基于故障机理模型的电子系统可靠性评价方法

基于故障机理模型的电子系统可靠性评价方法孙翔，张海勇（海军大连舰艇学院信息与通信工程系，辽宁大连 116018）摘 要：随着电子产品制造工艺不断发展，传统电子产品失效率曲线“浴盆曲线”的准确性受到越来越多的质疑，其原因在于产品失效统计数据的更新速度落后于产品本身的更新速度。因此急需一种不依赖大量统计数据的的故障分析方法以解决元器件失效分析及其可靠性评价问题。基于故障机理模型的可靠性评价方法可有效解决该问题。介绍了典型的故障机理模型以及方法的流程与注意事项。关键词：故障机理模型 电子系统 可靠性评价 Electronic systems reliability evaluation method based on failure mechanism model SUN XIANG, ZHANG Hai-yong(Department of Information and Communication Engineering, Dalian Navy Academy, Dalian 116018)Abstract: With the electronics manufacturing process development ,the accuracy of the traditional electronic products, the failure rate curve - the bathtub curve by more and more questions,the reason is that the failure statistics update rate lagged behind the update speed of the product itself. Therefore, the we need the failure analysi method do not rely on the large amount of statistical data to solve the problem of component failure analysis and reliability evaluation.The reliability evaluation method based on the failure mechanism model can effectively solve the problem. Introduce the typical failure mechanism models and the processes and precautions of the methods,.Keywords: failure mechanism model electronic system reliability evaluation1引言故障物理（PoF,Physics of failure）又称失效物理或者可靠性物理（Reliability physics），是可靠性工程的一个重要领域和分支1。故障物理方法与传统基于概率统计的可靠性研究方法不同个，它以产品故障为核心，关注故障机理或故障的根本原因。故障物理方法是从本质上研究产品的可靠性因素，将可靠性研究由之前的对故障数据进行处理与研究发展为如今对故障过程与成因进行描述的科学，其分析过程中的定量分析和描述为产品研制和生产提供了更为科学的依据。2电子系统故障机理及分类 故障机理是指那些导致产品故障的物理、化学、生物或其他的过程2。电子产品在其寿命全周期内由于各种因素，会发生短路、断路、参数漂移、磨损、断裂等各种故障模式，引起这些故障模式的的内在原因即为故障机理3。故障机理可根据故障是否具有损伤时间的积累效应分为损耗型故障机理和过应力型故障机理。损耗型故障机理是指由于积累的损伤超过了材料容许极限而导致的产品发生故障的机理；过应力型故障机理指由于应力超过了材料固有强度极限而造成产品突发故障的机理。一般来说，过应力型不存在损伤的积累过程，而是完全由突发应力造成。进一步还可以按照引起故障的实质应力进行详细划分，见表1.影响因素损耗型过应力型机械疲劳、磨损过弹性形变热扩散空隙相变电子电迁移、电荷扩散电介质击穿辐射辐射损伤、脆化单粒子效应化学腐蚀、解聚合离子污染表1 故障机理分类3故障机理模型故障机理模型可以定义为：基于对产品的故障机理以及故障根本原因的认知而建立的确定性数学模型4。在该模型中，故障不在被看做是随机事件，相反地，每个产品不同故障模式和故障位置所对应的寿命或故障前时间与其自身的材料、几何参数、工作环境以及工作条件等因素相关。3.1 故障机理的一般数学模型故障机理模型给出了特定故障机理下，产品的寿命/可靠性与产品的几何参数、材料属性参数以及各种典型环境之间的函数关系，记为，为产品对应的第i个故障机理的寿命或故障前时间。函数中各输入参数分别分为两类，分别为：（1）产品自身的特征参数，如几何参数、材料属性，记为g，m，（2）产品寿命周期内的环境载荷或工作载荷，如温度、湿度、盐度、电压、电流、电磁环境等等，记为e，o，故障机理模型中的常数或者经验系数可以通过实验室试验数据获得，也可通过现场使用数据估计得到5。目前，已有的大量典型的故障机理对应的故障机理模型，如疲劳、腐蚀、电介质击穿等等，在一般故障机理模型的基础上进行了更为细致深入的研究，使得模型计算结果更为精确且有针对性。3.2电子系统故障机理基础模型基础模型又称经典模型，是指在进行故障机理相关研究或可靠性实验中经常采用的最基础的模型6。用于描述特定产品的特定故障机理的模型最终都可以简化或者抽象成这些最基础的模型。基础模型主要由与温度应力相关的Arrhenius（阿伦尼斯）模型，与温度应力、其他应力相关的Eyring（艾琳）模型，与电应力相关的（Inverse Law）逆幂律模型，损伤积累模型以及故障机理竞争模型等等。下面分别进行介绍：1. 反应速度论阿伦尼斯模型不难理解，当对于材料、元件有害的反应持续到一定程度时，故障就随之发生。这里的“反应”不仅仅是狭义的化学反应，而是包括了如蒸发、凝聚、形变等物理变化，以及电、热、质量之类的扩散、传导现象等，这些是广义上的“反应”。按照物理理论，元件由正常态进入退化态或者故障态需要跨越能量势垒，而跨越能量势垒必然需要外界提供能量，不难分析，这些能量是由外部环境载荷提供的。并且，实现跨越的频数按照一定概率发生，19世纪阿伦尼斯从经验中总结了反应速度与温度的关系，因此成为阿伦尼斯方程。阿伦尼斯模型可以概括为：反应速度与激活能的指数成反比，与温度倒数的指数成反比。阿伦尼斯方程数学形式为，其中，M为产品退化量，左等式表示在温度T（热力学温度，单位为开尔文）下的反应速度，反应速度是时间t的线性函数；右等式中，A为常系数，K为波尔兹曼常数；E为某种故障机理对应的激活能（单位eV），E对于同一产品的同一故障机理为常数，可通过实验室测试获得，即可直接应用于相同使用环境中的产品或元器件。可以看出，反应速度越快，退化越快，寿命就越短。寿命与K(T)成反比，所以，温度越高，K(T)越大，寿命越短，这个结论符合日常使用元器件的经验。一般的，温度比室温每提高10，寿命缩短1/31/2，这个结论被称为“10法则”。2. 损伤积累模型损伤积累模型用于描述产品、材料在不同应力水平最用下的退化过程。损伤积累模型假设应力发生变化时，产生的故障机理或退化机理不变化。广泛采用的线性损伤积累模型是由M.A.Miner于1945年在解释机械材料的循环疲劳中提出的，因此又称为Miner法则。产品在受到应力作用时，有两种缺陷发生模式：一种是缺陷可逆，即应力消除后缺陷会随之消失；另一种是缺陷不可逆，即缺陷一旦发生，不会随着应力消除而消失。根据Miner的线性损伤积累理论，产品工作再应力水平下会产生一定量的损伤，损伤的程度与在该应力下持续时间，以及在此水平应力下正常产品发生故障（退化）所需总时间有关。不同应力组合下的总损伤百分比（DR）可由两者比值的线性累加确定，即表示为，由DR定义可知，时认为产品发生故障。上式中，可由实验室或产品制造厂家测试在单纯该种应力下的正常态进入故障态所需时间获得。不难看出，之所以将Miner法则称之为线性损伤积累理论，是由于其各项故障机理造成的影响进行了线性累加而得名。而且，使用公式应满足单一故障机理造成短时间内的损伤百分比不应大于1，即应满足产品在有限损伤寿命期间，应力强度足以使产品发生疲劳损伤，但不超过产品材料所能承受的破坏强度，否则产品处于过应力故障机理，不适用Miner模型。3. 故障机理竞争模型在应用故障物理方法时，对于多机理共同作用下的产品故障问题，通常采用故障机理竞争模型。此模型只考虑系统中最重要的部分元件，并认为当这些元件发生故障时，整个系统即发生故障，也就是寿命最短的关键元器件寿命决定了系统寿命。故障物理方法认为传统故障曲线“浴盆曲线”的最低值无限接近零，系统的可靠性由多个故障机理“竞争”决定，特定的故障机理被用来预测某元件的故障前时间（寿命）。在假设制造工艺和产品设计对于使用期间的故障无影响的情况下，认为系统中各组成单元在寿命期内是正常工作的，只有进入寿命终结或者突发事件时，部分零件才会进入故障态，进而全系统故障。因此，我们可以概括为，这类系统为元件间“全串联”关系，即全串联系统。在此模型中，每个产品的每种故障机理所对应的故障前时间（TTF，Time to Failure）被看做是独立的随机变量，且故障率不一定是常数。若是某产品n个潜在故障机理对应的故障前时间，那么系统故障前时间表示为。类似损伤积累模型，这里的也是可以预先在实验室测得的，关键是在于分析系统将要面临的故障机理，以便针对各故障机理与系统实际元件组成测得各的值。4 故障机理模型方法应用注意事项应用故障机理模型对产品进行可靠性估计应基于以下假设：产品的故障是在机械、热、电子、和化学应力等作用下发生的。根据假设条件，便可以对应力进行研究，进而认知和理解潜在的故障机理，在故障发生前采取预防措施，即实现对故障的“事前分析”，以达到提高使用中产品的可靠性的目的。应用该方法的前提是对故障机理进行深入的研究，包括建立故障机理模型和对产品使用环境中面临的各种应力进行分析。随着电子技术的发展以及新材料新工艺的研发，需建立新的故障机理模型，同时对现有模型进行更加深入的研究和改进，例如更新现有模型公式中的常数，以及面临的新的环境应力分析等等。因此，应用故障机理模型方法应注意以下事项：1. 方法主要适用于较低层次的产品单元，如电子产品的元器件、结构组件等等。2. 对于较高层次的产品应用故障机理模型方法时，需借助系统级可靠性评价方法，但对于系统组成单元的分析，不是依赖于传统的故障统计数据，而是根据对该单元的故障机理的分析进行定量化的描述和计算。3. 与传统故障统计方法相比，本方法虽具有很多优势，但不足也很明显，即前期成本较高，模型建立时间周期较长等等，使用时应考虑设计成本问题。4. 根据本方法进行可靠性评价，忽略了生产制造过程中产品可能产生的缺陷，使用时应加以注意。5. 应用本方法需要产品使用人员的综合素质较高，具有一定的可靠性相关的知识以及工程经验。5 结论本文介绍了一种评价电子产品可靠性的新方法，并给出了其一般模型的概念和常用的几个基础模型。摆脱了传统故障分析和可靠性评价工作中需要大量统计数据且多为事后分析的弊端，将分析与研究工作提前至产品使用之前，提高了使用中产品的可靠性。方法基于数学模型，可定量描述产品寿命与可靠性，提高了分析与预测结果的可信度，为电子产品失效分析与可靠性评价工作提出了新的思路。参考文献: 1 日盐见弘著.失效物理基础.M.科学出版社，1982.112 魏艳梅航天用“七专”电路失效分析与产品可靠性J甘肃科技，2000.6：1-23 莫郁薇，彭成信. 集成电路可靠性预计模型及其参数.J.可靠性数据收集与应用