗余設(shè)計(jì)的情形，例如第j個(gè)元器件是第i個(gè)元器件的備份，二者在可靠性框圖中屬于并列關(guān)系，那么這兩個(gè)元器件的電氣互聯(lián)結(jié)構(gòu)故障仿真數(shù)據(jù)則應(yīng)按照下述方法處理 首先，逐一比較每個(gè)行向量中TTFmi和TTFnu.的取值，取其中的較大者，賦值給TTFmi，然后刪除TTFnu整列數(shù)據(jù)，則此時(shí)原故障仿真數(shù)據(jù)矩陣變?yōu)楹喕蟮腁mxk,其中k = (n-1)，即TTFmi = max {TTFmi, TTFnJm =仿真次數(shù)} 進(jìn)而得到
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，其特征在于步驟六中所述的“板級(jí)故障仿真向量”是表示考慮電子組裝工藝分散性，根據(jù)環(huán)境應(yīng)力分析結(jié)果和失效物理模型，通過m次仿真得到的m個(gè)板級(jí)電子產(chǎn)品故障前工作時(shí)間，依次使用m維列向量TTFB(OTd中的元素表示；TTFBMri通過下式獲得
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，其特征在于步驟七中所述的失效率X _即板級(jí)電子產(chǎn)品電氣互連部分故障率根據(jù)下式得到
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，其特征在于步驟八中所述元器件在使用條件下自身的失效率，通過國內(nèi)外相關(guān)的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)中給出的預(yù)計(jì)方法得到，而整個(gè)板級(jí)電子產(chǎn)品的失效率入，使用下式計(jì)算得到 入=入 +入 con components°
全文摘要
一種考慮電氣互連結(jié)構(gòu)可靠性的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法，它有八大步驟一找產(chǎn)品中電氣互連部分的潛在故障點(diǎn)，對(duì)電子組裝公差的參數(shù)進(jìn)行仿真抽樣；二利用仿真進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力分析，得到失效物理模型的輸入；三將潛在故障點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)代入失效物理模型，生成失效前的樣本數(shù)據(jù)；四根據(jù)失效前樣本數(shù)據(jù)，構(gòu)建產(chǎn)品失效前故障仿真數(shù)據(jù)矩陣Am×n；步驟五對(duì)Am×n中相應(yīng)數(shù)據(jù)合并，得化簡后的Am×k，其中k≤n；步驟六取化簡后的Am×k各行向量元素最小值，構(gòu)成板級(jí)故障仿真向量TTFBoard；步驟七對(duì)m維列向量TTFBoard的全部元素取均值得到產(chǎn)品的平均故障前工作時(shí)間MTTF；步驟八加入元器件自身的失效率及可靠性模型，得到產(chǎn)品的失效率為最終預(yù)計(jì)結(jié)果。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102663201SQ20121012353
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者萬博, 付桂翠, 張驍, 谷瀚天 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)