單板計(jì)算機(jī)的故障模式與機(jī)理及影響分析

夏欣， 謝麗梅， 時鐘，3

（1.空軍駐無錫地區(qū)軍事代表室，江蘇 無錫 214161；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；3.南京賽寶工業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210000）

0 引言

故障模式、機(jī)理與影響分析 （FMMEA：Failure Modes，Mechanisms and Effects Analysis） 是一種研究產(chǎn)品的每個組成部分可能存在的故障模式、故障機(jī)理并確定各個故障模式對產(chǎn)品其他組成部分和產(chǎn)品功能的影響的分析方法，是一種半定量的可靠性分析工具。FMMEA的目的是為了確定產(chǎn)品的各種潛在故障模式的故障機(jī)理，并利用故障物理模型進(jìn)行定量分析，對故障風(fēng)險程度進(jìn)行排序，確定產(chǎn)品的主故障機(jī)理及其對應(yīng)的工作應(yīng)力與環(huán)境條件。其主要用途包括：1）通過FMMEA可以得到產(chǎn)品的主故障機(jī)理，然后通過在設(shè)計(jì)過程中控制風(fēng)險性高的故障機(jī)理對應(yīng)的工作應(yīng)力、環(huán)境條件來抑制該故障機(jī)理發(fā)生的可能性；2）通過FMMEA可以獲得加速的應(yīng)力種類，選取合適的加速方程等，從而為產(chǎn)品的加速試驗(yàn)提供依據(jù)。此外，利用FMMEA能夠確定產(chǎn)品的主故障機(jī)理及引發(fā)該機(jī)理的應(yīng)力條件，從而為加速壽命 （退化）試驗(yàn)和產(chǎn)品的故障診斷與健康管理 （PHM）提供依據(jù)。Ganesan等[1]給出了FMMEA的步驟、實(shí)施的方法及其在PHM中的應(yīng)用，并對比了FMMEA與FMEA/FMECA的區(qū)別[2]。目前CALCE將FMMEA用于確定電子產(chǎn)品的主故障機(jī)理，進(jìn)而對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控[3-7]。

單板計(jì)算機(jī)是將CPU、存儲器、可編程邏輯器件和總線等集成在一塊電路板上，實(shí)現(xiàn)指令的收發(fā)、數(shù)據(jù)的傳輸和處理、指揮控制等功能的電路板，通常作為產(chǎn)品的控制核心。隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度的不斷提高，單板計(jì)算機(jī)的故障診斷與維修保障等問題越來越受到重視。進(jìn)行單板計(jì)算機(jī)的FMMEA分析的目的是為了確定其主故障機(jī)理及其對應(yīng)的應(yīng)力條件，選擇故障物理模型，為基于故障物理模型的故障診斷與健康管理 （PHM）提供基礎(chǔ)。

1 單板計(jì)算機(jī)的組成和功能

某型單板計(jì)算機(jī)主要用于地面自動控制系統(tǒng)中。該單板機(jī)主要包括微處理器、內(nèi)存與緩存、傳感器芯片和計(jì)數(shù)器，以及各種接口，其功能相當(dāng)于一臺微型的電腦。單板機(jī)上的器件類型包括：集成電路 （IC）、貼片式電容、鉭電容、金屬膜電阻、電感、連接器、晶振、開關(guān)和印制電路板 （包括焊點(diǎn)、焊盤、PTH（鍍通孔）、過孔和金屬互聯(lián)線）。PCB材料為FR-4，金屬化連線和PTH材料為銅，焊料為63Sn37Pb；另外，各個器件的主要封裝類型有BGA、SOP、QFP、DIP和TSSOP等，封裝材料主要為塑料或陶瓷。PCB通過四邊上的安裝孔固定，安裝部位不考慮故障問題。

2 FMMEA在單板機(jī)上的實(shí)施過程

與傳統(tǒng)的FMEA相比，F(xiàn)MMEA[8-9]增加了對故障機(jī)理的剖析，以及確定了故障物理模型與參數(shù)。FMMEA在單板機(jī)上的實(shí)施步驟如圖1所示。

對單板機(jī)進(jìn)行FMMEA分析時，首先，需要將單板機(jī)上所有的元器件、零部件和互聯(lián)等均視為潛在的故障點(diǎn)；然后，研究單板機(jī)上元器件及組成部件可能存在的故障模式、故障機(jī)理，并確定每個故障模式的故障物理模型及參數(shù)。

圖1 FMMEA的實(shí)施步驟

2.1 系統(tǒng)定義

系統(tǒng)定義就是對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析。只有明確系統(tǒng)所具有的功能，才能準(zhǔn)確、快速地確定系統(tǒng)潛在的故障點(diǎn)。單板機(jī)中的元器件包括電阻、電感、電容、連接器、晶振和IC等。另外，還有PTH（鍍通孔）、過孔和各種元器件的焊接點(diǎn) （包括BGA焊球、表貼焊點(diǎn)和插裝器件焊點(diǎn)等）。所有單元的功能是保持電連接并實(shí)現(xiàn)器件的功能。PCB的功能是進(jìn)行電信號的傳遞、固定元器件，以及為整個系統(tǒng)提供機(jī)械支撐。

2.2 確定潛在的失效模式

故障可以是功能的或者是物理的，或者兩者均可。故障模式定義為零部件、子系統(tǒng)或整個系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)某種功能的某種表現(xiàn)方式。例如：焊點(diǎn)的潛在故障模式為開路和電信號不連續(xù)，這些故障模式阻礙了其互連的功能。在單板機(jī)中，系統(tǒng)故障定義為燒毀或無電流輸出。系統(tǒng)可能在以下器件或部位發(fā)生故障：電阻、電感、電容、連接器、晶振和IC等。另外還有PTH、過孔和各種元器件的焊接點(diǎn)等，這些也是潛在的故障點(diǎn)。表1中列出了單板機(jī)上元器件和部件的潛在故障模式，例如：焊點(diǎn)的潛在故障模式為信號漂移、無輸出或斷路等。

2.3 確定潛在的故障原因

在進(jìn)行單板機(jī)使用過程中的FMMEA分析時發(fā)現(xiàn)，單板機(jī)使用過程中發(fā)生故障的原因?yàn)橐l(fā)故障模式的工作應(yīng)力和環(huán)境條件。例如：焊點(diǎn)故障模式是由溫度循環(huán)、隨機(jī)振動和沖擊造成的。

2.4 確定潛在的故障機(jī)理

故障機(jī)理是引發(fā)故障的物理、電學(xué)、化學(xué)、力學(xué)或其他過程。故障機(jī)理從微觀上闡明了故障的本質(zhì)、規(guī)律和原因，可以追朔到原子、分子尺度和結(jié)構(gòu)上的變化等方面，需要在綜合考慮潛在故障模式和故障原因的基礎(chǔ)上，依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)、相似產(chǎn)品法等來加以確定。例如：焊點(diǎn)發(fā)生故障的潛在故障機(jī)理為熱疲勞、振動疲勞和沖擊破壞。

2.5 確定故障機(jī)理模型

故障物理模型是描述故障發(fā)生的時間與產(chǎn)品的幾何尺寸、材料、環(huán)境和工作條件等之間的關(guān)系的物理模型。對于某一產(chǎn)品，通過應(yīng)力和損傷分析來計(jì)算故障前時間 （TTF）。例如：焊點(diǎn)的熱疲勞對應(yīng)的故障機(jī)理模型為Coffin-Mason模型。對于發(fā)生可能性較大的故障，從故障物理模型庫，即表1中選用對應(yīng)的故障物理模型；根據(jù)模型的數(shù)學(xué)函數(shù)公式確定相應(yīng)的材料參數(shù)、環(huán)境條件等一系列輸入?yún)?shù)，為單板機(jī)的應(yīng)力損傷分析做準(zhǔn)備。

表1 某型單板計(jì)算機(jī)的FMMEA

2.6 確定單板機(jī)壽命周期工作條件

產(chǎn)品在壽命周期中的環(huán)境條件包括溫度、濕度、壓力、振動和沖擊、化學(xué)環(huán)境、輻射和污染等。工作應(yīng)力包括機(jī)械載荷、電流、電壓和功率。工作狀態(tài)包括工作、貯存和運(yùn)輸?shù)?。這些數(shù)據(jù)應(yīng)該從實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中獲得。在沒有現(xiàn)場數(shù)據(jù)的情況下，可通過環(huán)境手冊或相似環(huán)境中的監(jiān)測數(shù)據(jù)來獲得。

在對單板機(jī)的故障進(jìn)行影響分析中，由于整個電路板由3.3 V和5 V的電源供電，因此應(yīng)力中沒有大電流、高電壓、磁場或輻射。溫度、振動和濕度等環(huán)境條件的確定參考了自動化工程協(xié)會的環(huán)境手冊。地面最高溫度為50℃，無隨機(jī)振動和沖擊等條件，周圍環(huán)境的相對濕度適中，在60%～70%左右。在電路板的使用環(huán)境中，每天的最高和最低氣溫分別為27℃和16℃。

2.7 故障機(jī)理影響分析

影響分析的目的是為了找出單板機(jī)每個可能發(fā)生的故障模式所產(chǎn)生的影響，對其發(fā)生的概率、嚴(yán)酷程度和風(fēng)險程度進(jìn)行分析，以找出風(fēng)險性高的故障機(jī)理，從而確定單板機(jī)的主故障機(jī)理。

在確定了單板機(jī)所有的潛在故障模式、原因、機(jī)理和模型后，在已知壽命周期環(huán)境條件和工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，初步確定所有故障的風(fēng)險性，以排除不可能發(fā)生的機(jī)理。在此系統(tǒng)的工作狀態(tài)下，由于電壓較低、PCB板較厚等原因，可以基本排除過電應(yīng)力故障和靜電放電故障發(fā)生的可能性。由于周圍不存在很高的電壓、大電流，電磁干擾發(fā)生的可能性也很小。另外，工作環(huán)境中沒有隨機(jī)振動和沖擊、潮濕等條件。通過分析，可以將由以上原因引起的故障機(jī)理的風(fēng)險性確定為 “低”等級。

進(jìn)行故障影響分析時，首先，對于電路板的玻璃化這種過應(yīng)力型的故障機(jī)理，由于玻璃化溫度為150℃，而外界的環(huán)境溫度不會超過50℃，該故障發(fā)生的可能性很小，發(fā)生概率確定為 “非常不可能發(fā)生”等級，嚴(yán)酷度為 “中等”，因此風(fēng)險性等級為 “低”。

其次，對于電容、電感和開關(guān)等元件的相應(yīng)故障機(jī)理，目前尚無可以用來描述這些故障機(jī)理的物理模型，其概率等級根據(jù)Telcorida標(biāo)準(zhǔn)手冊中的故障率數(shù)據(jù)來確定。由于這些元件的失效率均在10-7左右，平均TTF均大于30年，概率等級被確定為 “非常不可能”，嚴(yán)酷度為 “中等”，因此風(fēng)險性等級為 “低”。

2.8 FMMEA 分析的結(jié)果

完成以上步驟后，只有溫度循環(huán)引起的焊點(diǎn)故障和PHT熱疲勞故障有待進(jìn)一步分析。由于各種器件均存在焊點(diǎn)，需要計(jì)算各個焊點(diǎn)的TTF和鍍通孔的TTF。利用故障物理模型進(jìn)行計(jì)算。

焊點(diǎn)和鍍通孔熱疲勞的故障物理模型為Coffin-Mason模型和CALCE模型。其中焊點(diǎn)的熱疲勞模型為：

式 （2）中：Nf——疲勞壽命；

Δγ——應(yīng)變范圍，需要通過應(yīng)力分析得到；

εf——材料常數(shù)， 對于63Sn37Pb， εf=0.325，是與溫度循環(huán)剖面相關(guān)的參數(shù)；

其中，Ts為焊點(diǎn)溫度循環(huán)中的平均溫度，tD為最高溫度的保溫時間，這些需要根據(jù)具體的環(huán)境溫度剖面來確定。

鍍通孔熱疲勞模型為：

式 （3）中：E——鍍層材料的彈性模量；

Δε——應(yīng)變范圍；

σ0——平均應(yīng)力，這兩個參數(shù)需要通過應(yīng)力分析得到；

σf——疲勞強(qiáng)度系數(shù)；

εf——疲勞延展性系數(shù)；

b——疲勞強(qiáng)度指數(shù)；

c——疲勞延展性指數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算，器件U12，即小外形封裝 （SOP）的隨機(jī)存儲器芯片的焊點(diǎn)部位的TTF最小，為6.77年，其故障發(fā)生的概率確定為 “非?？赡馨l(fā)生”，其余各焊點(diǎn)部位和鍍通孔的故障發(fā)生概率也按照TTF排列了順序，確定了嚴(yán)酷度等級，確定了風(fēng)險性。表2是部分器件的TTF分析的結(jié)果，其中第一列的器件代號代表了微處理器、內(nèi)存與緩存、傳感器芯片、計(jì)數(shù)器等IC芯片。故障敏感性計(jì)算的是這些IC芯片的焊點(diǎn)，以及電路板上尺寸最小的PTH的TTF。

表2 某型電路板的故障影響分析表

由以上的分析可以得到如下結(jié)果：器件U12的焊點(diǎn)為整個電路板的薄弱環(huán)節(jié)，其焊點(diǎn)熱疲勞故障為主故障機(jī)理。

3 結(jié)束語

本文通過某型單板計(jì)算機(jī)的FMMEA分析，說明了在工程中應(yīng)用FMMEA的具體過程。FMMEA利用故障物理模型對故障發(fā)生的敏感性進(jìn)行定量分析，使得故障影響分析更加準(zhǔn)確，并且能夠得到某一故障發(fā)生的TTF，為確定產(chǎn)品壽命，實(shí)施改進(jìn)措施提高壽命提供了定量的依據(jù)。同時FMMEA分析可以確定產(chǎn)品的主故障機(jī)理及其對應(yīng)的應(yīng)力條件，選擇故障物理模型，為基于故障物理模型的PHM提供基礎(chǔ)。FMMEA分析可用于機(jī)械、電子產(chǎn)品全壽命周期的薄弱環(huán)節(jié)的分析，提高產(chǎn)品各階段的可靠性。FMMEA中的故障物理模型必須成熟、可用，且模型中的參數(shù)要采用產(chǎn)品的真實(shí)數(shù)據(jù)，否則就會影響計(jì)算的精度和分析的結(jié)果。因此，F(xiàn)MMEA分析在使用過程中存在的主要問題就是故障物理模型的精度、適用性，以及參數(shù)的準(zhǔn)確性。目前，很多故障機(jī)理還沒有成熟、可用的物理模型，可以利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如手冊中的數(shù)據(jù)來進(jìn)行補(bǔ)充。隨著各種模型的不斷開發(fā)和完善，F(xiàn)MMEA方法在工程上將會有廣泛的應(yīng)用前景。

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