温度循环载荷条件下电子设备多失效模式加速试验技术研究

发布时间：2019-09-12 17:42

【摘要】：随着科学技术的不断发展,现代电子设备的可靠性水平越来越高。但是,由于电子设备的结构日趋复杂,电子设备在运行过程中依然存在多种失效模式。美国空军对装备硬件故障的统计结果表明:军用飞机电子设备中,超过一半的失效模式与其所工作的温度环境有关。电子设备在温度环境中存在两类典型的失效模式:因关键元器件发生功能失效而导致的失效(元器件类失效模式)以及因连接元器件与电路板之间的焊点发生疲劳断裂而导致的失效(焊点疲劳类失效模式)。对于同时具有多种潜在的元器件类失效模式和焊点疲劳类失效模式的电子设备,任意一种失效模式的发生都会导致电子设备的最终失效。因此,针对电子设备在温度环境中的两类典型失效模式,开展电子设备多失效模式加速试验理论与方法研究,对实现电子设备的高效可靠性评估具有重要意义。目前,以电子设备可靠性评估为目的的加速试验方法,主要采用恒定、步进、步降以及序进的应力加载方式,能够有效地激发电子设备中的元器件类失效模式。然而,电子设备中的焊点需要受到多次循环应力载荷的作用才会发生疲劳失效。当试验温度以恒定、步进、步降以及序进的方式进行加载时,电子设备中的焊点无法受到循环应力载荷的作用。因此,目前采用恒定、步进、步降以及序进应力加载方式的加速试验方法,对电子设备中的焊点疲劳类失效模式的激发效果十分有限,从而无法有效地对同时具有元器件类失效模式和焊点疲劳类失效模式的电子设备在温度环境中的可靠性进行评估。为此,论文对一种能够评估电子设备在温度环境中可靠性的温度循环加速试验方法进行研究。该方法同时关注对电子设备中的元器件类失效模式和焊点疲劳类失效模式的激发效果,以实现对电子设备在温度环境中的可靠性进行评估。论文的研究工作涉及温度循环载荷条件下电子设备失效机理分析与可靠性建模、温度循环加速试验统计分析方法以及温度循环加速试验方案优化设计方法。论文主要研究内容及相关结论如下:1.建立了多失效模式电子设备在温度循环载荷条件下的可靠性模型,以此作为温度循环加速试验统计分析方法和优化设计方法研究的基础。(1)为了描述温度循环试验环境对元器件类失效模式的影响,建立了基于指数分布和Arrhenius加速模型的温度循环载荷条件下元器件类失效模式的可靠性模型。(2)为了更加准确的预测焊点在不同温度循环载荷条件下的疲劳寿命,在对温度循环载荷条件下焊点疲劳类失效模式的失效机理进行分析的基础上,对Norris-Landzberg模型进行了改进。根据改进后的Norris-Landzberg模型,进一步建立了温度循环载荷条件下焊点疲劳类失效模式的可靠性模型。(3)利用竞争失效模型描述了不同失效模式可靠度函数之间的关系,建立了具有多种失效模式的电子设备在温度循环载荷条件下的可靠性模型。2.针对多失效模式电子设备温度循环加速试验数据的统计分析问题,分别提出了基于cem模型的竞争失效相互独立情况下温度循环加速试验极大似然统计分析方法和基于copula函数的竞争失效相互关联情况下温度循环加速试验ifm统计分析方法。(1)根据工程实践中所发现的电子设备中对低温敏感的失效模式,指出只采用高温作为试验环境的加速试验方法无法有效地激发电子设备中对低温敏感的失效模式,提出了高、低温加速试验及其试验数据的极大似然统计分析方法,以此作为温度循环加速试验统计分析方法研究的基础。(2)针对温度循环加速试验中元器件类失效数据的折算问题,给出基于cem模型的数据折算方法。在此基础上,提出了竞争失效独立情况下温度循环加速试验的极大似然统计分析方法。给出了各失效模式相互独立情况下温度循环加速试验数据的montecarlo仿真方法,该方法通过引入等效失效率的概念来解决元器件类失效数据的仿真问题。(3)针对电子设备中各失效模式的失效过程之间可能存在相互关联的问题,提出了基于copula函数的竞争失效相关情况下温度循环加速试验的ifm统计分析方法。该方法利用copula函数来描述不同失效模式可靠度函数之间的关系,并通过ifm方法对模型参数进行了估计,可以在保证参数估计结果精度的前提下,有效地降低参数估计过程的计算量。3.针对温度循环加速试验方案的优化设计问题,分别给出了基于解析的温度循环加速试验方案优化设计方法和基于montecarlo仿真的温度循环加速试验方案优化设计方法。(1)研究了基于解析的温度循环加速试验方案优化设计方法,给出了温度循环加速试验方案的d优化设计方法和基于可靠性指标渐进方差的优化设计方法。(2)给出了基于montecarlo仿真的温度循环加速试验方案优化设计方法。该方法通过数据仿真和统计分析两个主要步骤来获得所有可选试验方案的统计分析结果,并依据优化目标,在所有备选方案中选出最优试验方案,可以有效减少优化过程中的计算量。(3)通过仿真案例对基于解析的优化设计方法和基于montecarlo仿真的优化设计方法进行了对比分析。4.以贴片电容和贴片电阻为对象,对本文所提出的温度循环载荷条件下电子设备多失效模式加速试验理论与方法进行了应用验证。综上所述,论文针对同时具有元器件类失效模式和焊点疲劳类失效模式的电子设备,系统地研究了温度循环加速试验的理论和方法。本文的研究结论和成果,不仅为电子设备提供了有效的可靠性评估理论和技术支持,而且进一步丰富和完善了电子设备加速试验理论与方法。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN06

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