陳勝堅(jiān) 段桂環(huán) 李文禹

摘? 要：文章對(duì)故障物理及可靠性物理技術(shù)進(jìn)行了論述，根據(jù)故障物理分析方法重點(diǎn)介紹通過仿真方法和模型進(jìn)行電子產(chǎn)品可靠性分析。在模型適用性分析的基礎(chǔ)上，以某PCB板產(chǎn)品為例，通過熱效應(yīng)仿真分析和振動(dòng)應(yīng)力仿真分析的方法初步發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)潛在問題，可為后續(xù)基于故障物理分析產(chǎn)品可靠性提供相應(yīng)支撐和依據(jù)，展望以故障物理為基礎(chǔ)的可靠性分析理論前景和未來應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：故障物理;可靠性;仿真分析

Abstract：In this paper，fault physics and reliability physics technology are discussed. According to the fault physics analysis method，simulation method and model are mainly introduced for reliability analysis of electronic products. On the basis of the applicability analysis of the model，taking a PCB product as an example，the potential technical problems of the product are initially found through the methods of thermal effect simulation analysis and vibration stress simulation analysis，which can provide the corresponding support and basis for the subsequent failure physical analysis of product reliability，and look forward to the theoretical prospect and future application of reliability analysis based on failure physics.

Keywords：failure physics;reliability;simulation analysis

0? 引? 言

隨著先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展以及對(duì)產(chǎn)品的可靠性的要求越來越高。以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的可靠性理論會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等資源來評(píng)估產(chǎn)品制造后的可靠性而忽略產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的可靠性。而在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初級(jí)階段，可常采用基于故障物理理論的方法?；诠收衔锢砝碚撜J(rèn)為產(chǎn)品的任何故障必然是由特定的工作應(yīng)力或環(huán)境應(yīng)力引起的某種機(jī)理造成的，即故障總是由基本的機(jī)械、熱、電和化學(xué)等應(yīng)力作用的過程所導(dǎo)致的[1]。故障物理所用分析法的焦點(diǎn)是失效模式的主要方式，在對(duì)失效機(jī)理的認(rèn)知基礎(chǔ)上，利用譬如仿真或數(shù)學(xué)建模的方法進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。通過了解其相關(guān)失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)在或產(chǎn)品技術(shù)中的問題并進(jìn)行提前預(yù)防和干涉[1，2]。

1? 電子產(chǎn)品應(yīng)力損傷模型

故障物理主要關(guān)注產(chǎn)品的失效和損傷模式，當(dāng)今可用于電子產(chǎn)品的仿真技術(shù)的應(yīng)力損傷模型有板級(jí)應(yīng)力損傷模型和器件級(jí)應(yīng)力損傷模型兩類[1]。

1.1? 板級(jí)應(yīng)力損傷模型

扳機(jī)應(yīng)力損傷模型又可細(xì)分為互連熱疲勞模型和互連振動(dòng)疲勞模型兩類。

1.1.1? 互連形式的熱疲勞損傷模型

在循環(huán)溫度作用下，熱疲勞是最常出現(xiàn)的失效模式，由于電子產(chǎn)品各材料熱膨脹系數(shù)不盡相同，當(dāng)出現(xiàn)不同的熱應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同程度的膨脹和收縮，間接導(dǎo)致相應(yīng)材料的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致材料的裂紋失效。典型的熱應(yīng)力疲勞數(shù)學(xué)模型如下：

1.1.2? 互連形式的振動(dòng)疲勞損傷模型

在現(xiàn)實(shí)使用過程中，典型電子設(shè)備會(huì)遭受外圍振動(dòng)激勵(lì)而振動(dòng)，電子設(shè)備中的電路會(huì)遭受不穩(wěn)定的振動(dòng)應(yīng)力，電路板上的各種元器件譬如焊點(diǎn)、鍍通孔會(huì)產(chǎn)生疲勞作用而導(dǎo)失效，振動(dòng)疲勞損傷數(shù)學(xué)模型如下：

1.2? 器件級(jí)應(yīng)力損傷模型

器件級(jí)應(yīng)力損傷模型又可細(xì)分為電子遷移損傷模型、與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿模型和熱載流子注入損傷模型三類。

1.2.1? 電子遷移導(dǎo)致的損傷模型

在各種強(qiáng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，金屬離子會(huì)在電應(yīng)力的作用下進(jìn)行移動(dòng)，并形成因電子遷移產(chǎn)生的空隙或裂紋，電子遷移是典型電子設(shè)備中最主要的失效形式，其數(shù)學(xué)模型為：

1.2.3? 熱載流子注入而導(dǎo)致的損傷失效模型

熱載流子是指能量大、被加速過的載流子，此類載流子往往處于不平衡狀態(tài)，當(dāng)能量達(dá)到或超過其界面極限時(shí)會(huì)集中注入氧化層中，使氧化層因能量不均衡引起器件電參數(shù)性能退化[3]，這就是載流子注入效應(yīng)，其應(yīng)力損傷模型為：

2? 基于故障物理的可靠性預(yù)計(jì)流程

故障物理理論認(rèn)為產(chǎn)品的失效主要由熱、振動(dòng)、電燈應(yīng)力疊加形成。僅從統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和角度去研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要采取主動(dòng)監(jiān)測(cè)的手段來預(yù)防和提升產(chǎn)品的可靠性。譬如從產(chǎn)品源頭的材料分析、結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度分析等來揭示失效機(jī)理。并通過仿真的方式來指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高產(chǎn)品的可靠性水平。

可靠性仿真主要包括：數(shù)字樣機(jī)建模、應(yīng)力分析和損傷分析三部分。

基本流程為設(shè)計(jì)輸入-失效機(jī)理確定-應(yīng)力分析-損傷分析-輸出[1]。

（1）設(shè)計(jì)輸入：包括產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、元器件及電路設(shè)計(jì)等信息;

（2）失效機(jī)理確定：確定產(chǎn)品待分析的失效原因、失效機(jī)理，即最可能導(dǎo)致產(chǎn)品故障的失效原因與機(jī)理;

（3）應(yīng)力分析：主要分析熱應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力和電應(yīng)力的要求;

（4）損傷分析：主要針對(duì)熱損失、振動(dòng)損傷、電損傷進(jìn)行分析，并針對(duì)分析進(jìn)行多應(yīng)力損傷計(jì)算和產(chǎn)品失效壽命預(yù)測(cè);

（5）可靠性輸出，針對(duì)分析結(jié)果輸出時(shí)效信息矩陣和設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。

3? 典型應(yīng)力分析和損傷分析

3.1? 典型應(yīng)力分析

典型常用的應(yīng)力分析有振動(dòng)應(yīng)力分析、基于溫度循環(huán)的熱效應(yīng)應(yīng)力分析和電子應(yīng)力分析。

3.1.1? 熱效應(yīng)應(yīng)力分析

熱應(yīng)力分析是根據(jù)產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境溫度、自身的發(fā)熱、冷卻空氣流速、流量等信息建立描述產(chǎn)品熱特性的流體力學(xué)（CFD）模型，分析熱響應(yīng)和熱應(yīng)力分布。通過仿真和分析，獲得所關(guān)心元器件、結(jié)構(gòu)、零部件的局部應(yīng)力[4，5]。

3.1.2? 振動(dòng)應(yīng)力分析

振動(dòng)應(yīng)力分析是根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝方式等信息，根據(jù)產(chǎn)品經(jīng)受到的振動(dòng)載荷的類型（正弦、隨機(jī)、沖擊）和施加方式等邊界條件，建立描述產(chǎn)品振動(dòng)特性的有限元分析（FEA）模型。并有針對(duì)性地開展模態(tài)分析、振動(dòng)響應(yīng)分析、沖擊響應(yīng)分析，計(jì)算電路板等模態(tài)、最大位移變化等參數(shù)來直接反映產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)

3.1.3? 電應(yīng)力分析

電應(yīng)力分析是根據(jù)電路原理圖，各工作狀態(tài)的輸入信號(hào)、電源及負(fù)載特征參數(shù)，元器件設(shè)計(jì)信息，建立描述電路功能特性（EDA）模型。根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，包括根據(jù)GJB/Z35降額設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定的仿真分析的電應(yīng)力類型（電壓、電流、結(jié)溫、功耗、扇出和頻率等）和降額因子，在EDA模型中添加輸入信號(hào)激勵(lì)、電源和負(fù)載，利用直流工作點(diǎn)仿真和瞬態(tài)仿真方法進(jìn)行電路工作狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)仿真，獲取指定工作狀態(tài)下各元器件在時(shí)域上的仿真參數(shù)，利用應(yīng)力分析法提取元器件參數(shù)時(shí)域仿真數(shù)據(jù)中的電應(yīng)力信息，包含：最大值、最小值、平均值、均方根值、峰峰值等，在此基礎(chǔ)上，可對(duì)器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過芯片功能結(jié)構(gòu)分析獲得相關(guān)電應(yīng)力參數(shù)[1]。

3.2? 損傷分析

電子器件的故障主要集中在溫度失效、振動(dòng)失效和電子失效上，故障物理研究針對(duì)上述失效模式進(jìn)行損傷分析，并提出改進(jìn)方法。損傷分析主要方法分為單應(yīng)力損傷分析和多應(yīng)力損傷分析[1，4，5]。

3.2.1? 單應(yīng)力損傷分析

對(duì)熱和振動(dòng)應(yīng)力分析，需在二者單獨(dú)分析或計(jì)算的基礎(chǔ)上，將各參數(shù)輸入相應(yīng)的應(yīng)力損傷模型。

對(duì)電應(yīng)力來說，需分析晶體管中的譬如柵極電壓、漏極電壓、柵極電場(chǎng)強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)并把它作為電遷移效應(yīng)等作為失效模型輸入。然后計(jì)算得出晶體管在上述失效影響下的失效時(shí)間。

3.2.2? 多應(yīng)力損傷分析

在多應(yīng)力損傷計(jì)算時(shí)，假設(shè)各種失效機(jī)理之間相互獨(dú)立，不發(fā)生相互影響，需分為兩種情況：對(duì)同一失效點(diǎn)發(fā)生的不同失效機(jī)理，需要用損傷累積方法來處理;對(duì)不同點(diǎn)的多個(gè)失效機(jī)理，需采用故障競(jìng)爭(zhēng)方法來處理[6]。

損傷累積方法：對(duì)損傷型失效機(jī)理來說，失效過程可以看作是損傷程度趨于臨界損傷值的累積過程。累積損傷分析的結(jié)果是產(chǎn)生在給定時(shí)間內(nèi)各潛在失效點(diǎn)的累積損傷量，當(dāng)累積損傷量達(dá)到1時(shí)，失效就會(huì)發(fā)生，因此可進(jìn)一步計(jì)算到該產(chǎn)品中各潛在失效點(diǎn)的失效時(shí)間。累計(jì)損傷分析中最有代表性的是Miner線性累積損傷法則：

4? PCB板故障物理可靠性應(yīng)用

PCB板屬于典型的電子設(shè)備，應(yīng)用場(chǎng)景眾多，前期獲取材料主要為玻璃纖維和相關(guān)芯片信息，其失效模式主要為熱疲勞失效和振動(dòng)失效，因此需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱效應(yīng)應(yīng)力分析和振動(dòng)應(yīng)力分析。

4.1? PCB板建模簡(jiǎn)化

PCB板材料主要為玻璃纖維，為簡(jiǎn)化分析難度和計(jì)算量，將其看成單一材料進(jìn)行仿真分析，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

4.2? 熱分析

PCB板熱分析，考慮在相關(guān)元器件增加溫度應(yīng)力、熱對(duì)流應(yīng)力、熱流應(yīng)力、熱輻射應(yīng)力及考慮產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)熱的情況下仿真溫度結(jié)果如圖2所示。

4.3? 振動(dòng)分析

PCB板振動(dòng)分析可進(jìn)行靜模態(tài)分析，將板周圍螺釘位置進(jìn)行固定后，靜模態(tài)分析仿真結(jié)果如圖3所示。

4.4? 仿真結(jié)果分析

（1）通過熱分析可知設(shè)備整體熱設(shè)計(jì)較為合理，平臺(tái)環(huán)境70 ℃時(shí)PCB板表面的平均溫度為80 ℃左右，因其中一款芯片發(fā)熱量較大，局部溫度達(dá)到107 ℃，需在其附近增加散熱風(fēng)扇;

（2）設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，一階模態(tài)達(dá)到591 Hz，滿足使用要求。

5? 結(jié)? 論

基于故障物理的可靠性分析技術(shù)主要研究產(chǎn)品的失效模式，本文通過典型電子產(chǎn)品熱應(yīng)力損傷分析和振動(dòng)分析可以初步分析典型電子產(chǎn)品的安全性設(shè)計(jì)提供參考，并為后續(xù)損傷分析和改進(jìn)方案提供技術(shù)輸入和參考。

基于故障物理的可靠性分析技術(shù)已在航空重點(diǎn)型號(hào)電子設(shè)備研制中獲得了嘗試和應(yīng)用，并取得了良好的效果，有力地支撐了重點(diǎn)型號(hào)高可靠性要求的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)今后的研究可從以下三個(gè)方面開展：

（1）可靠性仿真的核心是應(yīng)力損傷模型，隨著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝不斷改進(jìn)，應(yīng)力損傷模型的參數(shù)甚至形式都會(huì)發(fā)生變化，必須開展應(yīng)力損傷模型的分析、驗(yàn)證與研發(fā)，形成覆蓋產(chǎn)品主要失效機(jī)理的應(yīng)力損傷模型的庫，支撐產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析。

（2）目前板級(jí)可靠性仿真分析方法已比較完備，工程中應(yīng)用良好，而針對(duì)器件內(nèi)部失效的可靠性分析方法由于器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)難以獲得，電參數(shù)難以分析等多種原因，尚處于研究狀態(tài)，難以工程應(yīng)用，必須開展器件內(nèi)部應(yīng)力損傷模型的工程應(yīng)用方法研究，并開發(fā)相應(yīng)的軟件工具，形成可以分析各種故障的可靠性仿真方法。

（3）開展可靠性仿真分析的最佳時(shí)機(jī)是產(chǎn)品研制早期，在初樣設(shè)計(jì)基本完成時(shí)開始，其間經(jīng)歷建模仿真-設(shè)計(jì)改進(jìn)-模型改進(jìn)的若干次循環(huán)，直至設(shè)計(jì)定型之前最終完成。

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作者簡(jiǎn)介：陳勝堅(jiān)（1981—），男，漢族，廣東廣州人，技術(shù)總工，本科，主要研究方向：電子裝備環(huán)境及可靠性應(yīng)用技術(shù)。