溫度循環(huán)載荷條件下電子設備多失效模式加速試驗技術研究.pdf

1、隨著科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代電子設備的可靠性水平越來越高。但是，由于電子設備的結構日趨復雜，電子設備在運行過程中依然存在多種失效模式。美國空軍對裝備硬件故障的統(tǒng)計結果表明：軍用飛機電子設備中，超過一半的失效模式與其所工作的溫度環(huán)境有關。電子設備在溫度環(huán)境中存在兩類典型的失效模式：因關鍵元器件發(fā)生功能失效而導致的失效（元器件類失效模式）以及因連接元器件與電路板之間的焊點發(fā)生疲勞斷裂而導致的失效（焊點疲勞類失效模式）。對于同時具有多種潛在的

2、元器件類失效模式和焊點疲勞類失效模式的電子設備，任意一種失效模式的發(fā)生都會導致電子設備的最終失效。因此，針對電子設備在溫度環(huán)境中的兩類典型失效模式，開展電子設備多失效模式加速試驗理論與方法研究，對實現(xiàn)電子設備的高效可靠性評估具有重要意義。
　　目前，以電子設備可靠性評估為目的的加速試驗方法，主要采用恒定、步進、步降以及序進的應力加載方式，能夠有效地激發(fā)電子設備中的元器件類失效模式。然而，電子設備中的焊點需要受到多次循環(huán)應力載荷的作

3、用才會發(fā)生疲勞失效。當試驗溫度以恒定、步進、步降以及序進的方式進行加載時，電子設備中的焊點無法受到循環(huán)應力載荷的作用。因此，目前采用恒定、步進、步降以及序進應力加載方式的加速試驗方法，對電子設備中的焊點疲勞類失效模式的激發(fā)效果十分有限，從而無法有效地對同時具有元器件類失效模式和焊點疲勞類失效模式的電子設備在溫度環(huán)境中的可靠性進行評估。
　　為此，論文對一種能夠評估電子設備在溫度環(huán)境中可靠性的溫度循環(huán)加速試驗方法進行研究。該方法同時

4、關注對電子設備中的元器件類失效模式和焊點疲勞類失效模式的激發(fā)效果，以實現(xiàn)對電子設備在溫度環(huán)境中的可靠性進行評估。論文的研究工作涉及溫度循環(huán)載荷條件下電子設備失效機理分析與可靠性建模、溫度循環(huán)加速試驗統(tǒng)計分析方法以及溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設計方法。論文主要研究內(nèi)容及相關結論如下：
　　1.建立了多失效模式電子設備在溫度循環(huán)載荷條件下的可靠性模型，以此作為溫度循環(huán)加速試驗統(tǒng)計分析方法和優(yōu)化設計方法研究的基礎。
　?。?）為了描

5、述溫度循環(huán)試驗環(huán)境對元器件類失效模式的影響，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失效模式的可靠性模型。
　　（2）為了更加準確的預測焊點在不同溫度循環(huán)載荷條件下的疲勞壽命，在對溫度循環(huán)載荷條件下焊點疲勞類失效模式的失效機理進行分析的基礎上，對Norris-Landzberg模型進行了改進。根據(jù)改進后的 Norris-Landzberg模型，進一步建立了溫度循環(huán)載荷條件下焊點疲勞類失效模式的可靠

6、性模型。
　?。?）利用競爭失效模型描述了不同失效模式可靠度函數(shù)之間的關系，建立了具有多種失效模式的電子設備在溫度循環(huán)載荷條件下的可靠性模型。
　　2.針對多失效模式電子設備溫度循環(huán)加速試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析問題，分別提出了基于CEM模型的競爭失效相互獨立情況下溫度循環(huán)加速試驗極大似然統(tǒng)計分析方法和基于copula函數(shù)的競爭失效相互關聯(lián)情況下溫度循環(huán)加速試驗IFM統(tǒng)計分析方法。
　　（1）根據(jù)工程實踐中所發(fā)現(xiàn)的電子設備中對

7、低溫敏感的失效模式，指出只采用高溫作為試驗環(huán)境的加速試驗方法無法有效地激發(fā)電子設備中對低溫敏感的失效模式，提出了高、低溫加速試驗及其試驗數(shù)據(jù)的極大似然統(tǒng)計分析方法，以此作為溫度循環(huán)加速試驗統(tǒng)計分析方法研究的基礎。
　?。?）針對溫度循環(huán)加速試驗中元器件類失效數(shù)據(jù)的折算問題，給出基于CEM模型的數(shù)據(jù)折算方法。在此基礎上，提出了競爭失效獨立情況下溫度循環(huán)加速試驗的極大似然統(tǒng)計分析方法。給出了各失效模式相互獨立情況下溫度循環(huán)加速試驗數(shù)據(jù)

8、的Monte Carlo仿真方法，該方法通過引入等效失效率的概念來解決元器件類失效數(shù)據(jù)的仿真問題。
　?。?）針對電子設備中各失效模式的失效過程之間可能存在相互關聯(lián)的問題，提出了基于copula函數(shù)的競爭失效相關情況下溫度循環(huán)加速試驗的IFM統(tǒng)計分析方法。該方法利用 copula函數(shù)來描述不同失效模式可靠度函數(shù)之間的關系，并通過IFM方法對模型參數(shù)進行了估計，可以在保證參數(shù)估計結果精度的前提下，有效地降低參數(shù)估計過程的計算量。

9、r>　　3.針對溫度循環(huán)加速試驗方案的優(yōu)化設計問題，分別給出了基于解析的溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設計方法和基于Monte Carlo仿真的溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設計方法。
　　（1）研究了基于解析的溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設計方法，給出了溫度循環(huán)加速試驗方案的D優(yōu)化設計方法和基于可靠性指標漸進方差的優(yōu)化設計方法。
　?。?）給出了基于Monte Carlo仿真的溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設計方法。該方法通過數(shù)據(jù)仿真和統(tǒng)計分析

10、兩個主要步驟來獲得所有可選試驗方案的統(tǒng)計分析結果，并依據(jù)優(yōu)化目標，在所有備選方案中選出最優(yōu)試驗方案，可以有效減少優(yōu)化過程中的計算量。
　?。?）通過仿真案例對基于解析的優(yōu)化設計方法和基于Monte Carlo仿真的優(yōu)化設計方法進行了對比分析。
　　4.以貼片電容和貼片電阻為對象，對本文所提出的溫度循環(huán)載荷條件下電子設備多失效模式加速試驗理論與方法進行了應用驗證。
　　綜上所述，論文針對同時具有元器件類失效模式和焊點疲勞