基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子產(chǎn)品可靠性試驗技術(shù)，涉及一種基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗方法。其特征在于，進行電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗的步驟如下：構(gòu)建數(shù)字樣機模型；分析載荷條件下的熱應力狀態(tài)和振動應力狀態(tài)；分析的潛在故障；確定故障物理模型；進行熱應力損傷分析和振動應力損傷分析；電子產(chǎn)品可靠性評估。本發(fā)明能盡快暴露電子產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，減少了電子產(chǎn)品可靠性試驗的時間，提高了可靠性試驗的效率，從而縮短了電子產(chǎn)品的研制周期，降低了電子產(chǎn)品的研制成本。
【專利說明】基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子產(chǎn)品可靠性試驗技術(shù)，涉及一種基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性 仿真試驗方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 面對客戶要求和市場競爭的壓力，研發(fā)者在滿足電子產(chǎn)品功能/性能設(shè)計的同 時，也投注越來越多的精力和成本用于提高產(chǎn)品可靠性。而可靠的產(chǎn)品并不能憑空獲得，它 是由設(shè)計所決定，并通過制造來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品可靠性是基于數(shù)理統(tǒng)計方法，在設(shè)計 階段難以發(fā)現(xiàn)并改進潛在缺陷，幾乎都要靠"事后驗證"來解決。但有數(shù)據(jù)表明：一個設(shè)計 缺陷，通過后期試驗或用戶反饋來暴露和解決，至少需要10倍以上的成本；同時需要長時 間的試驗驗證才能得出結(jié)論，試驗效率低，產(chǎn)品的研制周期長。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是：提出一種基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗方法，以便 盡快暴露電子產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，減少電子產(chǎn)品可靠性試驗的時間，提高可靠性試驗的效率， 從而縮短電子產(chǎn)品的研制周期，降低電子產(chǎn)品的研制成本。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗方法，其特征在 于，進行電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗的步驟如下：
[0005] 1、構(gòu)建電子產(chǎn)品的數(shù)字樣機模型，數(shù)字樣機模型是指二維數(shù)字樣機模型或三維數(shù) 字樣機模型，電子產(chǎn)品包括機箱、支架、模塊、電路板和元器件；
[0006] 2、采用有限元仿真分析軟件分析電子產(chǎn)品在載荷條件下的熱應力狀態(tài)和振動應 力狀態(tài)，載荷條件是指環(huán)境載荷和工作載荷；
[0007] 3、分析電子產(chǎn)品的潛在故障，確定電子產(chǎn)品的故障機理：根據(jù)電子產(chǎn)品所承受熱 應力狀態(tài)和振動應力狀態(tài)，結(jié)合電子產(chǎn)品的故障模式、影響及危害性分析報告、外場和實驗 室故障數(shù)據(jù)，確定電子產(chǎn)品的主要失效位置、失效模塊、失效電路板和潛在故障元器件，及 其故障機理；
[0008] 4、確定電子產(chǎn)品的故障物理模型，設(shè)置故障物理模型參數(shù)：根據(jù)潛在故障元器件 的故障機理，確定電子產(chǎn)品的故障物理模型，設(shè)置潛在故障元器件的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬 性、應力參數(shù)、模型修正因子等模型參數(shù)；
[0009] 5、進行電子產(chǎn)品熱應力損傷分析和振動應力損傷分析：
[0010] 5. 1、熱應力損傷計算：根據(jù)潛在故障元器件的故障物理模型，分析潛在故障元器 件在熱應力條件下的損傷，得到熱應力持續(xù)作用下的潛在故障元器件故障時間；
[0011] 5. 2、振動應力損傷計算：根據(jù)潛在故障元器件的故障物理模型，分析潛在故障元 器件在振動應力條件下的損傷，得到振動應力持續(xù)作用下的潛在故障元器件故障時間；
[0012] 5. 3、累積損傷分析：根據(jù)潛在故障元器件的故障物理模型，分析潛在故障元器件 在熱應力和振動應力同時或先后作用下的損傷，采用累積損傷法則進行累積損傷計算潛在 故障元器件故障時間；
[0013] 5. 4、蒙特卡洛分析：綜合考慮電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、工藝參數(shù)以及熱應 力和振動應力量值的隨機波動對應力損傷和累積損傷的影響，采用蒙特卡洛仿真方法進行 參數(shù)離散和隨機抽樣計算，得到大樣本潛在故障元器件的故障時間數(shù)據(jù)；
[0014] 6、電子產(chǎn)品可靠性評估：
[0015] 6. 1、確定潛在故障元器件的故障時間分布：根據(jù)故障機理的故障時間概率密度函 數(shù)，通過多個潛在故障元器件的故障分布融合確定潛在故障元器件的故障時間概率密度函 數(shù)；
[0016] 6. 2、確定模塊或設(shè)備的故障時間分布：根據(jù)電子產(chǎn)品所有潛在故障元器件的故障 時間概率密度函數(shù)，通過多點故障分布融合方法確定電子產(chǎn)品模塊或設(shè)備的故障時間概率 密度函數(shù)；
[0017] 6. 3、確定電子產(chǎn)品的故障時間分布：根據(jù)電子產(chǎn)品模塊或設(shè)備的故障時間概率密 度函數(shù)，評估電子產(chǎn)品的可靠性水平。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點是：提出了一種基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗方法，能 盡快暴露電子產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，減少了電子產(chǎn)品可靠性試驗的時間，提高了可靠性試驗的 效率，從而縮短了電子產(chǎn)品的研制周期，降低了電子產(chǎn)品的研制成本。本發(fā)明的一個實施 例，經(jīng)試驗證明，該電子產(chǎn)品的研制周期縮短了 38 %。

【具體實施方式】
[0019] 下面對本發(fā)明做進一步詳細說明?；诠收衔锢淼碾娮赢a(chǎn)品可靠性仿真試驗方 法，其特征在于，進行電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗的步驟如下：
[0020] 1、構(gòu)建電子產(chǎn)品的數(shù)字樣機模型，數(shù)字樣機模型是指二維數(shù)字樣機模型或三維數(shù) 字樣機模型，電子產(chǎn)品包括機箱、支架、模塊、電路板和元器件；
[0021] 2、采用有限元仿真分析軟件分析電子產(chǎn)品在載荷條件下的熱應力狀態(tài)和振動應 力狀態(tài)，載荷條件是指環(huán)境載荷和工作載荷；
[0022] 3、分析電子產(chǎn)品的潛在故障，確定電子產(chǎn)品的故障機理：根據(jù)電子產(chǎn)品所承受熱 應力狀態(tài)和振動應力狀態(tài)，結(jié)合電子產(chǎn)品的故障模式、影響及危害性分析報告、外場和實驗 室故障數(shù)據(jù)，確定電子產(chǎn)品的主要失效位置、失效模塊、失效電路板和潛在故障元器件，及 其故障機理；
[0023] 4、確定電子產(chǎn)品的故障物理模型，設(shè)置故障物理模型參數(shù)：根據(jù)潛在故障元器件 的故障機理，確定電子產(chǎn)品的故障物理模型，設(shè)置潛在故障元器件的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬 性、應力參數(shù)、模型修正因子等模型參數(shù)；
[0024] 5、進行電子產(chǎn)品熱應力損傷分析和振動應力損傷分析：
[0025] 5. 1、熱應力損傷計算：根據(jù)潛在故障元器件的故障物理模型，分析潛在故障元器 件在熱應力條件下的損傷，得到熱應力持續(xù)作用下的潛在故障元器件故障時間；
[0026] 5. 2、振動應力損傷計算：根據(jù)潛在故障元器件的故障物理模型，分析潛在故障元 器件在振動應力條件下的損傷，得到振動應力持續(xù)作用下的潛在故障元器件故障時間；
[0027] 5. 3、累積損傷分析：根據(jù)潛在故障元器件的故障物理模型，分析潛在故障元器件 在熱應力和振動應力同時或先后作用下的損傷，采用累積損傷法則進行累積損傷計算潛在 故障元器件故障時間；
[0028] 5. 4、蒙特卡洛分析：綜合考慮電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、工藝參數(shù)以及熱應 力和振動應力量值的隨機波動對應力損傷和累積損傷的影響，采用蒙特卡洛仿真方法進行 參數(shù)離散和隨機抽樣計算，得到大樣本潛在故障元器件的故障時間數(shù)據(jù)；
[0029] 6、電子產(chǎn)品可靠性評估：
[0030] 6. 1、確定潛在故障元器件的故障時間分布：根據(jù)故障機理的故障時間概率密度函 數(shù)，通過多個潛在故障元器件的故障分布融合確定潛在故障元器件的故障時間概率密度函 數(shù)；
[0031] 6. 2、確定模塊或設(shè)備的故障時間分布：根據(jù)電子產(chǎn)品所有潛在故障元器件的故障 時間概率密度函數(shù)，通過多點故障分布融合方法確定電子產(chǎn)品模塊或設(shè)備的故障時間概率 密度函數(shù)；
[0032] 6. 3、確定電子產(chǎn)品的故障時間分布：根據(jù)電子產(chǎn)品模塊或設(shè)備的故障時間概率密 度函數(shù)，評估電子產(chǎn)品的可靠性水平。
[0033] 實施例
[0034] 某機電管理計算機安裝于某型飛機設(shè)備艙，包含機箱、10個模塊和272種型號 10494只元器件。產(chǎn)品整機重量為15kg，整機功耗為120W，采用自然冷卻方式進行散熱。
[0035] 1、構(gòu)建電子產(chǎn)品的數(shù)字樣機模型，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計信息，在三維設(shè)計軟件CATIA中 建立機電管理計算機數(shù)字樣機模型，數(shù)字樣機模型包括機箱、10個模塊和272種型號10494 只元器件的數(shù)字樣機模型。
[0036] 2、按照環(huán)境載荷剖面，采用有限元仿真分析軟件Flotherm和Nastran，對機電管 理計算機進行了熱應力分析和振動應力分析，得出機電管理計算機機箱、模塊和元器件的 熱應力狀態(tài)和振動應力狀態(tài)。
[0037] 3、根據(jù)機電管理計算機機箱、模塊和元器件的熱應力狀態(tài)、振動應力狀態(tài)和設(shè)計 人員的工程經(jīng)驗，確定所有10494個元器件的潛在故障及其故障機理。潛在故障和故障機 理參見《GJB451A-2005可靠性維修性保障性術(shù)語》。
[0038] 4、根據(jù)10494個元器件的潛在故障及其故障機理，建立所有10494個元器件的故 障物理模型。具體故障物理模型選取和建立如下：
[0039] 4. 1、一階球柵陣列封裝熱疲勞模型：

【權(quán)利要求】
1.基于故障物理的電子產(chǎn)品可靠性仿真試驗方法，其特征在于，進行電子產(chǎn)品可靠性 仿真試驗的步驟如下： 1. 1、構(gòu)建電子產(chǎn)品的數(shù)字樣機模型，數(shù)字樣機模型是指二維數(shù)字樣機模型或H維數(shù)字 樣機模型，電子產(chǎn)品包括機箱、支架、模塊、電路板和元器件； 1.2、采用有限元仿真分析軟件分析電子產(chǎn)品在載荷條件下的熱應力狀態(tài)和振動應力 狀態(tài)，載荷條件是指環(huán)境載荷和工作載荷； 1. 3、分析電子產(chǎn)品的潛在故障，確定電子產(chǎn)品的故障機理： 根據(jù)電子產(chǎn)品所承受熱應力狀態(tài)和振動應力狀態(tài)，結(jié)合電子產(chǎn)品的故障模式、影響及 危害性分析報告、外場和實驗室故障數(shù)據(jù)，確定電子產(chǎn)品的主要失效位置、失效模塊、失效 電路板和潛在故障元器件，及其故障機理。 1. 4、確定電子產(chǎn)品的故障物理模型，設(shè)置故障物理模型參數(shù)： 根據(jù)潛在故障元器件的故障機理，確定電子產(chǎn)品的故障物理模型，設(shè)置潛在故障元器 件的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性、應力參數(shù)、模型修正因子等模型參數(shù)； 1. 5、進行電子產(chǎn)品熱應力損傷分析和振動應力損傷分析： 1.5. 1、熱應力損傷計算： 根據(jù)潛在故障元器件的故障物理模型，分析潛在故障元器件在熱應力條件下的損傷， 得到熱應力持續(xù)作用下的潛在故障元器件故障時間； 1. 5. 2、振動應力損傷計算： 根據(jù)潛在故障元器件的故障物理模型，分析潛在故障元器件在振動應力條件下的損 傷，得到振動應力持續(xù)作用下的潛在故障元器件故障時間； 1. 5. 3、累積損傷分析： 根據(jù)潛在故障元器件的故障物理模型，分析潛在故障元器件在熱應力和振動應力同時 或先后作用下的損傷，采用累積損傷法則進行累積損傷計算潛在故障元器件故障時間； 1. 5. 4、蒙特卡洛分析： 綜合考慮電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、工藝參數(shù)W及熱應力和振動應力量值的隨 機波動對應力損傷和累積損傷的影響，采用蒙特卡洛仿真方法進行參數(shù)離散和隨機抽樣計 算，得到大樣本潛在故障元器件的故障時間數(shù)據(jù)； 1.6、 電子產(chǎn)品可靠性評估： 1. 6. 1、確定潛在故障元器件的故障時間分布： 根據(jù)故障機理的故障時間概率密度函數(shù)，通過多個潛在故障元器件的故障分布融合確 定潛在故障元器件的故障時間概率密度函數(shù)； 1. 6. 2、確定模塊或設(shè)備的故障時間分布： 根據(jù)電子產(chǎn)品所有潛在故障元器件的故障時間概率密度函數(shù)，通過多點故障分布融合 方法確定電子產(chǎn)品模塊或設(shè)備的故障時間概率密度函數(shù)； 1. 6. 3、確定電子產(chǎn)品的故障時間分布： 根據(jù)電子產(chǎn)品模塊或設(shè)備的故障時間概率密度函數(shù)，評估電子產(chǎn)品的可靠性水平。
【文檔編號】G06F17/50GK104462700SQ201410777018
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】任占勇, 王昕 , 陳新, 杜鑫, 李想, 曾晨暉, 王禮沅, 孫瑞鋒 申請人:中國航空綜合技術(shù)研究所