溫度循環(huán)載荷條件下電子設(shè)備多失效模式加速試驗(yàn)技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)備的可靠性水平越來(lái)越高。但是，由于電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電子設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中依然存在多種失效模式。美國(guó)空軍對(duì)裝備硬件故障的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：軍用飛機(jī)電子設(shè)備中，超過(guò)一半的失效模式與其所工作的溫度環(huán)境有關(guān)。電子設(shè)備在溫度環(huán)境中存在兩類(lèi)典型的失效模式：因關(guān)鍵元器件發(fā)生功能失效而導(dǎo)致的失效（元器件類(lèi)失效模式）以及因連接元器件與電路板之間的焊點(diǎn)發(fā)生疲勞斷裂而導(dǎo)致的失效（焊點(diǎn)疲勞類(lèi)失效模式）。對(duì)于同時(shí)具有多種潛在的

2、元器件類(lèi)失效模式和焊點(diǎn)疲勞類(lèi)失效模式的電子設(shè)備，任意一種失效模式的發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備的最終失效。因此，針對(duì)電子設(shè)備在溫度環(huán)境中的兩類(lèi)典型失效模式，開(kāi)展電子設(shè)備多失效模式加速試驗(yàn)理論與方法研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的高效可靠性評(píng)估具有重要意義。
　　目前，以電子設(shè)備可靠性評(píng)估為目的的加速試驗(yàn)方法，主要采用恒定、步進(jìn)、步降以及序進(jìn)的應(yīng)力加載方式，能夠有效地激發(fā)電子設(shè)備中的元器件類(lèi)失效模式。然而，電子設(shè)備中的焊點(diǎn)需要受到多次循環(huán)應(yīng)力載荷的作

3、用才會(huì)發(fā)生疲勞失效。當(dāng)試驗(yàn)溫度以恒定、步進(jìn)、步降以及序進(jìn)的方式進(jìn)行加載時(shí)，電子設(shè)備中的焊點(diǎn)無(wú)法受到循環(huán)應(yīng)力載荷的作用。因此，目前采用恒定、步進(jìn)、步降以及序進(jìn)應(yīng)力加載方式的加速試驗(yàn)方法，對(duì)電子設(shè)備中的焊點(diǎn)疲勞類(lèi)失效模式的激發(fā)效果十分有限，從而無(wú)法有效地對(duì)同時(shí)具有元器件類(lèi)失效模式和焊點(diǎn)疲勞類(lèi)失效模式的電子設(shè)備在溫度環(huán)境中的可靠性進(jìn)行評(píng)估。
　　為此，論文對(duì)一種能夠評(píng)估電子設(shè)備在溫度環(huán)境中可靠性的溫度循環(huán)加速試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。該方法同時(shí)

4、關(guān)注對(duì)電子設(shè)備中的元器件類(lèi)失效模式和焊點(diǎn)疲勞類(lèi)失效模式的激發(fā)效果，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備在溫度環(huán)境中的可靠性進(jìn)行評(píng)估。論文的研究工作涉及溫度循環(huán)載荷條件下電子設(shè)備失效機(jī)理分析與可靠性建模、溫度循環(huán)加速試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法以及溫度循環(huán)加速試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。論文主要研究?jī)?nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下：
　　1.建立了多失效模式電子設(shè)備在溫度循環(huán)載荷條件下的可靠性模型，以此作為溫度循環(huán)加速試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究的基礎(chǔ)。
　?。?）為了描

5、述溫度循環(huán)試驗(yàn)環(huán)境對(duì)元器件類(lèi)失效模式的影響，建立了基于指數(shù)分布和Arrhenius加速模型的溫度循環(huán)載荷條件下元器件類(lèi)失效模式的可靠性模型。
　?。?）為了更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)焊點(diǎn)在不同溫度循環(huán)載荷條件下的疲勞壽命，在對(duì)溫度循環(huán)載荷條件下焊點(diǎn)疲勞類(lèi)失效模式的失效機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)Norris-Landzberg模型進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)改進(jìn)后的 Norris-Landzberg模型，進(jìn)一步建立了溫度循環(huán)載荷條件下焊點(diǎn)疲勞類(lèi)失效模式的可靠

6、性模型。
　　（3）利用競(jìng)爭(zhēng)失效模型描述了不同失效模式可靠度函數(shù)之間的關(guān)系，建立了具有多種失效模式的電子設(shè)備在溫度循環(huán)載荷條件下的可靠性模型。
　　2.針對(duì)多失效模式電子設(shè)備溫度循環(huán)加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析問(wèn)題，分別提出了基于CEM模型的競(jìng)爭(zhēng)失效相互獨(dú)立情況下溫度循環(huán)加速試驗(yàn)極大似然統(tǒng)計(jì)分析方法和基于copula函數(shù)的競(jìng)爭(zhēng)失效相互關(guān)聯(lián)情況下溫度循環(huán)加速試驗(yàn)IFM統(tǒng)計(jì)分析方法。
　　（1）根據(jù)工程實(shí)踐中所發(fā)現(xiàn)的電子設(shè)備中對(duì)

7、低溫敏感的失效模式，指出只采用高溫作為試驗(yàn)環(huán)境的加速試驗(yàn)方法無(wú)法有效地激發(fā)電子設(shè)備中對(duì)低溫敏感的失效模式，提出了高、低溫加速試驗(yàn)及其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極大似然統(tǒng)計(jì)分析方法，以此作為溫度循環(huán)加速試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法研究的基礎(chǔ)。
　?。?）針對(duì)溫度循環(huán)加速試驗(yàn)中元器件類(lèi)失效數(shù)據(jù)的折算問(wèn)題，給出基于CEM模型的數(shù)據(jù)折算方法。在此基礎(chǔ)上，提出了競(jìng)爭(zhēng)失效獨(dú)立情況下溫度循環(huán)加速試驗(yàn)的極大似然統(tǒng)計(jì)分析方法。給出了各失效模式相互獨(dú)立情況下溫度循環(huán)加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

8、的Monte Carlo仿真方法，該方法通過(guò)引入等效失效率的概念來(lái)解決元器件類(lèi)失效數(shù)據(jù)的仿真問(wèn)題。
　?。?）針對(duì)電子設(shè)備中各失效模式的失效過(guò)程之間可能存在相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，提出了基于copula函數(shù)的競(jìng)爭(zhēng)失效相關(guān)情況下溫度循環(huán)加速試驗(yàn)的IFM統(tǒng)計(jì)分析方法。該方法利用 copula函數(shù)來(lái)描述不同失效模式可靠度函數(shù)之間的關(guān)系，并通過(guò)IFM方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)，可以在保證參數(shù)估計(jì)結(jié)果精度的前提下，有效地降低參數(shù)估計(jì)過(guò)程的計(jì)算量。

9、r>　　3.針對(duì)溫度循環(huán)加速試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，分別給出了基于解析的溫度循環(huán)加速試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和基于Monte Carlo仿真的溫度循環(huán)加速試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　?。?）研究了基于解析的溫度循環(huán)加速試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，給出了溫度循環(huán)加速試驗(yàn)方案的D優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和基于可靠性指標(biāo)漸進(jìn)方差的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　（2）給出了基于Monte Carlo仿真的溫度循環(huán)加速試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)數(shù)據(jù)仿真和統(tǒng)計(jì)分析

10、兩個(gè)主要步驟來(lái)獲得所有可選試驗(yàn)方案的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，并依據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，在所有備選方案中選出最優(yōu)試驗(yàn)方案，可以有效減少優(yōu)化過(guò)程中的計(jì)算量。
　?。?）通過(guò)仿真案例對(duì)基于解析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和基于Monte Carlo仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　4.以貼片電容和貼片電阻為對(duì)象，對(duì)本文所提出的溫度循環(huán)載荷條件下電子設(shè)備多失效模式加速試驗(yàn)理論與方法進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。
　　綜上所述，論文針對(duì)同時(shí)具有元器件類(lèi)失效模式和焊點(diǎn)疲勞