期刊：冲击与振动 16 (2009) 45–59
作者：Robin Alastair Amy、Guglielmo S. Aglietti（电子邮件： [电子邮件保护]）和盖·理查森
作者单位：英国南安普敦大学工程科学学院航天研究小组
萨里卫星技术有限公司，英国萨里吉尔福德
版权所有 2009 Hindawi 出版公司。 这是一篇根据知识共享署名许可分发的开放获取文章，允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制，前提是正确引用了原始作品。
摘要。 未来，预计所有现代电子设备都将具有越来越多的功能，同时保持承受冲击和振动负载的能力。 由于电子设备复杂的响应和故障特性，预测可靠性的过程很困难，因此现有的方法是计算精度和成本之间的折衷。
可靠且快速地预测电子设备在动态负载下运行时的可靠性对于工业来说非常重要。 本文展示了预测电子设备可靠性时存在的问题，这些问题会降低结果的速度。 还应该考虑到，可靠性模型通常是考虑到许多类似组件的各种设备配置而构建的。 本文对四类可靠性预测方法（参考方法、测试数据、实验数据和失效物理原因建模 - 失效物理）进行比较，以选择使用一种或另一种方法的可能性。 值得注意的是，大多数电子设备故障都是由热负载引起的，但本次审查重点关注运行过程中由冲击和振动引起的故障。
译者注。 本文是对该主题的文献综述。 尽管它的历史相对较长，但它很好地介绍了使用各种方法评估可靠性的问题。
1. 术语
BGA 球栅阵列。
DIP 双列直插式处理器，有时称为双列直插式封装。
FE 有限元。
PGA 引脚网格阵列。
PCB印刷电路板，有时称为PWB（印刷线路板）。
PLCC 塑料引线芯片载体。
PTH 镀通孔，有时称为引脚通孔。
QFP 四方扁平封装 - 也称为鸥翼型。
SMA 形状记忆合金。
SMT 表面贴装技术。
原作者注： 在本文中，术语“元件”是指可以焊接到印刷电路板上的特定电子器件，术语“封装”是指集成电路的任何元件（通常是任何SMT或DIP元件）。 术语“附加组件”是指任何组合的印刷电路板或组件系统，强调附加组件具有其自身的质量和刚度。 （本文没有讨论晶体封装及其对可靠性的影响，因此在下文中，术语“封装”可以被理解为一种或另一种类型的“外壳” - 近似翻译。）
2。 声明问题
施加在 PCB 上的冲击和振动负载会对 PCB 基板、元件封装、元件走线和焊点产生应力。 这些应力是由电路板的弯矩和元件的质量惯性共同引起的。 在最坏的情况下，这些应力可能会导致以下故障模式之一：PCB 分层、焊点故障、引线故障或元件封装故障。 如果发生这些故障模式中的任何一种，设备很可能会完全故障。 运行期间遇到的故障模式取决于封装类型、印刷电路板的特性以及弯矩和惯性力的频率和幅度。 电子设备可靠性分析进展缓慢是由于需要考虑多种输入因素和故障模式的组合。
本节的其余部分将尝试解释同时考虑不同输入因素的困难。
第一个需要考虑的复杂因素是现代电子产品中可用的封装类型多种多样，因为每种封装可能会因不同的原因而失败。 重型元件更容易受到惯性负载的影响，而 SMT 元件的响应更依赖于电路板的曲率。 因此，由于这些基本差异，这些类型的组件根据质量或尺寸具有很大不同的故障标准。 市场上不断出现的新组件进一步加剧了这个问题。 因此，任何提出的可靠性预测方法都必须适应新的组件，才能在未来得到实际应用。 印刷电路板对振动的响应由组件的刚度和质量决定，这会影响印刷电路板的局部响应。 众所周知，最重或最大的组件会显着改变电路板对安装位置的振动的响应。 PCB 机械特性（杨氏模量和厚度）会以难以预测的方式影响可靠性。
较硬的 PCB 可能会减少 PCB 在负载下的整体响应时间，但同时，实际上可能会局部增加施加到组件上的弯矩（此外，从热致故障的角度来看，实际上最好指定一个更硬的 PCB）。兼容的 PCB，因为这可以减少施加在封装上的热应力 - 作者注）。 施加在电池堆上的局部弯矩和惯性载荷的频率和幅度也会影响最可能的失效模式。 高频低幅载荷会导致结构疲劳失效，这可能是失效的主要原因（低/高循环疲劳，LCF是指以塑性变形为主的失效（N_f < 10^6），而HCF表示弹性变形故障 ，通常 (N_f > 10^6 ) 故障 [56] - 作者注）印刷电路板上元件的最终排列将决定故障原因，故障原因可能是由于惯性负载引起的单个组件的应力而发生或局部弯矩。 最后，还需要考虑人为因素和生产特点的影响，这增加了设备发生故障的可能性。
当考虑大量输入因素及其复杂的相互作用时，为什么尚未创建预测电子设备可靠性的有效方法就变得很清楚了。 作者推荐的有关此问题的文献综述之一发表在 IEEE [26] 中。 然而，这篇综述主要关注可靠性模型的相当广泛的分类，例如根据参考文献、实验数据、故障条件的计算机建模（物理故障可靠性（PoF））来预测可靠性的方法，并且不涉及故障由冲击和振动引起的足够详细的信息。 Foucher 等人 [17] 遵循与 IEEE 审查类似的大纲，重点强调热故障。 先前对 PoF 方法的分析的简洁性，尤其是应用于冲击和振动故障时，值得进一步考虑。 AIAA 正在编制类似 IEEE 的审查，但目前审查的范围尚不清楚。
3.可靠性预测方法的演变
最早的可靠性预测方法是在 1960 世纪 217 年代开发的，目前在 MIL-HDBK-44F [217] 中进行了描述（Mil-Hdbk-1995F 是该方法的最新也是最终修订版，于 217 年发布 - 作者注）。电子设备故障数据库，用于获取由某些组件组成的印刷电路板的平均使用寿命。 该方法被称为根据参考文献和规范文献预测可靠性的方法。 尽管 Mil-Hdbk-42,50F 越来越过时，但参考方法至今仍在使用。 该方法的局限性和不准确性已得到充分记录[XNUMX]，从而导致了三类替代方法的发展：物理故障条件（PoF）的计算机建模、实验数据和现场测试数据。
PoF 方法通过分析来预测可靠性，而不依赖于先前收集的数据。 所有 PoF 方法都具有 Steinberg [62] 中描述的经典方法的两个共同特征：首先，寻求印刷电路板对特定振动刺激的振动响应，然后测试振动暴露后各个组件的故障标准。 PoF 方法的一个重要进步是使用分布式（平均）电路板属性来快速生成印刷电路板的数学模型 [54]，这显着降低了精确计算印刷电路板振动响应所花费的复杂性和时间。电路板（参见第 8.1.3 节）。 PoF 技术的最新发展改进了表面贴装技术 (SMT) 焊接元件的故障预测； 然而，除了 Barkers 方法 [59] 之外，这些新方法仅适用于非常特定的元件和印刷电路板组合。 对于变压器或大电容器等大型元件，可用的方法非常少。
实验数据方法提高了基于参考文献的可靠性预测方法中使用的模型的质量和能力。 1999 年的一篇论文中描述了第一种基于实验数据的电子设备可靠性预测方法，该方法使用 HIRAP（霍尼韦尔在用可靠性评估程序）方法，该方法由霍尼韦尔公司创建 [20]。 与使用参考文献和规范文献预测可靠性的方法相比，实验数据方法具有许多优点。 最近，出现了许多类似的方法（REMM 和 TRACS [17]，还有 FIDES [16]）。 实验数据的方法以及使用参考和规范文献预测可靠性的方法不允许我们在评估可靠性时令人满意地考虑电路板的布局及其运行的操作环境。 这种缺陷可以通过使用设计相似的电路板或暴露于相似操作条件的电路板的故障数据来纠正。
实验数据方法取决于包含随时间变化的崩溃数据的广泛数据库的可用性。 必须正确识别该数据库中的每种故障类型并确定其根本原因。 这种可靠性评估方法适用于大量生产同类型设备、可以处理大量故障来评估可靠性的公司。
电子元件可靠性测试方法自 1970 世纪 XNUMX 年代中期以来一直在使用，通常分为加速测试和非加速测试。 基本方法是进行硬件测试运行，以尽可能真实地创建预期的操作环境。 测试一直进行到发生故障为止，从而可以预测 MTBF（平均故障间隔时间）。 如果估计MTBF很长，那么可以通过加速测试来减少测试持续时间，这是通过增加运行环境因素并使用已知公式将加速测试中的故障率与加速测试中预期的故障率联系起来来实现的。手术。 这种测试对于高故障风险的组件至关重要，因为它为研究人员提供了最高水平的置信度数据，但是，由于研究的迭代时间较长，将其用于电路板设计优化是不切实际的。
快速回顾 1990 世纪 26 年代发表的工作表明，这是一个实验数据、测试数据和 PoF 方法相互竞争以取代参考书中预测可靠性的过时方法的时期。 然而，每种方法都有其自身的优点和缺点，如果使用正确，会产生有价值的结果。 因此，IEEE 最近发布了一项标准 [102]，其中列出了当今使用的所有可靠性预测方法。 IEEE 的目标是编写一份指南，为工程师提供有关所有可用方法以及每种方法固有的优缺点的信息。 尽管 IEEE 方法仍处于长期演进的开始阶段，但它似乎有自己的优点，因为 AIAA（美国航空航天学会）遵循它，推出了名为 S-27 的指南，该指南与 IEEE 类似，但还考虑了每种方法数据的相对质量[XNUMX]。 这些指南的目的只是汇集世界各地出版的有关这些主题的文献中流传的方法。
4、振动引起的故障
过去的大部分研究主要集中在作为 PCB 负载的随机振动上，但以下研究专门关注与冲击相关的故障。 这些方法不会在这里充分讨论，因为它们属于 PoF 方法的分类，并在本文的 8.1 和 8.2 节中讨论。 Heen 等人 [24] 创建了一个测试板来测试 BGA 焊点在受到冲击时的完整性。 Lau 等人[36]描述了 PLCC、PQFP 和 QFP 元件在面内和面外冲击下的可靠性。 Pitarresi 等人 [53,55] 研究了由于冲击负载导致的计算机主板故障，并对描述冲击负载下的电子设备的文献进行了很好的回顾。 Steinberg [62]提供了关于受影响电子设备的设计和分析的完整章节，涵盖了如何预测冲击环境以及如何确保电子元件的性能。 Sukhir [64,65]描述了印刷电路板对施加到板紧固件的冲击载荷的响应的线性计算中的误差。 因此，参考和实验数据方法可能会考虑与冲击相关的设备故障，但这些方法隐含地描述了“冲击”故障。
五、参考方法
在手册中描述的所有可用方法中，我们将只考虑两种考虑振动故障的方法：Mil-Hdbk-217 和 CNET [9]。 Mil-Hdbk-217 被大多数制造商接受为标准。 与所有手动和参考方法一样，它们基于经验方法，旨在根据实验或实验室数据预测组件可靠性。 参考文献中描述的方法实施起来相对简单，因为它们不需要复杂的数学建模，并且仅使用零件类型、零件数量、电路板的工作条件和其他易于访问的参数。 然后将输入数据输入模型以计算故障间隔时间 MTBF。 尽管有其优点，Mil-Hdbk-217 却变得越来越不受欢迎 [12, 17,42,50,51]。 让我们考虑一下对其适用性的限制的不完整列表。
- 数据越来越过时，最后一次更新是在 1995 年，并且与新组件无关，模型不可能被修改，因为国防标准改进委员会已决定让该方法“自然消亡”[ 26]。
- 该方法不提供有关故障模式的信息，因此无法改进或优化 PCB 布局。
- 这些模型假设故障与设计无关，忽略了 PCB 上组件的布局，但是众所周知，组件布局对故障概率有很大影响。 [50]。
- 收集的经验数据包含许多不准确之处，数据来自第一代组件，由于运行时间、维修等的错误记录，故障率异常高，这降低了可靠性预测结果的可靠性[51]。
所有这些缺点表明应避免使用参考方法，然而，在这些方法的可接受范围内，必须执行技术规范的许多要求。 因此，只有在适当的情况下才应使用参考方法，即在设计的早期阶段[46]。 不幸的是，即使这种使用也应该谨慎对待，因为这些类型的方法自 1995 年以来就没有经过修订。 因此，参考方法本质上不能很好地预测机械可靠性，应谨慎使用。
6. 测试数据方法
测试数据方法是可用的最简单的可靠性预测方法。 所提出的印刷电路板设计的原型受到实验室工作台上再现的环境振动的影响。 接下来，分析破坏参数（MTTF、冲击谱），然后用于计算可靠性指标[26]。 应考虑其优点和缺点来使用测试数据方法。
测试数据方法的主要优点是结果的高精度和可靠性，因此对于故障风险高的设备，设计过程的最后阶段应始终包括振动鉴定测试。 缺点是试件的制造、安装和加载所需时间较长，不适合故障概率较高的设备的设计改进。 对于迭代产品设计过程，应考虑更快的方法。 如果有可靠的模型可用于后续计算实际使用寿命，则可以通过加速测试来减少负载暴露时间[70,71]。 然而，加速测试方法比振动故障更适合热故障建模。 这是因为测试热载荷对设备的影响比测试振动载荷的影响所需的时间更少。 振动的影响要经过很长时间后才会在产品上显现出来。
因此，测试方法通常不用于振动故障，除非存在情有可原的情况，例如低电压导致故障时间很长。 数据验证方法的例子可以在 Hart [23]、Hin 等人的作品中看到。 [24]，李[37]，刘等人。 [36]、Shetty 等人 [57]、Liguore 和 Followell [40]、Estes 等人。 [15]，王等。 [67]，Jih 和 Jung [30]。 IEEE [26] 对该方法进行了很好的概述。
7 实验数据方法
实验数据方法基于在指定操作条件下测试的类似印刷电路板的故障数据。 该方法仅适用于经历类似负载的印刷电路板。 实验数据方法有两个主要方面：构建电子元件故障数据库和基于所提出的设计实施该方法。 为了建立适当的数据库，必须有从类似设计中收集的相关故障数据； 这意味着必须存在类似设备故障的数据。 还必须对有故障的设备进行适当的分析和统计，仅说明给定的 PCB 设计在一定小时数后发生故障是不够的，还必须确定故障的位置、故障模式和原因。 除非对之前所有的故障数据都进行了彻底的分析，否则需要很长时间的数据收集才能使用实验数据方法。
解决此限制的一个可能的解决方法是实施高度加速生命周期测试（HALT），以快速构建故障率数据库，尽管准确再现环境参数具有挑战性但至关重要[27]。 实现实验数据方法的第二阶段的描述可以在[27]中阅读，它展示了如果被测设计是通过修改已经存在详细故障数据的现有电路板获得的，如何预测提议设计的MTBF 。 不同作者在[11,17,20,26]中描述了对实验数据方法的其他评论。
8. 故障条件的计算机模拟（PoF）
故障条件的计算机建模技术（也称为应力和损坏模型或 PoF 模型）在两步可靠性预测过程中实施。 第一阶段包括搜索印刷电路板对施加在其上的动态负载的响应；在第二阶段，计算模型的响应以确保给定的可靠性指标。 大多数文献通常致力于预测响应的方法和寻找失败标准的过程。 独立描述时最好理解这两种方法，因此本次审查将分别考虑这两个步骤。
在预测响应和搜索故障标准的阶段之间，在第一阶段创建并在第二阶段使用的数据集被传输到模型中。 响应变量从使用底盘上的输入加速度[15,36,37,67]，通过组件经历的实际加速度来考虑不同PCB布局的不同振动响应[40]，最后发展到考虑元件局部 PCB 所经历的局部偏移 [62] 或局部弯矩 [59]。
人们已经注意到，故障是印刷电路板上元件排列的函数[21,38]，因此包含局部振动响应的模型更有可能是准确的。 选择哪个参数（局部加速度、局部挠度或弯矩）作为失效的决定因素取决于具体情况。
如果使用 SMT 元件，曲率或弯矩可能是导致失效的最重要因素；对于重型元件，通常使用局部加速度作为失效标准。 不幸的是，尚未进行任何研究来表明哪种类型的标准最适合给定的输入数据集。
考虑所使用的任何 PoF 方法的适用性非常重要，因为使用没有实验室测试数据支持的任何 PoF 方法（分析法或 FE）都是不切实际的。 此外，重要的是仅在其适用范围内使用任何模型，不幸的是，这限制了大多数当前 PoF 模型在非常具体和有限的条件下使用的适用性。 多位作者描述了 PoF 方法讨论的好例子 [17,19,26,49]。
8.1. 响应预测
响应预测涉及使用结构的几何形状和材料特性来计算所需的响应变量。 此步骤预计仅捕获底层 PCB 的整体响应，而不是单个组件的响应。 响应预测方法主要分为三种类型：解析的、详细的有限元模型和简化的有限元模型，如下所述。 这些方法侧重于合并附加组件的刚度和质量效应，但重要的是不要忽视对 PCB 边缘的旋转刚度进行精确建模的重要性，因为这与模型精度密切相关（这将在第 8.1.4 节）。 如图。 1. 印刷电路板详细模型示例 [53]。
8.1.1. 分析响应预测
Steinberg [62] 提供了计算印刷电路板振动响应的唯一分析方法。 斯坦伯格指出，电子单元谐振时的振荡幅度等于谐振频率平方根的两倍； 该说法基于无法获得的数据，无法得到证实。 这样可以分析计算谐振时的动态偏转，然后可以用它来计算重型部件的动态负载或印刷电路板的曲率。 该方法不直接产生局部 PCB 响应，仅与 Steinberg 描述的基于偏转的失效准则兼容。
基于幅度测量的传递函数分布假设的有效性值得怀疑，因为 Pitarresi 等人 [53] 测量到计算机主板的临界衰减为 2%，而使用 Steinberg 的假设将给出 3,5%（基于固有频率 54） Hz），这会导致电路板对振动的响应被大大低估。
8.1.2. 详细的有限元模型
一些作者演示了使用详细的 FE 模型来计算印刷电路板的振动响应 [30,37,53, 57,58]（图 1-3 显示了更详细的示例），但是这些模型的使用不建议将这些方法用于商业产品（除非仅准确预测局部响应不是绝对必要的），因为构建和求解此类模型所需的时间过长。 简化的模型可以更快、成本更低地生成具有适当精度的数据。 通过使用 [4-33] 中发布的 JEDEC 35 弹簧常数可以减少构建和求解详细 FE 模型所需的时间，这些弹簧常数可以用来代替每根导线的详细 FE 模型。 此外，还可以采用子结构法（有时称为超单元法）来减少求解详细模型所需的计算时间。 应该注意的是，详细的有限元模型通常会模糊响应预测和失效准则之间的界限，因此此处引用的工作也可能属于包含失效准则的工作列表。
8.1.3. 分布式有限元模型
简化的有限元模型减少了模型创建和求解时间。 增加的组件质量及其刚度可以通过简单地模拟质量和刚度增加的空 PCB 来表示，其中通过局部增加 PCB 的杨氏模量来合并质量和刚度的影响。
如图。 2. 使用对称性简化建模过程并减少求解时间的 QFP 组件详细模型示例 [36]。 如图。 3. J-lead 的详细有限元模型示例 [6]。
刚度增强系数可以通过物理切割附着构件并应用弯曲测试方法来计算[52]。 皮塔雷西等人。 [52,54]检查了连接到印刷电路板的组件所提供的附加质量和刚度的简化效果。
第一篇论文研究了印刷电路板简化有限元模型的单个案例，并根据实验数据进行了验证。 本文感兴趣的主要领域是确定分布特性，但需要注意的是，精确的模型需要高精度的扭转刚度。
第二篇文章着眼于五种不同填充的 PCB，每种 PCB 都对其成分进行了几种不同程度的简化。 将这些模型与实验数据进行比较。 本文最后对质量刚度比与模型精度之间的相关性进行了一些有启发性的观察。 这两篇论文都仅使用固有频率和 MEC（模态保证标准）来确定两个模型之间的相关性。 不幸的是，固有频率的误差无法提供有关局部加速度或弯矩误差的任何信息，并且MKO只能给出两个固有模态之间的整体相关性，而不能用于计算加速度或曲率的百分比误差。 Cifuentes [10] 结合数值分析和计算机模拟，提出了以下四个观察结果。
- 模拟模态必须包含至少 90% 的振动质量才能进行准确分析。
- 在电路板的偏差与其厚度相当的情况下，非线性分析可能比线性分析更合适。
- 元件放置中的小错误可能会导致响应测量中的大错误。
- 响应测量精度对质量误差比对刚度误差更敏感。
8.1.4. 边境条件
PCB 边缘旋转刚度系数对计算响应的准确性有重大影响 [59]，并且根据具体配置，其比添加的组件质量和刚度更重要。 将旋转边缘刚度建模为零（本质上只是支撑条件）通常会产生保守的结果，而建模为紧密夹紧通常会低估结果，因为即使是最硬的 PCB 夹紧机构也无法确保完全夹紧的边缘条件。 Barker 和 Chen [5] 用实验结果验证了分析理论，以显示边缘旋转刚度如何影响 PCB 的固有频率。 这项工作的主要发现是边缘旋转刚度和固有频率之间存在很强的相关性，与理论一致。 这也意味着边缘旋转刚度建模中的大误差将导致响应预测中的大误差。 尽管这项工作是在特定情况下考虑的，但它适用于对所有类型的边界条件机制进行建模。 使用 Lim 等人的实验数据。 [41] 提供了如何在 PCB 模型中使用 FE 来计算边缘旋转刚度的示例； 这是使用 Barker 和 Chen [5] 改编的方法实现的。 这项工作还展示了如何确定结构中任意点的最佳位置以最大化固有频率。 郭和赵 [21] 还专门考虑了修改边界条件以减少振动响应的效果； 阿列蒂[2]； Aglietti 和 Schwingshackl [3]，Lim 等人。 [41]。
8.1.5. 冲击和振动影响预测
皮塔雷西等人。 [53-55]使用 PCB 的详细 FE 模型来预测具有以 3D 块表示的组件的电路板的冲击和振动响应。 这些模型使用实验确定的恒定阻尼比来改进共振响应的预测。 对冲击响应谱（SRS）和时间扫描方法进行了冲击响应预测的比较，这两种方法都是准确性和解决时间之间的权衡。
8.2. 拒绝标准
故障标准衡量 PCB 的响应，并用它来导出故障指标，其中故障指标可以是平均故障间隔时间 (MTBF)、故障周期、无故障运行概率或任何其他可靠性指标（请参阅IEEE [26]；Jensen[28] 47]；O'Connor [XNUMX] 有关故障指标的讨论）。 生成这些数据的许多不同方法可以方便地分为分析方法和经验方法。 经验方法通过将部件的测试样本加载到所需的动态载荷来生成失效标准数据。 不幸的是，由于实际中可能输入的数据范围广泛（元件类型、PCB 厚度和负载），已发布的数据不太可能直接适用，因为这些数据仅在非常特殊的情况下有效。 分析方法没有这些缺点并且具有更广泛的适用性。
8.2.1. 经验失效准则
如前所述，大多数经验模型的局限性在于它们仅适用于涉及相同 PCB 厚度、相似元件类型和输入负载的配置，而这是不可能的。 然而，现有文献由于以下原因很有用：它提供了执行故障测试的良好示例，突出显示了故障度量的不同选项，并提供了有关故障机制的有价值的信息。 Li [37] 创建了一个经验模型来预测 272 引脚 BGA 和 160 引脚 QFP 封装的可靠性。 研究了导体和封装体中的疲劳损坏，实验结果与使用详细的有限元模型计算的基于应力的损坏分析非常吻合（另请参见 Li 和 Poglitsch [38,39]）。 对于振动输入信号的给定振动加速度水平，该过程会产生累积损坏。
Lau 等人 [36] 使用威布尔统计评估了特定组件在冲击和振动负载下的可靠性。 Liguore 和 Followell [40] 通过改变整个服务周期的局部加速度来检查 LLCC 和 J-lead 组件的故障。 使用局部加速度而不是底盘输入加速度，并研究了温度对测试结果的影响。 文章还参考了PCB厚度对元件可靠性影响的研究。
郭和赵[21]比较了使用局部扭转曲率作为载荷时部件的可靠性，与之前使用加速度的研究形成鲜明对比。 对疲劳损伤进行了模拟，然后将有限元模型与实验结果进行了比较。 本文还讨论了优化组件布局以提高可靠性。
Ham 和 Lee [22] 提出了一种测试数据方法，用于确定循环扭转载荷下的铅焊料应力问题。 Estes 等人 [15] 考虑了鸥翼组件 (GOST IEC 61188-5-5-2013) 在施加输入加速度和热负载的情况下的故障问题。 研究的元件是芯片封装类型 CQFP 352、208、196、84 和 28，以及 FP 42 和 10。本文专门讨论由于地球静止地球卫星轨道波动而导致的电子元件故障，时间故障之间的间隔以对地静止轨道或近地轨道上的飞行年数给出。 值得注意的是，鸥翼线的故障更可能出现在与封装体接触的位置处，而不是焊点处。
Jih 和 Jung [30] 考虑了焊点固有制造缺陷导致的设备故障。 这是通过创建非常详细的 PCB 有限元模型并查找不同制造裂纹长度的功率谱密度 (PSD) 来完成的。 Ligyore、Followell [40] 和 Shetty、Reinikainen [58] 认为，经验方法可以为特定的连接组件配置生成最准确、最有用的故障数据。 如果某些输入数据（板厚度、元件类型、曲率范围）可以在整个设计中保持恒定，或者如果用户有能力执行此类实际测试，则可以使用这些方法。
8.2.2. 分析失效准则
角接SMT型号
研究 SMT 角引脚故障的各种研究人员表明，这是最常见的故障原因。 Sidharth 和 Barker [59] 的论文通过提出一个用于确定 SMT 角引线和环引线元件应变的模型来完成早期的系列论文。 与六种最坏情况下的详细 FE 模型相比，所提出的模型的误差小于 7%。 该模型基于 Barker 和 Sidharth 先前发布的公式 [4]，其中对承受弯矩的连接部件的偏转进行了建模。 Sukhir [63] 的论文分析了由于局部施加的弯矩而在封装端子中预期的应力。 Barker 和 Sidharth [4] 以 Sukhir [63]、Barker 等人 [4] 的工作为基础，考虑了主导旋转刚度的影响。 最后，Barker 等人 [7] 使用详细的有限元模型来研究铅的尺寸变化对铅疲劳寿命的影响。
这里值得一提的是 JEDEC 引线弹簧常数的工作，它极大地简化了引线元件模型的创建 [33-35]。 可以使用弹簧常数代替引线连接的详细模型；模型中构建和求解有限元模型所需的时间将减少。 在组件有限元模型中使用此类常数将妨碍直接计算局部引线应力。 相反，将给出总体引线应变，然后该应变应与基于产品生命周期的局部引线应力或引线失效标准相关。
材料疲劳数据
大多数有关焊料和元件材料失效的数据主要与热失效有关，与疲劳失效相关的数据相对较少。 Sandor [56] 提供了该领域的主要参考文献，他提供了焊料合金疲劳和失效力学的数据。 Steinberg [62] 考虑了焊料样品的失效。 标准焊料和电线的疲劳数据可在 Yamada 的论文 [69] 中找到。
如图。 4. QFP 器件说明书上的常见故障位置是靠近封装体。
由于这种材料的不寻常特性，对与焊料脱粘相关的故障进行建模具有挑战性。 这个问题的解决方案取决于需要测试的组件。 众所周知，对于 QFP 封装，通常不考虑这一点，而是使用参考文献来评估可靠性。 但如果计算大型BGA和PGA元件的焊接，那么引线连接由于其不寻常的特性，可能会影响产品的故障。 因此，对于 QFP 封装，引线疲劳特性是最有用的信息。 对于 BGA，有关焊点承受瞬时塑性变形的耐久性的信息更有用 [14]。 对于较大的元件，Steinberg [62] 提供了焊点拉出电压数据。
重型部件故障模型
Steinberg [62] 的一篇论文提出了重型部件存在的唯一失效模型，该论文检查了部件的拉伸强度，并给出了如何计算可应用于引线连接的最大允许应力的示例
8.3. PoF模型适用性结论
关于 PoF 方法的文献得出以下结论。
本地响应对于预测组件故障至关重要。 正如 Li, Poglitsch [38] 中所指出的，由于弯曲的局部差异，位于 PCB 边缘的组件比位于 PCB 中心的组件更不容易发生故障。 因此，PCB 上不同位置的元件将有不同的故障概率。
对于 SMT 元件来说，局部板曲率被认为是比加速度更重要的失效准则。 最近的工作[38,57,62,67]表明板曲率是主要的失效准则。
无论具体的本地环境如何，不同类型的封装，无论是引脚数量还是使用的类型，本质上都比其他封装更可靠[15,36,38]。
温度会影响元件的可靠性。 Liguore 和 Followell [40] 指出，疲劳寿命在 0°C 至 65°C 的温度范围内最高，在低于 -30°C 和高于 95°C 的温度下明显下降。 对于 QFP 元件，电线连接到封装的位置（见图 4）被认为是主要故障位置，而不是焊点 [15,22,38]。
板厚度对 SMT 元件的疲劳寿命有一定的影响，因为如果板厚度从 30mm 增加到 50mm（同时保持恒定的整体曲率），BGA 疲劳寿命会减少约 0,85-1,6 倍 [13] 。 元件引线的灵活性（顺应性）显着影响外围引线元件的可靠性[63]，然而，这是一个非线性关系，中间连接引线的可靠性最差。
8.4. 软件方法
马里兰大学高级生命周期工程中心 (CALCE) 提供用于计算印刷电路板振动和冲击响应的软件。 该软件（名为 CALCE PWA）具有一个用户界面，可以简化有限元模型的运行过程，并自动将响应计算输入到振动模型中。 没有使用任何假设来创建有限元响应模型，所使用的失效准则取自 Steinberg [61]（尽管 Barkers 方法 [48] 也有望实现）。 为了提供提高设备可靠性的一般建议，所描述的软件表现良好，特别是因为它同时考虑了热致应力并且需要最少的专业知识，但模型中故障准则的准确性尚未经过实验验证。
9、提高设备可靠性的方法
本节将讨论提高电子设备可靠性的项目后修改。 它们分为两类：一类改变 PCB 的边界条件，另一类增加阻尼。
边界条件修改的主要目的是减少印刷电路板的动态偏转，这可以通过加强肋、附加支撑或减少输入介质的振动来实现。 加强筋很有用，因为它们增加了固有频率，从而减少了动态偏转 [62]，这同样适用于添加额外的支撑 [3]，尽管支撑的位置也可以优化，如 JH Ong 和 Lim 的作品所示 [ 40]。 不幸的是，肋骨和支撑通常需要重新设计布局，因此最好在设计周期的早期考虑这些技术。 此外，应注意确保修改不会改变固有频率以匹配支撑结构的固有频率，因为这会适得其反。
添加绝缘层可以通过减少动态环境对设备的影响来提高产品的可靠性，并且可以被动或主动地实现。
被动方法通常简单且实施成本较低，例如使用电缆绝缘体[66]或使用形状记忆合金（SMA）的伪弹性特性[32]。 然而，众所周知，设计不当的隔离器实际上会增加响应。
有源方法在更宽的频率范围内提供更好的阻尼，通常以牺牲简单性和质量为代价，因此它们通常旨在提高非常敏感的精密仪器的精度，而不是防止损坏。 主动隔振包括电磁法[60]和压电法[18,43]。 与边界条件修正方法不同，阻尼修正的目的是降低电子设备的峰值谐振响应，而实际固有频率应仅略有变化。
与隔振一样，阻尼可以通过被动或主动方式实现，前者具有类似的设计简化，而后者则具有更大的复杂性和阻尼。
无源方法包括例如非常简单的方法，例如粘合材料，从而增加印刷电路板的阻尼[62]。 更复杂的方法包括粒子阻尼[68]和宽带动态吸收器的使用[25]。
主动振动控制通常通过使用粘合到印刷电路板表面的压电陶瓷元件来实现[1,45]。 强化方法的使用视具体情况而定，必须与其他方法一起仔细考虑。 将这些技术应用于未知是否存在可靠性问题的设备不一定会增加设计的成本和重量。 然而，如果设计经过批准的产品在测试过程中失败，那么应用结构强化技术可能比重新设计设备更快、更容易。
10. 开发方法的机会
本节详细介绍了改进电子设备可靠性预测的机会，尽管光电子学、纳米技术和封装技术的最新进展可能很快会限制这些建议的适用性。 四种主要的可靠性预测方法在器件设计时可能并未使用。 使此类方法更具吸引力的唯一因素是开发完全自动化、低成本的制造和测试技术，因为这将使所提出的设计能够以比目前更快的速度构建和测试，并且以最少的人力。
PoF方法还有很大的改进空间。 可以改进的主要领域是与整体设计过程的集成。 电子设备设计是一个迭代过程，只有与电子、制造和热工程以及结构设计领域的工程师合作，开发人员才能更接近最终结果。 同时自动解决其中一些问题的方法将减少设计迭代次数并节省大量时间，特别是在考虑部门间沟通量时。 PoF 方法的其他改进领域将分为响应预测类型和故障标准。
响应预测有两种可能的发展路径：要么更快、更详细的模型，要么改进、简化的模型。 随着功能日益强大的计算机处理器的出现，详细有限元模型的求解时间可以变得相当短，同时，由于现代软件，产品装配时间减少，最终最大限度地降低了人力资源成本。 简化的有限元方法也可以通过自动生成有限元模型的过程来改进，类似于为详细有限元方法提出的方法。 目前可用于此目的的自动软件（CALCE PWA），但该技术在实践中尚未得到很好的验证，并且所做的建模假设也是未知的。
计算不同简化方法中固有的不确定性将非常有用，可以实现有用的容错标准。
最后，用于向附加部件赋予增加的刚度的数据库或方法将是有用的，其中这些刚度增加可用于提高响应模型的准确性。 组件失效标准的创建取决于不同制造商的类似组件之间的细微差异，以及新封装类型的可能开发，因为用于确定失效标准的任何方法或数据库都必须考虑到这种可变性和变化。
一种解决方案是创建一种方法/软件，根据输入参数（例如引线和封装尺寸）自动构建详细的有限元模型。 此方法对于一般形状一致的元件（例如 SMT 或 DIP 元件）可能可行，但不适用于复杂的不规则元件（例如变压器、扼流圈或定制元件）。
随后的有限元模型可以求解应力，并结合材料失效数据（S-N 塑性曲线数据、断裂力学或类似数据）来计算部件寿命，尽管材料失效数据必须是高质量的。 有限元过程应与实际测试数据相关，最好是在尽可能广泛的配置范围内。
与直接实验室测试的替代方案相比，这种过程涉及的工作量相对较小，直接实验室测试必须在不同的 PCB 厚度、不同的负载强度和负载方向上执行统计上显着数量的测试，即使有数百种不同的组件类型可用于多种用途。板的类型。 就简单的实验室检测而言，可能有一种方法可以提高每次检测的价值。
如果有一种方法可以计算由于某些变量（例如 PCB 厚度或引线尺寸）变化而导致的应力相对增加，则随后可以估计组件寿命的变化。 这种方法可以使用有限元分析或分析方法来创建，最终产生一个根据现有故障数据计算故障标准的简单公式。
最终，预计将创建一种方法，结合所有可用的不同工具：有限元分析、测试数据、分析分析和统计方法，以利用有限的可用资源创建最准确的故障数据。 PoF 方法的所有单独元素都可以通过在过程中引入随机方法来改进，以考虑电子材料和制造阶段的可变性的影响。 这将使结果更加真实，也许会导致创建对变化更稳健的设备的过程，同时最大限度地减少产品退化（包括重量和成本）。
最终，此类改进甚至可以在设计过程中实时评估设备可靠性，立即提出更安全的组件选项、布局或其他建议，以提高可靠性，同时解决电磁干扰 (EMI)、热和工业等其他问题。
11。 结论
本文介绍了预测电子设备可靠性的复杂性，追踪了四种分析方法（监管文献、实验数据、测试数据和 PoF）的演变，从而对这些类型的方法进行了综合和比较。 参考方法仅适用于初步研究，实验数据方法仅在有大量且准确的时序数据可用时才有用，而测试数据方法对于设计鉴定测试至关重要，但对于优化设计来说却不够。
PoF 方法比之前的文献综述更详细地讨论，将研究分为预测标准和失败概率两类。 “响应预测”部分回顾了有关分布式属性、边界条件建模和有限元模型详细程度的文献。 响应预测方法的选择被证明是生成和求解有限元模型的精度和时间之间的权衡，再次强调了边界条件精度的重要性。 “故障标准”部分讨论了经验和分析故障标准；对于 SMT 技术，提供了模型和重型部件的审查。
经验方法仅适用于非常具体的情况，尽管它们提供了可靠性测试方法的良好示例，而分析方法具有更广泛的适用性，但实施起来更复杂。 简要讨论了现有的基于专用软件的失效分析方法。 最后，考虑可靠性预测方法可能发展的方向，提供对可靠性预测未来的影响。
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来源： habr.com