基于竞争失效的数控系统PCB性能退化可靠性建模技术

作者:解传宁;王燕涛;应华; 刊名:河北科技大学学报 上传者:顾文华

【摘要】为全面、客观、准确地评估数控系统PCB在外部环境应力和内部线路结构作用下的可靠性水平,验证其是否满足数控系统可靠性设计的要求及其在实际工作环境中能否支持系统可靠的工作,以数控系统PCB为研究对象,从可靠性分析与评估中的核心和关键问题出发,在综述PCB失效机理和退化失效分析的基础上,提出了一种基于多失效机理竞争的数控系统PCB可靠性统计模型的构建思路,结合不同失效机理下的数控系统PCB可靠性分析模型,分析失效机理间的相关性,并通过试验数据量化各失效机理在竞争失效模型中的权重,最终建立数控系统PCB竞争失效可靠性模型,为准确地分析和预测数控系统PCB的可靠性提供了方法和途径.

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印制电路板(printedcircuitboards,简称PCB)作为数控系统电气连接的载体,逐渐成为数控系统的底层配件或直接更换单元,其性能和质量直接影响着整个系统的可靠性。随着数控系统PCB的结构越来越小巧轻薄,设计越来越复杂,层数越来越多,导线间距更加细密,以及其应用领域和工作环境的不断扩展,其绝缘可靠性面临越来越大的挑战。因此,对数控系统PCB进行可靠性研究和评估更为贴近工程实际,具有重要的工程实际意义。由于PCB内部结构设计及高温、高湿、偏压、振动等复杂外部条件的综合影响,引起PCB失效的物理、化学原因往往有多种,PCB的最终失效可能是其中一种或多种失效机理作用所导致。若不考虑多种失效机理并存及相互作用的问题,很有可能高估PCB可靠性水平而带来相应的风险。在产品的众多失效机理中,每一种失效机理都可能导致其失效,这种失效形式被称之为竞争失效。竞争失效问题已在可靠性工程领域得到了广泛的关注。本文从竞争失效的角度出发,在综述PCB失效机理和退化失效分析的基础上,提出了一种研究数控系统PCB在环境条件和电路结构多应力条件下的可靠性统计模型建模的设计思路,为全面、客观、准确地分析和预测数控系统PCB的可靠性水平提供方法和途径。1可靠性分析的国内外研究现状1.1PCB可靠性建模近年来,高密度、多功能、多层化PCB因制造上的复杂性、材料上的多样性和生产上的经济性等多种因素,失效现象呈现上升趋势,同时在工作期间,PCB还必须在高压、高温、高湿等复杂环境下长时间运行,由此其面临着越来越多的失效及可靠性问题,如爆板、分层、开裂及绝缘失效等。PCB的可靠性测试、失效分析和可靠性评估得到越来越多的重视。RATHINAVELU等[1]、黄华良[2]、READY等[3]在研究PCB失效机理方面取得了一定成果,验证了环境温度、湿度、电压、线路结构等是PCB失效的重要影响因素。孙志旺等[4]、李伟等[5]研究了电应力对某型雷达功能电路板可靠性的影响,建立了电源连续工作和电源通断电情况下的加速模型,完成了对某雷达电路板的可靠性评估。黄运来等[6]、贾占强等[7]对某电源板进行温度应力加速退化试验,在探索PCB的失效规律和可靠性评估方面取得了一定的成果。在性能损伤评估方面,王春宇等[8]在如何定量评估空间荷电粒子的影响上,提出了基于电磁复合场的空间光学敏感器/探测器荷电粒子屏蔽装置的设计思路。目前对PCB可靠性评估和建模的研究,大多局限于建立单应力或双应力的温度、湿度、偏压加速模型,从多应力对产品的性能影响来看,这种分析方法仍不够全面。张国龙等[9]对某型雷达PCB开展了温度、湿度、电应力综合加速退化试验,建立了温度-湿度-开/关频率的加速模型,一定程度上解决了多应力加速试验数据建模难题。对于电子产品,多应力综合作用的影响并非等效于单个应力作用的简单叠加。此外,由于PCB的线路和结构设计对PCB上的电场分布和易氧化金属材料所带电极性的影响,而逐步成为影响PCB绝缘可靠性不可忽视的因素[10]。RUDRA等[11]通过试验得出引起PCB失效的电化学迁移速率与导线间距成一定比例。但是到目前为止,线路结构对PCB性能影响研究还不充分,尤其中国在此方面的研究甚少。因此,深入研究环境应力和线路结构综合作用下PCB的性能变化规律,构建影响关系模型具有重要意义。1.2加速退化失效考虑到产品的失效最终可追溯到潜在的性能退化过程,PCB作为典型的高可靠长寿命产品,一般从表征产品功能的物理/化学性能特征参数的变化着手,通过监测性能退化数据进行可靠性分析来实现产品的可靠性评定,这成为目前探索P

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