2.2 应力仿真分析
根据研制单位提供的数据,利用计算机软件建立通信模块与电源单机的数字样机,见图3。
图3 产品数字样机
利用仿真分析软件获得不同环境载荷下产品的响应情况,图4和图5分别给出了通信模块与电源单机的部分组件在80°C高温保持阶段的稳态热分布仿真分析结果,图6则显示了研究对象在随机振动载荷下的位移分布云图。根据基于热振联合仿真的可靠性评估流程,应力仿真分析结果将作为产品元器件与结构等各组成部分可靠性评估的输入条件。
图4 通信模块热分析仿真结果示例
图5 电源单机热分析仿真结果示例
图6 随机振动载荷仿真分析示例
2.3 FMMEA与寿命预测模型的确定
依据确定的热振环境剖面与应力仿真分析结果,高温、热交变和随机振动是影响通信模块与电源单机可靠性的主要环境因素。由于长时间暴露于高温环境下,产品中部分半导体器件受到栅介质经时击穿损伤机制的影响较大。而持续的热交变和随机振动环境给产品互联结构造成的疲劳损伤,也是通信模块与电源单机的主要故障机理之一。通过FMMEA,通信模块与电源单机的主要故障机理与寿命预测模型见表2。
表2 产品主要故障机理与寿命预测模型
2.4 可靠性评估结果
根据FMMEA分析结果,将相应的寿命预测模型与应力仿真结果注入各子部分,得到了各部位在不同故障机理下的可靠性仿真评估结果。图7给出了通信模块某板的可靠性仿真评估结果,参照设计使用寿命为5年,该板中以红色标注的元器件在设计上均未达到可靠性要求,可能存在潜在设计缺陷。
图7 通信模块某板可靠性仿真评估结果
根据表3中的评估结果,元器件互联部位的开裂是影响产品可靠性与寿命的主要故障模式,随机振动与热交变环境造成的疲劳损伤是主要故障机理。由于元器件C3的失效为单点故障,依照竞争失效原则,元器件C3的寿命预测结果表征了通信模块的使用寿命。而电源单机在其环境剖面加载下,各部分均达到可靠性要求。
表3 通信模块某板可靠性仿真评估结果
3 结论
本文选用的研究对象均用于高可靠性领域,选用的材料与元器件等级较高,传统基于T&E的可靠性评估方法会极大的增加产品在研制阶段的研发成本与周期。利用本文提出的热振联合可靠性仿真评估方法,通过计算机仿真技术将产品暴露在热振联合环境载荷下,并以POF理论为基础对两种电子产品进行可靠性评估。不但发现了产品的薄弱环节及其故障模式与故障机理,而且给出了定量的可靠性评估结果,为产品在研制阶段的可靠性评估提供了新的有效途径。