基于可靠性仿真分析的一體化設(shè)計(jì)研究

王 宏，蔡文琦

（1. 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039； 2. 駐電子十四所軍代表室，南京 210013）

基于可靠性仿真分析的一體化設(shè)計(jì)研究

王 宏1，蔡文琦2

（1. 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039； 2. 駐電子十四所軍代表室，南京 210013）

可靠性仿真分析通過施加溫度、振動(dòng)等載荷應(yīng)力在產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)上，并分解到基本組件上，通過開展應(yīng)力分析和應(yīng)力損傷分析，得到產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，并據(jù)此進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品可靠性水平，并可預(yù)計(jì)出平均首發(fā)故障時(shí)間。討論了如何利用可靠性仿真分析方法進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)”與“可靠性”兩張皮的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了可靠性與性能的一體化設(shè)計(jì)。

可靠性仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)；故障物理

引言

可靠性工程技術(shù)的發(fā)展并存著兩條主線，即基于概率統(tǒng)計(jì)的方法和基于故障物理的方法。由于基于概率統(tǒng)計(jì)的方法在工程實(shí)踐中見效快而被廣泛應(yīng)用，但其主要是對(duì)試驗(yàn)和故障信息的事后統(tǒng)計(jì)，與產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)未能緊密結(jié)合，不能及時(shí)指出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷，使得產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)出現(xiàn)了“兩張皮”現(xiàn)象?；诠收衔锢淼目煽啃约夹g(shù)與建模仿真技術(shù)相結(jié)合，形成了故障機(jī)理分析方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通過建立產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)，并施加溫度、振動(dòng)等載荷應(yīng)力在其上，利用故障物理模型，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝潛在故障，并采取有效的改進(jìn)措施，使得電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)能與性能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一體化協(xié)同設(shè)計(jì)。

1 可靠性仿真分析概念及原理

可靠性仿真分析是基于故障物理和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過建立產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)，并對(duì)數(shù)字樣機(jī)施加產(chǎn)品應(yīng)經(jīng)歷的溫度和振動(dòng)等載荷歷程，開展應(yīng)力損傷分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝缺陷，并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品固有可靠性得到提高。利用故障物理模型和可靠性仿真分析軟件也可預(yù)計(jì)平均首發(fā)故障時(shí)間，以對(duì)產(chǎn)品的可靠性水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 故障物理

故障物理又稱可靠性物理，故障物理學(xué)是確定和了解產(chǎn)品退化與引起最終失效的物理過程的科學(xué)。故障物理模型是針對(duì)某一特定的故障機(jī)理，在基本物理、化學(xué)、電子學(xué)公式和/或試驗(yàn)回歸公式的基礎(chǔ)上，建立起來的定量地反映故障發(fā)生與材料、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等關(guān)系的數(shù)學(xué)函數(shù)模型，包括電遷移、熱載流子、腐蝕、焊點(diǎn)熱疲勞等在內(nèi)的多種故障物理模型[1]，是對(duì)故障微觀層面的認(rèn)識(shí)。1985年美國(guó)陸軍裝備系統(tǒng)分析中心與馬里蘭大學(xué)合作，對(duì)基于故障物理的可靠性技術(shù)進(jìn)行研究[2]，之后該技術(shù)和軟件工具在多種通用無線電臺(tái)、布萊得利戰(zhàn)車、長(zhǎng)弓阿帕奇等的電子設(shè)備和機(jī)械系統(tǒng)獲得了成功的應(yīng)用[3]。

1.2 可靠性仿真分析優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)基于統(tǒng)計(jì)概念，其觀點(diǎn)為電子產(chǎn)品的故障是隨機(jī)發(fā)生的，通過故障數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其統(tǒng)計(jì)規(guī)律。電子設(shè)備通常采用恒定故障率指數(shù)分布來描述其規(guī)律，通過“事后驗(yàn)證”的方式來評(píng)價(jià)。

可靠性仿真試驗(yàn)技術(shù)基于故障物理，其觀點(diǎn)為電子產(chǎn)品的失效必定是由微觀的物理或化學(xué)的某種效應(yīng)所致。利用這種必然的故障機(jī)理，通過對(duì)電子產(chǎn)品的工作環(huán)境、物理和結(jié)構(gòu)特性的分析以確定電子產(chǎn)品深層次的失效機(jī)理，并通過采取“事前預(yù)防”措施加以避免。

基于故障物理學(xué)的可靠性仿真試驗(yàn)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠通過非實(shí)物、半實(shí)物驗(yàn)證的方式得到電子產(chǎn)品的可靠性評(píng)估結(jié)果，從而可以在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)早期得到產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)信息，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電子產(chǎn)品的可靠性得到提高。

2 基于可靠性仿真的一體化并行設(shè)計(jì)（圖1）

可靠性仿真包括采集設(shè)計(jì)信息、建立產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)模型、熱和力學(xué)及電的應(yīng)力分析、預(yù)計(jì)故障和可靠性的仿真評(píng)估等部分。

1）采集可靠性仿真需要的設(shè)計(jì)和使用環(huán)境數(shù)據(jù)，包含材料、元器件、結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)、環(huán)境要求、使用信息等；

2） 依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用數(shù)字化仿真軟件進(jìn)行建模，包括CAD、CFD和FEA數(shù)字樣機(jī)；

3）將產(chǎn)品的使用環(huán)境信息經(jīng)過處理作為試驗(yàn)條件施加于仿真模型中并利用有限元軟件進(jìn)行仿真分析，包含溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的分析；

圖1 基于可靠性仿真分析的一體化設(shè)計(jì)流程

4）對(duì)應(yīng)力分析得到的結(jié)果，利用失效模型開展應(yīng)力損傷分析，以獲取失效位置、模式、機(jī)理及發(fā)生時(shí)間等潛在的失效信息；

5）根據(jù)仿真分析得到的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性仿真評(píng)估。

2.1 信息采集

信息采集是可靠性仿真分析的核心和基礎(chǔ)，采集信息的內(nèi)容需要根據(jù)規(guī)劃的后續(xù)可靠性仿真內(nèi)容確定，應(yīng)包含由使用單位提供的實(shí)際使用環(huán)境和使用方式，由承研單位提供的設(shè)計(jì)和研制中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及材料和元器件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)信息是建立CAD、CFD、FEA數(shù)字樣機(jī)模型都必須用到的。產(chǎn)品各部分材料的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)、環(huán)境條件、使用方式等是CFD、FEA數(shù)字樣機(jī)建模所必須的。電路設(shè)計(jì)、元器件安裝特征參數(shù)是建立故障預(yù)計(jì)模型所必須的。因此，在開展可靠性仿真之前，必須按照各模型輸入要求收集相應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，以便提高仿真的準(zhǔn)確性。

2.2 數(shù)字樣機(jī)建模

建立產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)模型，包括CAD、CFD、FEA數(shù)字樣機(jī)模型，分別描述了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)幾何特性、熱特性和振動(dòng)特性。CAD數(shù)字樣機(jī)模型是CFD數(shù)字樣機(jī)模型和FEA數(shù)字樣機(jī)模型的基礎(chǔ)，需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確建立其模型。CFD數(shù)字樣機(jī)模型是進(jìn)行熱仿真的基礎(chǔ)，需要根據(jù)熱仿真模型簡(jiǎn)化原則并結(jié)合產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)特點(diǎn)建立模型。同樣，F(xiàn)EA數(shù)字樣機(jī)模型是進(jìn)行振動(dòng)仿真的基礎(chǔ)，需要根據(jù)振動(dòng)仿真模型簡(jiǎn)化原則并結(jié)合產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)和振動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)建立模型。

2.3 應(yīng)力分析及模型修正

熱應(yīng)力分析是在建立好的CFD模型基礎(chǔ)上，通過對(duì)電子產(chǎn)品機(jī)箱的結(jié)構(gòu)特性、材料屬性及冷卻方式等進(jìn)行設(shè)置，施加溫度環(huán)境條件進(jìn)行分析，得到組件模塊及產(chǎn)品的溫度云圖。根據(jù)熱分析可找出熱設(shè)計(jì)中的問題，隨后通過熱設(shè)計(jì)優(yōu)化，可提高產(chǎn)品的可靠性。

振動(dòng)應(yīng)力分析建立在CAD上的，根據(jù)材料、外形尺寸、體積、重量等產(chǎn)品基礎(chǔ)信息，通過有限元分析開展模態(tài)分析，以得到產(chǎn)品各組成的振動(dòng)響應(yīng)，獲得板級(jí)、整機(jī)的振動(dòng)相應(yīng)特性，包括各階頻率、加速度及位移響應(yīng)云圖等，通過振動(dòng)應(yīng)力分析，可以獲取振動(dòng)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)、是否有共振頻率等，從而采取改進(jìn)措施，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

為保證CFD、FEA模型的準(zhǔn)確性，需要通過物理樣機(jī)熱試驗(yàn)測(cè)試和模態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)CFD、FEA模型進(jìn)行修正，保證設(shè)置的仿真邊界條件較為準(zhǔn)確，并驗(yàn)證CFD、FEA模型與物理樣機(jī)的一致[4]。

2.4 故障預(yù)計(jì)分析

采用故障預(yù)計(jì)軟件建立的、描述設(shè)備故障物理特征的數(shù)字模型，如采用故障預(yù)計(jì)軟件CalcePWA建立模型和進(jìn)行分析，獲得產(chǎn)品的可靠性薄弱表、可能的故障信息、改進(jìn)設(shè)計(jì)建議等。目前主要的故障預(yù)計(jì)方法是應(yīng)力損傷分析和損傷累積分析。應(yīng)力損傷分析針對(duì)每種可能的故障機(jī)理，分析得到潛在故障點(diǎn)在某一應(yīng)力水平下的故障時(shí)間。損傷累積分析對(duì)潛在故障點(diǎn)在載荷歷程中不同應(yīng)力水平下的損傷進(jìn)行累積，以獲得各點(diǎn)的故障時(shí)間。

2.5 可靠性評(píng)估

根據(jù)故障預(yù)計(jì)分析結(jié)果，可以得到各潛在故障點(diǎn)在某一故障機(jī)理下的大樣本量故障時(shí)間數(shù)據(jù)。采用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法對(duì)這些故障數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以獲得各機(jī)理?xiàng)l件下（溫度循環(huán)、振動(dòng)量值等）的單點(diǎn)壽命分布。電子產(chǎn)品常用的分布有威布爾分布、指數(shù)分布、正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布等。

對(duì)每個(gè)器件所有故障機(jī)理的壽命分布進(jìn)行擬合，得到該器件綜合剖面下的壽命分布函數(shù)，進(jìn)而對(duì)所有器件的壽命概率密度函數(shù)進(jìn)行融合，得到模塊級(jí)/設(shè)備級(jí)/系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的壽命概率密度函數(shù)，從而評(píng)估產(chǎn)品的可靠性水平。

3 某電子設(shè)備可靠性一體化設(shè)計(jì)案例

本文以某電子設(shè)備為例，詳細(xì)說明如何利用可靠性仿真分析結(jié)果優(yōu)化產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的過程。

3.1 信息搜集

1）產(chǎn)品信息

該電子設(shè)備主由6個(gè)模塊、全部元器件信息在內(nèi)的型號(hào)、封裝、重量，尺寸等相關(guān)信息近10 000條。

2）環(huán)境條件

施加產(chǎn)品實(shí)際的環(huán)境應(yīng)力剖面。

3.2 數(shù)字樣機(jī)建模

首先根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，按照一定的簡(jiǎn)化原則建立產(chǎn)品的CAD數(shù)字樣機(jī)模型，該CAD數(shù)字樣機(jī)反映了產(chǎn)品的基本組成和連接關(guān)系，是后續(xù)熱應(yīng)力仿真和振動(dòng)應(yīng)力仿真分析的輸入。

在CAD模型基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，如重量、材料屬性、功耗、冷卻方式等，利用熱分析專用軟件Flotherm建立產(chǎn)品的產(chǎn)品的CFD模型，同時(shí)采用ANASYS軟件建立產(chǎn)品的FEA模型，如圖2所示。

最后，根據(jù)收集到的板級(jí)、元器件等信息建立故障預(yù)計(jì)模型，圖3所示的是其中一塊PCB板的故障預(yù)計(jì)模型。

3.3 應(yīng)力分析

3.3.1 熱應(yīng)力分析

圖2 產(chǎn)品的CFD和FEA模型

圖3 組件3的故障預(yù)計(jì)模型

針對(duì)產(chǎn)品的CFD模型，開展熱應(yīng)力分析，得到產(chǎn)品及各模塊在環(huán)境條件下的熱分布云圖及關(guān)鍵器件的溫度。如圖4所示是70 ℃環(huán)境條件下產(chǎn)品的熱分布云圖。表1是各模塊在70 ℃下的熱應(yīng)力仿真結(jié)果。

從熱仿真分析結(jié)果中可以了解產(chǎn)品的主要發(fā)熱區(qū)域和高溫器件，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施：

1）通過模塊溫度云圖，可以找出熱集中地方，并將熱敏感器件遠(yuǎn)離該區(qū)域；而對(duì)發(fā)熱量大的器件采用加強(qiáng)散熱等手段；

2）若器件結(jié)溫過高或余量較小，則會(huì)使器件在短時(shí)間內(nèi)失效，可采取風(fēng)冷或液冷等散熱措施。

例如，從產(chǎn)品溫度云圖中可看到機(jī)箱表面平均溫度91℃，比周圍環(huán)境溫度高21 ℃，最高達(dá)30 ℃，而組件2在周圍環(huán)境溫度70 ℃時(shí)，其高達(dá)110 ℃，特別是D1表面溫度l18.4 ℃，超出了使用范圍。其是信號(hào)處理芯片，長(zhǎng)時(shí)間工作，會(huì)產(chǎn)生熱量積累。因此，必需采取特別散熱措施，如在處理器件上添加散熱器以降低殼溫，并對(duì)其他高溫器件進(jìn)行優(yōu)化局部。

3.3.2 振動(dòng)應(yīng)力分析

針對(duì)產(chǎn)品的FEA模型開展振動(dòng)應(yīng)力分析，得到產(chǎn)品在振動(dòng)應(yīng)力下整機(jī)及各個(gè)模塊的各階頻率、加速度及位移響應(yīng)。如圖 5所示為產(chǎn)品的加速度響應(yīng)云圖。

通過進(jìn)行模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，如表2所示，發(fā)現(xiàn)組件2的加速度均方根值最大為28.7 g，位移最大值為0.22 843 mm，容易產(chǎn)生振動(dòng)疲勞損傷。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該模塊尺寸相對(duì)較大，且有大質(zhì)量的電源模塊及器件，但支撐點(diǎn)較少，使得其剛度變小，致使該單元中外形較大的電路板的振動(dòng)響應(yīng)大。必需添加支撐點(diǎn)或加強(qiáng)筋，以提高電路板的剛度；或者應(yīng)用阻尼材料，以減低振動(dòng)響應(yīng)的幅值。

3.4 故障預(yù)計(jì)分析

圖4 溫度分布

表1 各組件的溫度結(jié)果

圖5 加速度響應(yīng)

將綜合應(yīng)力剖面下得到的產(chǎn)品及各組件的熱和振動(dòng)仿真云圖輸入到故障預(yù)計(jì)軟件，通過故障預(yù)計(jì)模型進(jìn)行仿真，模擬在綜合應(yīng)力剖面下一定時(shí)間工作，通過蒙特卡羅仿真得出的故障矩陣，并找出各個(gè)組件中故障的發(fā)生模式、故障機(jī)理及時(shí)間。分析結(jié)果如下：上述6個(gè)模塊只有模塊3在預(yù)期壽命內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障器件，組件3的故障預(yù)計(jì)信息矩陣見表 3。

表2 各模塊的振動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果

表3 組件3的故障矩陣

表4 可靠性仿真評(píng)估

組件3的故障預(yù)計(jì)仿真進(jìn)一步定量地反映了熱仿真和振動(dòng)仿真的薄弱點(diǎn)，D1器件最終會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)由于熱疲勞而發(fā)生焊點(diǎn)開裂。模塊中的部分器件會(huì)由于振動(dòng)疲勞而發(fā)生故障。

3.5 可靠性評(píng)估

對(duì)單點(diǎn)故障通過分布擬合，將故障矩陣中的各種失效機(jī)理的故障時(shí)間加以處理，以得到各失效機(jī)理的故障分布，然后采用多點(diǎn)故障分布融合的算法，得到元器件、組件、產(chǎn)品的故障分布和其可靠性水平，評(píng)估結(jié)果如表 4所示。

4 結(jié)論

在產(chǎn)品研制初期進(jìn)行可靠性仿真分析能及早找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)，并對(duì)產(chǎn)品可靠性水平進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，其與傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)相比具有高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。本文通過建立數(shù)字樣機(jī)對(duì)電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行了評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與性能的同步一體化設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)須借助實(shí)物驗(yàn)證的不足，真正實(shí)現(xiàn)了可靠性設(shè)計(jì)與產(chǎn)品性能的并行設(shè)計(jì)，對(duì)于克服當(dāng)前存在的“產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)”與“可靠性設(shè)計(jì)”的兩張皮現(xiàn)象具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

[1] MARK WHITE, JOSEPH B B．Microelectronics Reliability：Physics—of-Failure Based Modeling and Lifetime Evaluation[M]．National Aeronautics and Space Administration, JPL Publication．2008．

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王宏，男，1965年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橘|(zhì)量與可靠性工程、控制工程。

蔡文琦，男，1980年生，碩士，工程師。研究方向?yàn)橘|(zhì)量控制。

Research on Integrated Design Based on Reliability Simulation Analysis

WANG Hong1, CAI Wen-qi2
(1.Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039; 2. Military Representative Office in the 14th Research Institute, Nanjing 210013)

Through the implementation of temperature and vibration stressing on the virtual sample provided by simulation software, by performing stressing damage analysis and cumulative damage analysis, we can find out the product design defects and weaknesses, and propose the improvement measures so as to improve the inherent reliability of product, and we can also achieve the time to failure of the product by using physics of failure. In this paper, we discuss how to obtain the reliability optimization design by using the reliability simulation, so as to overcome the gap between“design” and “reliability”, and achieve the integrated design of reliability and performance.

reliability simulation; reliability optimization design; physics of failure

V438+.4

A

1004-7204（2016）06-0039-06