發(fā)布時間：2019-09-12 17:42

【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代電子設(shè)備的可靠性水平越來越高。但是,由于電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,電子設(shè)備在運行過程中依然存在多種失效模式。美國空軍對裝備硬件故障的統(tǒng)計結(jié)果表明:軍用飛機電子設(shè)備中,超過一半的失效模式與其所工作的溫度環(huán)境有關(guān)。電子設(shè)備在溫度環(huán)境中存在兩類典型的失效模式:因關(guān)鍵元器件發(fā)生功能失效而導(dǎo)致的失效(元器件類失效模式)以及因連接元器件與電路板之間的焊點發(fā)生疲勞斷裂而導(dǎo)致的失效(焊點疲勞類失效模式)。對于同時具有多種潛在的元器件類失效模式和焊點疲勞類失效模式的電子設(shè)備,任意一種失效模式的發(fā)生都會導(dǎo)致電子設(shè)備的最終失效。因此,針對電子設(shè)備在溫度環(huán)境中的兩類典型失效模式,開展電子設(shè)備多失效模式加速試驗理論與方法研究,對實現(xiàn)電子設(shè)備的高效可靠性評估具有重要意義。目前,以電子設(shè)備可靠性評估為目的的加速試驗方法,主要采用恒定、步進(jìn)、步降以及序進(jìn)的應(yīng)力加載方式,能夠有效地激發(fā)電子設(shè)備中的元器件類失效模式。然而,電子設(shè)備中的焊點需要受到多次循環(huán)應(yīng)力載荷的作用才會發(fā)生疲勞失效。當(dāng)試驗溫度以恒定、步進(jìn)、步降以及序進(jìn)的方式進(jìn)行加載時,電子設(shè)備中的焊點無法受到循環(huán)應(yīng)力載荷的作用。因此,目前采用恒定、步進(jìn)、步降以及序進(jìn)應(yīng)力加載方式的加速試驗方法,對電子設(shè)備中的焊點疲勞類失效模式的激發(fā)效果十分有限,從而無法有效地對同時具有元器件類失效模式和焊點疲勞類失效模式的電子設(shè)備在溫度環(huán)境中的可靠性進(jìn)行評估。為此,論文對一種能夠評估電子設(shè)備在溫度環(huán)境中可靠性的溫度循環(huán)加速試驗方法進(jìn)行研究。該方法同時關(guān)注對電子設(shè)備中的元器件類失效模式和焊點疲勞類失效模式的激發(fā)效果,以實現(xiàn)對電子設(shè)備在溫度環(huán)境中的可靠性進(jìn)行評估。論文的研究工作涉及溫度循環(huán)載荷條件下電子設(shè)備失效機理分析與可靠性建模、溫度循環(huán)加速試驗統(tǒng)計分析方法以及溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設(shè)計方法。論文主要研究內(nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下:1.建立了多失效模式電子設(shè)備在溫度循環(huán)載荷條件下的可靠性模型,以此作為溫度循環(huán)加速試驗統(tǒng)計分析方法和優(yōu)化設(shè)計方法研究的基礎(chǔ)。(1)為了描述溫度循環(huán)試驗環(huán)境對元器件類失效模式的影響,建立了基于指數(shù)分布和Arrhenius加速模型的溫度循環(huán)載荷條件下元器件類失效模式的可靠性模型。(2)為了更加準(zhǔn)確的預(yù)測焊點在不同溫度循環(huán)載荷條件下的疲勞壽命,在對溫度循環(huán)載荷條件下焊點疲勞類失效模式的失效機理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對Norris-Landzberg模型進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)改進(jìn)后的Norris-Landzberg模型,進(jìn)一步建立了溫度循環(huán)載荷條件下焊點疲勞類失效模式的可靠性模型。(3)利用競爭失效模型描述了不同失效模式可靠度函數(shù)之間的關(guān)系,建立了具有多種失效模式的電子設(shè)備在溫度循環(huán)載荷條件下的可靠性模型。2.針對多失效模式電子設(shè)備溫度循環(huán)加速試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析問題,分別提出了基于cem模型的競爭失效相互獨立情況下溫度循環(huán)加速試驗極大似然統(tǒng)計分析方法和基于copula函數(shù)的競爭失效相互關(guān)聯(lián)情況下溫度循環(huán)加速試驗ifm統(tǒng)計分析方法。(1)根據(jù)工程實踐中所發(fā)現(xiàn)的電子設(shè)備中對低溫敏感的失效模式,指出只采用高溫作為試驗環(huán)境的加速試驗方法無法有效地激發(fā)電子設(shè)備中對低溫敏感的失效模式,提出了高、低溫加速試驗及其試驗數(shù)據(jù)的極大似然統(tǒng)計分析方法,以此作為溫度循環(huán)加速試驗統(tǒng)計分析方法研究的基礎(chǔ)。(2)針對溫度循環(huán)加速試驗中元器件類失效數(shù)據(jù)的折算問題,給出基于cem模型的數(shù)據(jù)折算方法。在此基礎(chǔ)上,提出了競爭失效獨立情況下溫度循環(huán)加速試驗的極大似然統(tǒng)計分析方法。給出了各失效模式相互獨立情況下溫度循環(huán)加速試驗數(shù)據(jù)的montecarlo仿真方法,該方法通過引入等效失效率的概念來解決元器件類失效數(shù)據(jù)的仿真問題。(3)針對電子設(shè)備中各失效模式的失效過程之間可能存在相互關(guān)聯(lián)的問題,提出了基于copula函數(shù)的競爭失效相關(guān)情況下溫度循環(huán)加速試驗的ifm統(tǒng)計分析方法。該方法利用copula函數(shù)來描述不同失效模式可靠度函數(shù)之間的關(guān)系,并通過ifm方法對模型參數(shù)進(jìn)行了估計,可以在保證參數(shù)估計結(jié)果精度的前提下,有效地降低參數(shù)估計過程的計算量。3.針對溫度循環(huán)加速試驗方案的優(yōu)化設(shè)計問題,分別給出了基于解析的溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設(shè)計方法和基于montecarlo仿真的溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設(shè)計方法。(1)研究了基于解析的溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設(shè)計方法,給出了溫度循環(huán)加速試驗方案的d優(yōu)化設(shè)計方法和基于可靠性指標(biāo)漸進(jìn)方差的優(yōu)化設(shè)計方法。(2)給出了基于montecarlo仿真的溫度循環(huán)加速試驗方案優(yōu)化設(shè)計方法。該方法通過數(shù)據(jù)仿真和統(tǒng)計分析兩個主要步驟來獲得所有可選試驗方案的統(tǒng)計分析結(jié)果,并依據(jù)優(yōu)化目標(biāo),在所有備選方案中選出最優(yōu)試驗方案,可以有效減少優(yōu)化過程中的計算量。(3)通過仿真案例對基于解析的優(yōu)化設(shè)計方法和基于montecarlo仿真的優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行了對比分析。4.以貼片電容和貼片電阻為對象,對本文所提出的溫度循環(huán)載荷條件下電子設(shè)備多失效模式加速試驗理論與方法進(jìn)行了應(yīng)用驗證。綜上所述,論文針對同時具有元器件類失效模式和焊點疲勞類失效模式的電子設(shè)備,系統(tǒng)地研究了溫度循環(huán)加速試驗的理論和方法。本文的研究結(jié)論和成果,不僅為電子設(shè)備提供了有效的可靠性評估理論和技術(shù)支持,而且進(jìn)一步豐富和完善了電子設(shè)備加速試驗理論與方法。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN06

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本文編號：2535268