基于“失效模式-失效機(jī)理-分析模型”的電子產(chǎn)品可靠性分析應(yīng)用

孫曉君

（北京空間科技信息研究所 北京 100086）

對(duì)于電子產(chǎn)品可靠性的分析大體分為4個(gè)步驟：第一步為調(diào)研，主要針對(duì)電子產(chǎn)品可靠性問(wèn)題的嚴(yán)重性、環(huán)境應(yīng)力及失效機(jī)理的影響，可靠性總體工作內(nèi)容等進(jìn)行；第二步為試驗(yàn)，主要是對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn)，定量地得出電子元器件或整機(jī)的可靠性水平，同時(shí)制定出各種環(huán)境試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)；第三步為可靠性物理研究階段，主要是對(duì)可靠性問(wèn)題的本質(zhì) （故障或失效模式及其機(jī)理進(jìn)行分析研究，并探討和提出各種加速度試驗(yàn)的方法；第四步為可靠性保證，即在了解可靠性現(xiàn)象和本質(zhì)的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品的研制開(kāi)始到使用的各個(gè)階段加強(qiáng)可靠性管理和保證、評(píng)價(jià)、認(rèn)證及控制，建立可靠性數(shù)據(jù)收集、交換體系和數(shù)據(jù)中心。由此結(jié)合到一個(gè)具體的電子產(chǎn)品案例系統(tǒng)，可以相應(yīng)的將整個(gè)可靠性分析過(guò)程分為4個(gè)階段[1]：

1）對(duì)產(chǎn)品使用條件、試用期內(nèi)產(chǎn)生的失效現(xiàn)象及其影響的匯總和問(wèn)題的初步分析；

2）根據(jù)失效現(xiàn)象審視設(shè)計(jì)，對(duì)可能存在的明顯問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，后采用試驗(yàn)手段進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)失效定位，得到產(chǎn)品的高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)及相應(yīng)的改進(jìn)措施；

3）針對(duì)產(chǎn)品中存在的高風(fēng)險(xiǎn)器件/部件的常見(jiàn)失效模式、失效機(jī)理、失效模型進(jìn)行匯總，并采用模型預(yù)計(jì)的方式求出壽命，并分析是否合理；

4）將前期所有分析得到的高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)、失效模式進(jìn)行匯總，在制造過(guò)程中加以控制，并建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)，以保障可靠性的管理和控制。

由此可見(jiàn)，高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)的識(shí)別在整個(gè)產(chǎn)品的可靠性分析、評(píng)價(jià)過(guò)程中處于極為關(guān)鍵的地位，現(xiàn)階段人們一般采用FMEA等分析評(píng)估方法和手段，希望能準(zhǔn)確的識(shí)別，以對(duì)某一高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)有針對(duì)性的進(jìn)行分析和改良，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的提高。然而由于這些方法多是對(duì)失效模式和影響的分析，并沒(méi)有考慮產(chǎn)品在實(shí)際使用環(huán)境和應(yīng)力環(huán)境下可能的失效形式的出現(xiàn)概率[2]，同時(shí)失效的影響在不同產(chǎn)品中的描述亦有不同，這樣，對(duì)于積累的失效模式、失效機(jī)理等的經(jīng)驗(yàn)和理論利用率并不高。如何解決和提高就成了當(dāng)務(wù)之急。

筆者將從產(chǎn)品涉及的使用條件、失效特征、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)需求、所處環(huán)節(jié)、帶來(lái)的影響后果等因素的關(guān)系出發(fā)，得到“元器件-失效模式-失效機(jī)理-影響因素”這一分析路徑，并針對(duì)一個(gè)電子產(chǎn)品案例，通過(guò)簡(jiǎn)要分析失效模式和失效機(jī)理，確定其高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，最后利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的失效模型進(jìn)行可靠性分析，完成利用這一關(guān)聯(lián)形式分析的全過(guò)程。

1 可靠性評(píng)估分析途徑

每個(gè)電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)都是元器件和連接件，產(chǎn)品的可靠性必然與這些元器件/連接件密切相關(guān)，一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)將可能導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的失效，故要保障整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。必須對(duì)每個(gè)元器件，特別是高風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵元器件進(jìn)行分析，保障它們的可靠性。一般來(lái)說(shuō)，元器件的可靠性評(píng)價(jià)與多種因素相關(guān)，如：使用條件、失效特征、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)需求、所處環(huán)節(jié)、帶來(lái)的影響后果等，這些因素之間存在的關(guān)系如圖1所示。

圖1 元器件各因素之間的聯(lián)系Fig.1 Relation between the factors of component

注：圖1中所示的關(guān)系簡(jiǎn)述如下：

1）元器件-失效模式-根因：不同元器件可能的失效模式及造成的根本原因；

2）元器件-失效模式-失效機(jī)理-影響因素：不同元器件可能的失效模式、機(jī)理及其影響因素；

3）失效模式-試驗(yàn)測(cè)試-工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：用于測(cè)試不同失效模式的試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)；

4）失效機(jī)理-試驗(yàn)測(cè)試-工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：用于測(cè)試不同失效機(jī)理的試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)；

5）試驗(yàn)測(cè)試-工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：不同類型試驗(yàn)測(cè)試的目前已有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

6）元器件-結(jié)構(gòu)與部位-設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：不同元器件在不同部位的相應(yīng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；

7）失效模式-后果：不同失效模式造成的后果。

對(duì)于一個(gè)電子產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，其關(guān)鍵在于確定產(chǎn)品的高風(fēng)險(xiǎn)易失效環(huán)節(jié)。而每個(gè)元器件及連接件都有自身常見(jiàn)的失效模式與失效機(jī)理，并且隨著產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、加工、制造、使用環(huán)境的不同，失效形式也會(huì)隨之變化。所以，可以利用“元器件-失效模式-失效機(jī)理-影響因素”這樣一個(gè)關(guān)聯(lián)形式，首先，通過(guò)分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品各組成單元潛在的各種故障模式、故障機(jī)理及其對(duì)產(chǎn)品功能、性能和長(zhǎng)期退化的影響，明確產(chǎn)品的高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)有哪些；其次，判斷在產(chǎn)品實(shí)際使用條件下，各種失效機(jī)理被激發(fā)的可能性，即：對(duì)元器件的結(jié)構(gòu)、材料、工序和工藝等的失效模式、機(jī)理、影響、嚴(yán)重程度與發(fā)生的概率進(jìn)行評(píng)估，以概率最高環(huán)節(jié)作為整個(gè)產(chǎn)品的最高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)；最后配以試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)或理論進(jìn)行可靠性分析。接下來(lái)，本文將以一個(gè)分析案例驗(yàn)證這一分析方法。

2 案例系統(tǒng)基本構(gòu)成

本案例分析的產(chǎn)品對(duì)象是一種用于高可靠性環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分為采集和接收兩部分，其主要工作方式為：采集部分實(shí)時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并采用無(wú)線數(shù)字傳輸技術(shù)，將測(cè)量的溫度、濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到中心監(jiān)控主機(jī)（接收部分），并將歷史數(shù)據(jù)保存至主機(jī)[3]。

在本系統(tǒng)中，就整個(gè)信號(hào)傳輸過(guò)程而言，將系統(tǒng)分為以下主要的基本環(huán)節(jié)：電源、傳感器、運(yùn)算放大器、具有無(wú)線傳輸功能的nRF芯片（采集、接受各一個(gè)）、PC電腦。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.2 Basic elements of system

案例中影響最終輸出結(jié)果的器件主要是：傳感器、運(yùn)算放大器、無(wú)線芯片、焊點(diǎn)、PCB鍍通孔幾部分，器件類型極其功能如表1[3]所示。

表1 案例使用器件類型和功能Tab.1 Type and function

3 系統(tǒng)可靠性高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)分析

以案例中的幾種器件類型的失效模式、失效機(jī)理及影響因素進(jìn)行分析匯總[4-6]（形式如表2[10-11]所示），若使各器件發(fā)生失效的影響因素包括：電應(yīng)力（高電流密度、高電壓作用）、熱應(yīng)力（熱循環(huán)、高溫條件）、潮濕環(huán)境、機(jī)械應(yīng)力（振動(dòng)、沖擊）等。

分析本研究產(chǎn)品的使用環(huán)境可知，該產(chǎn)品所處環(huán)境并不惡劣，一般正常使用放置條件下無(wú)振動(dòng)、沖擊等強(qiáng)烈機(jī)械應(yīng)力作用；同時(shí)也不存在于高溫條件（處于商用溫度范圍-40～85℃）；且使用電源為普通5 V商用穩(wěn)壓電源[3]，電路無(wú)明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)，故不易出現(xiàn)高電流密度和高電壓的現(xiàn)象，由此可以認(rèn)為由電應(yīng)力、高溫條件、機(jī)械應(yīng)力激發(fā)的失效機(jī)理不會(huì)是產(chǎn)品失效的主要原因。而由圖3可知，潮濕環(huán)境帶來(lái)的失效對(duì)器件影響較小，且產(chǎn)品工作于一般實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，潮濕也不會(huì)是失效的主要原因[7]。

表2 器件的失效模式、失效機(jī)理及影響因素示例表Tab.2 Failure mode，failure mechanism and influencing factor

圖3 環(huán)境應(yīng)力對(duì)器件失效的影響Fig.3 Failure ratio under different environmental stress

對(duì)于剩余的溫度循環(huán)應(yīng)力條件，對(duì)器件、鍍通孔、焊點(diǎn)均有影響。然而有研究表明，在溫度循環(huán)應(yīng)力條件下，焊點(diǎn)的失效率要高于器件的失效率（如圖4所示）[8-9]；同時(shí)，對(duì)于焊點(diǎn)和鍍通孔兩種連接件而言，鍍通孔的制造過(guò)程是專業(yè)化的機(jī)器流水線生產(chǎn)，加工一致性較好，而焊點(diǎn)則存在手動(dòng)加工的問(wèn)題，不同操作者的焊接水平參差不齊，會(huì)帶來(lái)較大分散性，故焊點(diǎn)相對(duì)鍍通孔而言更易于失效。

綜上所示，本案例的高風(fēng)險(xiǎn)易失效環(huán)節(jié)是焊點(diǎn)，即：整個(gè)產(chǎn)品的可靠性取決于焊點(diǎn)的可靠性。接下來(lái)將利用焊點(diǎn)的失效物理模型對(duì)案例產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行分析。

圖4 溫度循環(huán)應(yīng)力條件下焊點(diǎn)、器件失效率曲線Fig.4 Failure probabilities for electronic component and surface mount solder attachment

4 可靠性分析

4.1 高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)相關(guān)模型

IPC的焊點(diǎn)壽命評(píng)價(jià)模型包括了疲勞壽命模型、失效分布模型和損傷累計(jì)模型3類。其中疲勞壽命模型是整個(gè)壽命評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)。在標(biāo)準(zhǔn)IPC-SM-785[8]和IPC-D-279[9]中，采用了最廣泛使用的 Engelmaier-Wild焊點(diǎn)疲勞壽命模型，為了完整度量應(yīng)力松弛過(guò)程，冪指數(shù)定義為溫度和時(shí)間的函數(shù)，表述的疲勞損傷與平均壽命之間的關(guān)系如下：

其中：考慮到存在周期性粘塑性變形能，用周期疲勞損傷因子來(lái)描述，該參數(shù)取決于焊料在時(shí)間、溫度、應(yīng)力共同作用下，發(fā)生蠕變/應(yīng)力松弛時(shí)帶來(lái)的潛在損傷大小。疲勞延展系數(shù)在共晶合金和60/40的SnPb焊料中一般取0.325。

疲勞延展指數(shù)c是與溫度、時(shí)間相關(guān)的參數(shù)，對(duì)它的修正考慮了熱循環(huán)加載頻率與加載溫度的效應(yīng)，以及彈塑性應(yīng)變的影響。當(dāng)應(yīng)力釋放不完全時(shí)：

其中：TSJ是焊點(diǎn)所受循環(huán)溫度；tD是半周期循環(huán)持續(xù)時(shí)間（單位：分鐘）。與循環(huán)的形式和頻率相關(guān)，并最終代表了所能承受的應(yīng)力松弛和蠕變時(shí)間。。

對(duì)于無(wú)引腳SM元器件焊點(diǎn)在一定的應(yīng)力作用下，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度超過(guò)焊料屈服強(qiáng)度并導(dǎo)致焊料塑性屈服時(shí)，循環(huán)疲勞損傷參數(shù)為：

對(duì)于有引腳元器件焊點(diǎn)，在熱疲勞應(yīng)變時(shí)所受應(yīng)力會(huì)低于屈服應(yīng)力水平，循環(huán)疲勞損傷參數(shù)為：

4.2 產(chǎn)品使用環(huán)境下的焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)

案例中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命為10年，考慮室外使用環(huán)境，器件-外部溫度循環(huán)范圍：ΔT=40 ℃，一天為一個(gè)循環(huán)[3，13]。

1）元器件（選擇產(chǎn)品中最小的焊點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算）

①無(wú)引腳器件：36個(gè)I/O引腳QFP芯片，間距1.27 mm，耗散功率0.06 W。高、低溫環(huán)境中，元器件的穩(wěn)態(tài)工作溫度分別是60℃和10℃。

②有引腳器件：間距2.54 mm插接件，耗散功率0.23 W。高、低溫環(huán)境中，元器件的穩(wěn)態(tài)工作溫度分別是70℃和10℃。

2）基板：普通FR4環(huán)氧樹(shù)脂印刷電路板

①當(dāng)焊接無(wú)引腳器件時(shí)，高、低溫環(huán)境中基板的穩(wěn)態(tài)工作溫度分別是55℃和10℃。

②當(dāng)焊接有引腳器件時(shí)，高、低溫環(huán)境中基板的穩(wěn)態(tài)工作溫度分別是65℃和10℃；

根據(jù)壽命Nf計(jì)算公式對(duì)器件進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià) （無(wú)引腳、有引腳前后用//分開(kāi)）。

由此可見(jiàn)，當(dāng)使用有引腳器件時(shí)，其壽命是無(wú)引腳壽命的近兩倍，也就是說(shuō)，當(dāng)焊點(diǎn)是產(chǎn)品高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)時(shí)，在設(shè)計(jì)空間的允許范圍內(nèi)，建議采用有引腳器件保證焊點(diǎn)可靠性，從而保證整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品涉及的使用條件、失效特征、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)需求、所處環(huán)節(jié)、帶來(lái)的影響后果等因素之間具有密切的聯(lián)系，這些關(guān)系可以構(gòu)成多種可靠性分析路徑。為了充分繼承積累的失效模式和失效機(jī)理的經(jīng)驗(yàn)，也更多的在分析過(guò)程中考慮實(shí)際使用環(huán)境和應(yīng)力載荷的影響，確?？煽啃苑治龅臏?zhǔn)確性，“元器件-失效模式-失效機(jī)理-影響因素”這一分析路徑則比僅考慮失效模式的影響要更為準(zhǔn)確。

由文中利用一個(gè)電子產(chǎn)品案例，開(kāi)展的初步的完整分析過(guò)程，可以看出，對(duì)常見(jiàn)潛在失效模式、失效機(jī)理及可能的誘發(fā)環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)研匯總，并參照研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)定義的工作環(huán)境，逐個(gè)排查，確定產(chǎn)品失效的主要原因和高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，利用失效物理模型，計(jì)算了在使用環(huán)境下的可靠性相關(guān)因素，可以有力的推動(dòng)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。

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