產品故障物理/失效物理分析與仿真、健康預測分析

 

目的

        由于傳統(tǒng)的基于數理統(tǒng)計的可靠性預計方法存在數據更新滯后、針對性差、統(tǒng)計模型有爭議以及預計結果不夠準確等方面問題，一種新型的基于失效機理、失效模式和失效應力的根本原因分析的可靠性評估技術被提出，這就是失效物理分析方法，該方法已經被證明對預防、檢測和校正與產品設計、制造、運行相關的失效是非常有效的。實際上失效物理一詞最早于上世紀50年代被提出，并于1962年舉辦了第一屆失效物理研討會，此后每年定期舉辦并延續(xù)至今，因此嚴格意義上，失效物理分析方法其實并不那么“新”。

        失效物理是由基本的機械、電子、熱和化學過程決定的，通過了解可能發(fā)生的失效機理，可以發(fā)現新興或現有技術中潛在的問題，并在問題發(fā)生前解決它們。要確定失效機理首先需要明確產品的溫度、濕度、振動、沖擊和其它可能的應力條件，接下來結合現有的有關所選物料和結構對應力的響應知識，進行應力分析，從而確定可能的失效位置，失效模式和失效機理，一旦明確了潛在失效機理，就可以使用特定的失效機理模型對產品進行可靠性評估，評估包括計算每種潛在失效機理的失效時間，然后選定最早發(fā)生的失效機理的失效時間來判斷產品是否可以達到預期的使用壽命。還可以針對主要失效機理進行改進設計，增強產品耐用性，目前對于元器件級和板級失效物理分析，馬里蘭大學的CALCE電子產品與系統(tǒng)中心已經開發(fā)出了計算機軟件，但其評估準確性還有待進一步驗證。

         失效物理方法研究的核心就是失效機理，按失效的發(fā)生特點，失效機理又可以分為耗損失效和過應力失效。耗損失效是指對器件或材料的損傷累積超過了其忍受極限而導致器件發(fā)生失效，耗損失效引起的設備失效可以通過可靠性預計預測其壽命。過應力失效是指由于應力大于器件的強度，也就是說器件承受的應力在某一時刻超過其忍受的極限而導致產品發(fā)生失效。另外，按照引起器件失效的應力類型，失效機理又可以細分為機械、電子、熱、化學和輻射等類型

        1、失效物理分析有助于改善系統(tǒng)或裝備的可靠性、維修性與安全性。失效物理分析得到的壽命與應力關系可以用于可靠性和安全性設計，失效征候的事前預測方法，不僅可以用于壽命試驗的規(guī)劃設計與評估，也可以用于建立預防保養(yǎng)或者保修制度策略的建立。

        2、失效物理分析結果有助于FMECA或者FTA工作的開展?？梢宰鳛镕MECA和FTA的輸入?？梢詤f(xié)助分析零件、材料組合層次的失效模式與系統(tǒng)層面的失效關聯關系。

        3、失效物理分析可以為系統(tǒng)層面的可靠性分析奠定基礎，并可以說明系統(tǒng)微觀的失效與宏觀失效的關系，采用失效物理模型，諸如艾林模型、阿倫尼斯模型、逆冪率模型等，這些模型可以較好應用于電子、電氣、機械系統(tǒng)的失效物理分析。在檢驗、驗證系統(tǒng)可靠性時，可以利用失效分布即參數的統(tǒng)計方法，結合可靠性數據背后的失效物理現象于失效統(tǒng)計分布的分析結果，獲得更多的有用的可靠性信息。例如，從威布爾分布的參數值可以分布是否有早期失效，可以分析失效的原因或者檢查加速壽命試驗的適用范圍，也可以研究加速試驗結果與現場壽命數據的關系。

目標

        針對具體的產品特點，分析故障機理、故障模式，通過試驗或者統(tǒng)計手段，找出影響系統(tǒng)可靠性的主要、關鍵故障模式，并建立期故障物理模型（故障物理仿真模型，包括PCB板、材料、熱、振動模型），基于故障物理模型進行可靠性分析、壽命預測。

價值

        （1）建立產品微觀的失效物理模型、分析失效規(guī)律，建立產品宏觀可靠性與微觀故障物理關系，更好地指導產品設計。

        （2）基于故障物理模型，進行產品可靠性預計、加速壽命、加速退化試驗設計。實現產品可靠性增長，并分析與驗證產品的可靠性。

        （3）為實時診斷、監(jiān)測產品的可靠性，實現產品健康管理提供支持。

產品故障物理/失效物理分析與仿真、健康預測分析服務內容

        （1）幫助企業(yè)、單位分析產品的特點，基于故障物理模型，進行產品可靠性預計、加速壽命、加速退化試驗設計。

        （2）提供故障物理仿真分析技術培訓以及軟件工具。

工程案例、效果

        建立某產品的失效物理模型，包括PCB模型、材料模型、熱模型和震動模型，進行可靠性預計、壽命預測

故障物理仿真分析平臺

        廣州寶順研發(fā)的失效物理仿真與壽命預測軟件由：

        （1）產品建模、

        （2）熱仿真分析、

        （3）振動仿真分析、

        （4）失效分析、

        （5）壽命剖面 以及基礎數據庫組成。

        可模擬板、元器件在溫度、振動等應力下的故障情況以及壽命預測。支持熱仿真分析功能，可輸出上表面溫度、下表面溫度、疊層溫度等溫度分布圖，可輸出PCB表面溫度、殼溫、結溫等元器件溫度圖。支持振動仿真分析功能，支持隨機振動、機械諧振、機械沖擊等類型的振動仿真分析，支持功率譜PSD曲線設置功能，支持約束建模功能。可輸出位移分布圖、振型分析結果、元器件位移圖等仿真分析結果。可根據電子產品的使用環(huán)境，計算不同失效模式的故障時間，可預測整個產品的壽命時間、首次故障時間等參數。提供豐富的電子產品失效機理模型庫，并可定制失效機理模型。更多關于失效物理仿真與壽命預測軟件信息。

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