0 引言
进入21世纪以来,电子产品得到了飞速发展,逐渐成为了人们生活和工作中的重要组成部分。随之而来的可靠性问题也始终伴随着产品使用者,并造成不同程度的损失。为此,在研制阶段开展可靠性评估工作,发现产品设计中薄弱环节是非常有必要的。
数十年来,基于T&E的可靠性评估方法一直占据着主导地位,并由环境模拟试验技术发展到加速试验技术。其中,G.K.Hobbs等人研究的高加速寿命试验(HALT)技术,以及波音公司提出的可靠性强化试验(RET)技术,极大的提高了评估效率。但是,随着产品更新换代的速度不断加快,T&E方法已经满足不了电子产品研发周期与成本的逐渐紧缩。
面对大量的陆军装备系统可靠性评估问题,美国军方在2007年底提出低成本高效益的可靠性评估方针,极力推动基于故障物理(Physics of Fai1ure,PoF)的电子产品可靠性评估方法。PoF是从机理上建立故障与环境应力之间关系的可靠性理论。经过长时间的理论研究与数据积累,很多PoF模型已经得到了认可并广泛使用。在美国国防部、NASA、通用公司、波音公司和联邦航空局等大型机构的赞助下,DfRSolutions公司开展了基于PoF方法的集成电路空间环境可靠性仿真评估研究。美国航空航天飞行器系统研究所(AVSI)与可靠性仿真协会(RSC)于2013年合作开展了关于半导体可靠性评估方法的研究项目,期望通过欧美各大元器件制造商提供的数据结合PoF理论,获得具有指导性的元器件可靠性仿真评估方法。基于PoF理论的可靠性仿真评估方法在国外已得到了越来越广泛的研究和应用。
建立基于PoF理论的可靠性评估方法,必须了解产品在寿命周期中受到的应力及其影响。对于电子产品,在运输、贮存和使用过程中很多因素都会影响其可靠性。根据美国空军航空电子设备完善计划的统计数据,温度和振动是影响电子产品可靠性的主要环境因素,两者的失效数据占总数的75%。然而,利用单一热环境载荷或振动环境载荷评估产品的可靠性,不但不能准确覆盖产品的使用环境,而且对设计中潜在缺陷的剔除缺少力度。特别是用于航空与地面移动工具的电子产品,由于其长期暴露于热振联合环境载荷下,可靠性问题突出。为此,本文将热振联合环境作为典型环境载荷,以P〇F理论为基础提出了一种应用于电子产品的热振联合可靠性仿真评估方法。最后,将该评估方法应用于几类典型电子产品的数字样机,并发现了产品设计上的薄弱环节,为产品研制阶段的设计改进提供了依据。
1 方法流程
基于热振联合的电子产品可靠性仿真评估,首先要对产品的各类基本信息进行汇总,包括:结构、材料、元器件、电路、工艺、使用环境等参数信息。产品相关数据的详细程度,将直接影响可靠性仿真评估结果的准确。而后,根据采集的信息数据建立产品的数字样机,并从产品寿命周期历经的环境剖面中抽取出典型的热振环境剖面。利用仿真技术,将每个环境载荷剖面施加在产品的数字样机上,获得产品及其各组成部分的应力响应数据。通过故障模式、机理与影响分析(FMMEA)找到产品失效与热振环境载荷之间的根本相关性。结合相应的寿命预测模型与应力仿真分析数据,得到产品元器件与工艺的可靠性评估结果。将产品各组成部分的可靠性评估结果进行数据融合,最终获得产品的可靠性仿真评估结果,基本流程见图1。
图1 基于热振联合仿真的电子产品可靠性评估流程
1.1 热振联合应力仿真分析
很多电子产品在寿命周期内同时受到热环境与振动环境的影响,单独加载热环境载荷或振动环境载荷评估产品的可靠性不但缺少产品使用环境的覆盖度,而且不能有效的发现产品设计中的潜在缺陷。所以在应力分析中,利用仿真技术对数字样机加载热振联合环境载荷,获得产品各元器件与互连结构的热分布与振动响应结果。通过物理试验中获取的实际测量值对仿真分析结果进行修正,可以提高评估结果的精确度。
1.2 故障模式、机理与影响分析
传统的FMEA从宏观的角度分析引发产品故障的设计、制造、运输等原因。而FMMEA则是从微观角度分析造成产品故障的环境应力、工作应力以及失效过程。在热环境与振动环境下,电子产品的故障机理有很多。例如在高温环境下,电迁移(EM)、热载流子效应(HCI)、栅介质经时击穿(TDDB)和负偏压温度不稳定性效应(NBTI)等损伤机制会加快半导体器件的损耗过程。钽电容长期工作在高温环境时,Ta205薄膜层存在缺陷或杂质的部位会由于热致晶化损坏膜层,增加漏电流甚至发生介质击穿。此外,互联结构(焊点与引脚)作为保证电子电路中电气信号畅通和机械连接的重要结构,在电子产品小型化、微型化的发展趋势下,可靠性问题突出。Anilent公司在2007年整理研究了14家公司提供的焊点数据,发现缺陷率很难得到令人满意的控制。所以,焊点与引脚的相关损伤机制也是导致电子产品各类故障模式的主要故障机理,如高低温周期变化的环境中焊点的热疲劳与随机振动环境给焊点与引脚带来损伤。
FMMEA过程中,从元器件和互联结构的基本失效原因或机理及影响,自下而上的逐级向上分析直至对整个产品进行分析、评价影响后果。最后,对元器件和互联部位的结构、材料和工艺等的故障机理影响的严重程度与发生的概率进行评估,找到产品的关键故障机理。
1.3 寿命预测模型
在传统可靠性评估方法中,幂律模型可以很好的描述单一故障机理对兀器件可靠性的影响,但对于组件级电子产品多故障机理的可靠性评估并不适用。所以在评估过程中,需要将关键故障机理相关的寿命预测模型注入产品各组成部分。如半导体器件的电迁移现象,是因电流密度过大而引起的金属薄层中原子移动所造成的结构破坏。Black通过在A1线上进行电迁移实验系统地提出了电迁移理论,并给出了基于半经验的Black寿命预测模型
式中,mttfec为器件在电迁移损耗机制下的平均故障时间,A为与金属薄膜横截面积有关的常数,J为导线的电流密度,Ea为激活能,K为玻尔兹曼常数,T为温度。
对于半导体器件的栅介质经时击穿现象,Wu基于非阿伦尼斯的温度效应给出了用来预测击穿时间的Wu
式中,MTTF™B为器件在栅介质经时击穿损耗机制下的平均故障时间,TBD0、a、b为电压相关的参数。
对于疲劳寿命的预测,Engelmaier在“:^-fin-Manson模型的基础上引入了温度和频率等因素,被广泛用来预测焊点热疲劳寿命,模型表达式如下
式中,Nf为疲劳寿命,Δγ为应变范围,εf为材料系数,TS为焊点平均温度,f为循环载荷频率。利用相关寿命预测模型结合产品相关数据与应力仿真分析结果,可以得到电子产品中相应器件与结构在不同损耗机制下的寿命评估结果。
1.4 系统可靠性评估
将热振环境载荷下的应力仿真分析数据和关键故障机理的评估模型注入到产品所有的单点故障部位(子部分),可以分别得到各子部位在其规定的环境剖面下可靠性评估结果。根据单点故障的性质,利用竞争失效机制对所有子部分的可靠性评估数据进行融合,获得电子产品的系统可靠性评估结果。
2 应用案例
考虑到产品功能的差异性,本文分别选取某车载通信模块与某型电源单机作为研究案例。根据产品的设计要求,需要评估两类电子产品在5年内的可靠性评估结果。
2.1 环境剖面确定
环境剖面根据产品任务剖面中经历的最典型的环境进行剪裁。通过分析产品设计任务剖面使用环境的历史监测数据,结合GJB899A-2009《可靠性鉴定与验收试验》中的相关要求,本文温度环境加载条件确定为热循环剖面,输入参数见表1。振动应力为随机振动,振动谱型见图2。
表1 热循环剖面参数
图2 随机振动谱型