期刊：衝擊與振動 16 (2009) 45–59
作者：Robin Alastair Amy、Guglielmo S. Aglietti（電子郵件： [電子郵件保護]）和蓋·理查森
作者單位：英國南安普敦大學工程科學學院航太研究小組
薩裡衛星技術有限公司，英國薩里吉爾福德
版權所有 2009 Hindawi 出版公司。 這是一篇根據知識共享署名許可分發的開放獲取文章，允許在任何媒體上不受限制地使用、分發和複製，前提是正確引用了原始作品。
註解。 未來，預計所有現代電子設備都將具有越來越多的功能，同時保持承受衝擊和振動負載的能力。 由於電子設備複雜的反應和故障特性，預測可靠性的過程很困難，因此現有的方法是計算精度和成本之間的折衷。
可靠且快速地預測電子設備在動態負載下運作時的可靠性對於工業來說非常重要。 本文展示了預測電子設備可靠性時存在的問題，這些問題會降低結果的速度。 還應該考慮到，可靠性模型通常是考慮到許多類似組件的各種設備配置而建構的。 本文對四類可靠性預測方法（參考方法、測試數據、實驗數據和失效物理原因建模 - 失效物理）進行比較，以選擇使用一種或另一種方法的可能性。 值得注意的是，大多數電子設備故障都是由熱負載引起的，但本次審查重點在於運行過程中衝擊和振動引起的故障。
譯者註。 本文是對此主題的文獻綜述。 儘管它的歷史相對較長，但它很好地介紹了使用各種方法評估可靠性的問題。
1. 術語
BGA 球柵陣列。
DIP 雙列直插式處理器，有時稱為雙列直插式封裝。
FE 有限元素。
PGA 接腳網格陣列。
PCB印刷電路板，有時稱為PWB（印刷線板）。
PLCC 塑膠引線晶片載體。
PTH 鍍通孔，有時稱為引腳通孔。
QFP 四方扁平封裝 - 也稱為鷗翼型。
SMA 形狀記憶合金。
SMT 表面貼裝技術。
原作者註： 在本文中，術語「元件」是指可以焊接到印刷電路板上的特定電子元件，術語「封裝」是指積體電路的任何元件（通常是任何SMT或DIP元件）。 術語「附加組件」是指任何組合的印刷電路板或組件系統，強調附加組件具有其自身的品質和剛度。 （本文沒有討論晶體封裝及其對可靠性的影響，因此術語“封裝”可以進一步被理解為一種或另一種類型的“案例” - 近似翻譯。）
2.問題的陳述
施加在 PCB 上的衝擊和振動負載會對 PCB 基板、元件封裝、元件走線和焊點產生應力。 這些應力是由電路板的彎矩和元件的質量慣性共同造成的。 在最壞的情況下，這些應力可能會導致以下故障模式之一：PCB 分層、焊點故障、引線故障或元件封裝故障。 如果發生這些故障模式中的任何一種，設備很可能會完全故障。 運作期間遇到的故障模式取決於封裝類型、印刷電路板的特性以及彎矩和慣性力的頻率和幅度。 電子設備可靠度分析進展緩慢是由於需要考慮多種輸入因素和故障模式的組合。
本節的其餘部分將嘗試解釋同時考慮不同輸入因素的困難。
第一個需要考慮的複雜因素是現代電子產品中可用的封裝類型多種多樣，因為每種封裝可能會因不同的原因而失敗。 重型元件更容易受到慣性負載的影響，而 SMT 元件的響應更依賴電路板的曲率。 因此，由於這些基本差異，這些類型的組件根據品質或尺寸具有很大不同的故障標準。 市場上不斷出現的新組件進一步加劇了這個問題。 因此，任何提出的可靠性預測方法都必須適應新的組件，才能在未來實際應用。 印刷電路板對振動的反應由組件的剛度和質量決定，這會影響印刷電路板的局部響應。 眾所周知，最重或最大的組件會顯著改變電路板對安裝位置的振動的反應。 PCB 機械特性（楊氏模量和厚度）會以難以預測的方式影響可靠性。
較硬的PCB 可能會減少PCB 在負載下的整體響應時間，但同時，實際上可能會局部增加施加到組件上的彎矩（此外，從熱致故障的角度來看，實際上最好指定一個更硬的PCB）。相容的 PCB，因為這可以減少施加在封裝上的熱應力 - 作者註）。 施加在電池堆上的局部彎矩和慣性負載的頻率和振幅也會影響最可能的失效模式。 高頻低幅載重會導致結構疲勞失效，這可能是失效的主要原因（低/高循環疲勞，LCF是指以塑性變形為主的失效（N_f < 10^6），而HCF表示彈性變形故障，通常(N_f > 10^6 ) 故障[56] - 作者註）印刷電路板上元件的最終排列將決定故障原因，故障可能是由於慣性負載引起的單一組件的應力而發生或局部彎矩。 最後，還需要考慮人為因素和生產特性的影響，這增加了設備故障的可能性。
當考慮大量輸入因素及其複雜的相互作用時，為什麼尚未創建預測電子設備可靠性的有效方法就變得很清楚了。 作者推薦的有關此問題的文獻綜述之一發表在 IEEE [26] 中。 然而，這篇綜述主要關注可靠性模型的相當廣泛的分類，例如根據參考文獻、實驗數據、故障條件的電腦建模（物理故障可靠性（PoF））來預測可靠性的方法，並且不涉及故障由衝擊和振動引起的足夠詳細的資訊。 Foucher 等人 [17] 遵循與 IEEE 審查類似的大綱，重點強調熱故障。 先前對 PoF 方法的分析的簡潔性，尤其是應用於衝擊和振動故障時，值得進一步考慮。 AIAA 正在編制類似 IEEE 的審查，但目前審查的範圍尚不清楚。
3.可靠度預測方法的演變
最早的可靠性預測方法是在1960 世紀217 年代開發的，目前在MIL-HDBK-44F [217] 中進行了描述（Mil-Hdbk-1995F 是該方法的最新也是最終修訂版，於217 年發布-作者註）。電子設備故障資料庫，用於取得由某些組件組成的印刷電路板的平均使用壽命。 該方法被稱為根據參考文獻和規範文獻預測可靠性的方法。 儘管 Mil-Hdbk-42,50F 越來越過時，但參考方法至今仍在使用。 該方法的局限性和不準確性已被充分記錄[XNUMX]，從而導致了三類替代方法的發展：物理故障條件（PoF）的電腦建模、實驗數據和現場測試數據。
PoF 方法透過分析來預測可靠性，而不依賴先前收集的數據。 所有 PoF 方法都具有 Steinberg [62] 中描述的經典方法的兩個共同特徵：首先，尋求印刷電路闆對特定振動刺激的振動響應，然後測試振動暴露後各個組件的故障標準。 PoF 方法的一個重要進步是使用分佈式（平均）電路板屬性來快速產生印刷電路板的數學模型 [54]，這顯著降低了精確計算印刷電路板振動響應所花費的複雜性和時間。電路板（請參閱第8.1.3 節）。 PoF 技術的最新發展改進了表面貼裝技術 (SMT) 焊接元件的故障預測； 然而，除了 Barkers 方法 [59] 之外，這些新方法僅適用於非常特定的組件和印刷電路板組合。 對於變壓器或大電容器等大型元件，可用的方法非常少。
實驗數據方法提高了基於參考文獻的可靠性預測方法中使用的模型的品質和能力。 1999 年的一篇論文中描述了第一種基於實驗數據的電子設備可靠性預測方法，該方法使用HIRAP（霍尼韋爾在用可靠性評估程序）方法，該方法由霍尼韋爾公司創建[20]。 與使用參考文獻和規範文獻預測可靠性的方法相比，實驗數據方法具有許多優點。 最近，出現了許多類似的方法（REMM 和 TRACS [17]，還有 FIDES [16]）。 實驗數據的方法以及使用參考和規範文獻預測可靠性的方法不允許我們在評估可靠性時令人滿意地考慮電路板的佈局及其運行的操作環境。 這種缺陷可以透過使用設計相似的電路板或暴露於相似操作條件的電路板的故障資料來修正。
實驗數據方法取決於包含隨時間變化的崩潰數據的廣泛資料庫的可用性。 必須正確識別該資料庫中的每種故障類型並確定其根本原因。 這種可靠性評估方法適用於大量生產同類型設備、可以處理大量故障來評估可靠性的公司。
電子元件可靠性測試方法自 1970 年代中期以來一直在使用，通常分為加速測試和非加速測試。 基本方法是進行硬體測試運行，以盡可能真實地創建預期的操作環境。 測試一直進行到故障為止，可以預測 MTBF（平均故障間隔時間）。 如果估計MTBF很長，那麼可以透過加速測試來減少測試持續時間，這是透過增加運行環境因素並使用已知公式將加速測試中的故障率與加速測試中預期的故障率聯繫起來來實現的。手術。 這種測試對於高故障風險的組件至關重要，因為它為研究人員提供了最高水平的置信度數據，但是，由於研究的迭代時間較長，將其用於電路板設計優化是不切實際的。
快速回顧 1990 世紀 26 年代發表的工作表明，這是一個實驗數據、測試數據和 PoF 方法相互競爭以取代參考書中預測可靠性的過時方法的時期。 然而，每種方法都有其自身的優點和缺點，如果使用正確，會產生有價值的結果。 因此，IEEE 最近發布了一項標準 [102]，其中列出了當今使用的所有可靠性預測方法。 IEEE 的目標是編寫一份指南，為工程師提供所有可用方法以及每種方法固有的優缺點的資訊。 儘管 IEEE 方法仍處於長期演進的開始階段，但它似乎有自己的優點，因為 AIAA（美國航空航天學會）遵循它，推出了名為 S-27 的指南，該指南與 IEEE 類似，但也考慮了每種方法數據的相對質量[XNUMX]。 這些指南的目的只是匯集世界各地出版的有關這些主題的文獻中流傳的方法。
4.振動引起的故障
過去的大部分研究主要集中在作為 PCB 負載的隨機振動上，但以下研究專門關注與衝擊相關的故障。 這些方法不會在這裡充分討論，因為它們屬於 PoF 方法的分類，並在本文的 8.1 和 8.2 節中討論。 Heen 等人 [24] 創建了一個測試板來測試 BGA 焊點在受到衝擊時的完整性。 Lau 等人[36]描述了 PLCC、PQFP 和 QFP 元件在面內和麵外衝擊下的可靠性。 Pitarresi 等人 [53,55] 研究了由於衝擊負載導致的電腦主機板故障，並對描述衝擊負載下的電子設備的文獻進行了很好的回顧。 Steinberg [62]提供了受影響電子設備的設計和分析的完整章節，涵蓋如何預測衝擊環境以及如何確保電子元件的性能。 Sukhir [64,65]描述了印刷電路闆對施加到板緊固件的衝擊載荷的響應的線性計算中的誤差。 因此，參考和實驗數據方法可能會考慮與衝擊相關的設備故障，但這些方法隱含地描述了「衝擊」故障。
五、參考方法
在手冊中描述的所有可用方法中，我們將只考慮兩種考慮振動故障的方法：Mil-Hdbk-217 和 CNET [9]。 Mil-Hdbk-217 被大多數製造商接受為標準。 與所有手動和參考方法一樣，它們基於經驗方法，旨在根據實驗或實驗室數據預測組件可靠性。 參考文獻中描述的方法實施起來相對簡單，因為它們不需要複雜的數學建模，並且僅使用零件類型、零件數量、電路板的工作條件和其他易於存取的參數。 然後將輸入資料輸入模型以計算故障間隔時間 MTBF。 儘管有其優點，Mil-Hdbk-217 卻變得越來越不受歡迎 [12, 17,42,50,51]。 讓我們考慮一下對其適用性的限制的不完整清單。
- 數據越來越過時，最後一次更新是在 1995 年，與新組件無關，模型不可能被修改，因為國防標準改進委員會已決定讓該方法「自然消亡」[ 26]。
- 此方法不提供有關故障模式的信息，因此無法改進或最佳化 PCB 佈局。
- 這些模型假設故障與設計無關，忽略了 PCB 上元件的佈局，但眾所周知，元件佈局對故障機率有很大影響。 [50]。
- 收集的經驗數據包含許多不準確之處，數據來自第一代組件，由於運行時間、維修等的錯誤記錄，故障率異常高，這降低了可靠性預測結果的可靠性[51]。
所有這些缺點表明應避免使用參考方法，然而，在這些方法的可接受範圍內，必須執行技術規範的許多要求。 因此，只有在適當的情況下才應使用參考方法，即在設計的早期階段[46]。 不幸的是，即使這種使用也應該謹慎對待，因為這些類型的方法自 1995 年以來就沒有經過修訂。 因此，參考方法本質上無法很好地預測機械可靠性，應謹慎使用。
6. 測試資料方法
測試資料方法是可用的最簡單的可靠性預測方法。 所提出的印刷電路板設計的原型受到實驗室工作台上再現的環境振動的影響。 接下來，分析破壞參數（MTTF、衝擊譜），然後用於計算可靠性指標[26]。 應考慮其優點和缺點來使用測試資料方法。
測試資料方法的主要優點是結果的高精度和可靠性，因此對於故障風險高的設備，設計過程的最後階段應始終包括振動鑑定測試。 缺點是試件的製造、安裝和加載所需時間較長，不適合故障機率較高的設備的設計改進。 對於迭代產品設計流程，應考慮更快的方法。 如果有可靠的模型可用於後續計算實際使用壽命，則可以透過加速測試來減少負載暴露時間[70,71]。 然而，加速測試方法比振動故障更適合熱故障建模。 這是因為測試熱載荷對設備的影響比測試振動載荷的影響所需的時間更少。 振動的影響要經過很久後才會在產品上顯現出來。
因此，測試方法通常不用於振動故障，除非存在情有可原的情況，例如低電壓導致故障時間很長。 資料驗證方法的例子可以在 Hart [23]、Hin 等人的作品中看到。 [24]，李[37]，劉等人。 [36]、Shetty 等人 [57]、Liguore 和 Followell [40]、Estes 等人。 [15]，王等。 [67]，Jih 和 Jung [30]。 IEEE [26] 對此方法進行了很好的概述。
7 實驗數據方法
實驗數據方法是基於在指定操作條件下測試的類似印刷電路板的故障數據。 此方法僅適用於經歷類似負載的印刷電路板。 實驗數據方法有兩個主要面向：建立電子元件故障資料庫和基於所提出的設計實作此方法。 為了建立適當的資料庫，必須有從類似設計中收集的相關故障資料； 這意味著必須存在類似設備故障的資料。 還必須對故障的設備進行適當的分析和統計，僅說明給定的 PCB 設計在一定小時數後發生故障是不夠的，還必須確定故障的位置、故障模式和原因。 除非對先前所有的故障數據都進行了徹底的分析，否則需要很長時間的數據收集才能使用實驗數據方法。
解決此限制的一個可能的解決方法是實施高度加速生命週期測試（HALT），以快速建立故障率資料庫，儘管準確再現環境參數具有挑戰性但至關重要[27]。 實現實驗數據方法的第二階段的描述可以在[27]中閱讀，它展示瞭如果被測設計是透過修改已經存在詳細故障數據的現有電路板獲得的，如何預測提議設計的MTBF 。 不同作者在[11,17,20,26]中描述了對實驗數據方法的其他評論。
8. 故障條件的電腦模擬（PoF）
故障條件的電腦建模技術（也稱為應力和損壞模型或 PoF 模型）在兩步驟可靠性預測過程中實施。 第一階段包括搜尋印刷電路板對施加在其上的動態負載的響應；在第二階段，計算模型的響應以確保給定的可靠性指標。 大多數文獻通常致力於預測反應的方法和尋找失敗標準的過程。 獨立描述時最好理解這兩種方法，因此本次審查將分別考慮這兩個步驟。
在預測回應和搜尋故障標準的階段之間，在第一階段創建並在第二階段使用的資料集傳輸到模型中。 反應變數從使用底盤上的輸入加速度[15,36,37,67]，透過組件經歷的實際加速度來考慮不同PCB佈局的不同振動響應[40]，最後發展到考慮元件局部PCB 所經歷的局部偏移[62] 或局部彎矩[59]。
人們已經注意到，故障是印刷電路板上元件排列的函數[21,38]，因此包含局部振動響應的模型更有可能是準確的。 選擇哪個參數（局部加速度、局部撓度或彎矩）作為失效的決定因素取決於具體情況。
如果使用 SMT 元件，曲率或彎矩可能是導致失效的最重要因素；對於重型元件，通常使用局部加速度作為失效標準。 不幸的是，尚未進行任何研究來表明哪種類型的標準最適合給定的輸入資料集。
考慮所使用的任何 PoF 方法的適用性非常重要，因為使用沒有實驗室測試數據支持的任何 PoF 方法（分析法或 FE）都是不切實際的。 此外，重要的是僅在其適用範圍內使用任何模型，不幸的是，這限制了大多數當前 PoF 模型在非常具體和有限的條件下使用的適用性。 多位作者描述了 PoF 方法討論的好例子 [17,19,26,49]。
8.1. 回應預測
響應預測涉及使用結構的幾何形狀和材料特性來計算所需的響應變數。 此步驟預計僅可擷取底層 PCB 的整體回應，而不是單一元件的回應。 反應預測方法主要分為三種：解析的、詳細的有限元素模型和簡化的有限元素模型，如下所述。 這些方法著重於合併附加組件的剛度和質量效應，但重要的是不要忽視對 PCB 邊緣的旋轉剛度進行精確建模的重要性，因為這與模型精度密切相關（這將在第8.1.4 節） 。 如圖。 1.印刷電路板的詳細模型範例[53]。
8.1.1. 分析反應預測
Steinberg [62] 提供了計算印刷電路板振動反應的唯一分析方法。 史坦伯格指出，電子單元諧振時的振盪幅度等於諧振頻率平方根的兩倍； 該說法基於無法獲得的數據，無法得到證實。 這樣可以分析計算諧振時的動態偏轉，然後可以用它來計算重型零件的動態負載或印刷電路板的曲率。 此方法不直接產生局部 PCB 響應，僅與 Steinberg 描述的基於偏轉的失效準則相容。
基於幅度測量的傳遞函數分佈假設的有效性值得懷疑，因為 Pitarresi 等人 [53] 測量到計算機主機板的臨界衰減為 2%，而使用 Steinberg 的假設將給出 3,5%（基於固有頻率 54） Hz） ，這會導致電路闆對振動的反應被大大低估。
8.1.2. 詳細的有限元素模型
一些作者示範如何使用詳細的 FE 模型來計算印刷電路板的振動響應 [30,37,53, 57,58]（圖 1-3 顯示了更詳細的範例），但是這些模型的使用不建議將這些方法用於商業產品（除非僅準確預測局部響應不是絕對必要的），因為建立和求解此類模型所需的時間過長。 簡化的模型可以更快、成本更低地產生具有適當精度的資料。 透過使用 [4-33] 中發布的 JEDEC 35 彈簧常數可以減少構建和求解詳細 FE 模型所需的時間，這些彈簧常數可以用來代替每根導線的詳細 FE 模型。 此外，也可以採用子結構法（有時稱為超單元法）來減少求解詳細模型所需的計算時間。 應該注意的是，詳細的有限元素模型通常會模糊響應預測和失效準則之間的界限，因此此處引用的工作也可能屬於包含失效準則的工作清單。
8.1.3. 分散式有限元素模型
簡化的有限元素模型減少了模型創建和求解時間。 增加的組件質量及其剛度可以通過簡單地模擬質量和剛度增加的空 PCB 來表示，其中通過局部增加 PCB 的楊氏模量來合併質量和剛度的影響。
如圖。 2. 使用對稱性簡化建模過程並減少求解時間的 QFP 元件詳細模型範例 [36]。 如圖。 3. J-lead 的詳細有限元素模型範例 [6]。
剛度增強係數可以透過物理切割附著構件並應用彎曲測試方法來計算[52]。 皮塔雷西等人。 [52,54]檢查了連接到印刷電路板的組件所提供的附加品質和剛度的簡化效果。
第一篇論文研究了印刷電路板簡化有限元素模型的單一案例，並根據實驗數據進行了驗證。 本文感興趣的主要領域是確定分佈特性，但需要注意的是，精確的模型需要高精度的扭轉剛度。
第二篇文章著眼於五種不同填充的 PCB，每種 PCB 都對其成分進行了幾種不同程度的簡化。 將這些模型與實驗數據進行比較。 本文最後對質量剛度比與模型精度之間的相關性進行了一些啟發性的觀察。 這兩篇論文都僅使用固有頻率和 MEC（模態保證標準）來確定兩個模型之間的相關性。 不幸的是，固有頻率的誤差無法提供有關局部加速度或彎矩誤差的任何信息，而MKO只能給出兩個固有模態之間的整體相關性，而不能用於計算加速度或曲率的百分比誤差。 Cifuentes [10] 結合數值分析和電腦模擬，提出了以下四個觀察結果。
- 模擬模態必須包含至少 90% 的振動質量才能進行準確分析。
- 在電路板的偏差與其厚度相當的情況下，非線性分析可能比線性分析更適合。
- 元件放置中的小錯誤可能會導致反應測量中的大錯誤。
- 響應測量精度對質量誤差比對剛度誤差更敏感。
8.1.4. 邊境條件
PCB 邊緣旋轉剛度係數對計算響應的準確性有重大影響 [59]，並且根據具體配置，其比添加的組件品質和剛度更重要。 將旋轉邊緣剛度建模為零（本質上只是支撐條件）通常會產生保守的結果，而建模為緊密夾緊通常會低估結果，因為即使是最硬的PCB 夾緊機構也無法確保完全夾緊的邊緣條件。 Barker 和 Chen [5] 以實驗結果驗證了分析理論，以顯示邊緣旋轉剛度如何影響 PCB 的固有頻率。 這項工作的主要發現是邊緣旋轉剛度和固有頻率之間存在很強的相關性，與理論一致。 這也意味著邊緣旋轉剛度建模中的大誤差將導致響應預測中的大誤差。 儘管這項工作是在特定情況下考慮的，但它適用於對所有類型的邊界條件機制進行建模。 使用 Lim 等人的實驗數據。 [41] 給出如何在 PCB 模型中使用 FE 來計算邊緣旋轉剛度的範例； 這是使用 Barker 和 Chen [5] 改編的方法實現的。 這項工作還展示瞭如何確定結構中任意點的最佳位置以最大化固有頻率。 郭和趙 [21] 也特別考慮了修改邊界條件以減少振動反應的效果； 阿列蒂[2]； Aglietti 和 Schwingshackl [3]，Lim 等人。 [41]。
8.1.5. 衝擊和振動影響預測
皮塔雷西等人。 [53-55]使用 PCB 的詳細 FE 模型來預測具有以 3D 塊表示的組件的電路板的衝擊和振動響應。 這些模型使用實驗確定的恆定阻尼比來改善共振響應的預測。 對衝擊響應譜（SRS）和時間掃描方法進行了衝擊響應預測的比較，這兩種方法都是準確性和解決時間之間的權衡。
8.2. 拒絕標準
故障標準衡量 PCB 的回應，並用它來導出故障指標，其中故障指標可以是平均故障間隔時間 (MTBF)、故障週期、無故障運行機率或任何其他可靠性指標（請參閱IEEE [26]；Jensen[ 28] 47]；O'Connor [XNUMX] 有關故障指標的討論）。 產生這些數據的許多不同方法可以方便地分為分析方法和經驗方法。 經驗方法透過將部件的測試樣本載入到所需的動態載荷來產生失效標準數據。 不幸的是，由於實務中可能輸入的資料範圍廣泛（元件類型、PCB 厚度和負載），已發布的資料不太可能直接適用，因為這些資料僅在非常特殊的情況下有效。 分析方法沒有這些缺點並且具有更廣泛的適用性。
8.2.1. 經驗失效準則
如前所述，大多數經驗模型的限制在於它們僅適用於涉及相同 PCB 厚度、相似元件類型和輸入負載的配置，而這是不可能的。 然而，現有文獻由於以下原因很有用：它提供了執行故障測試的良好範例，突出顯示了故障度量的不同選項，並提供了有關故障機制的有價值的資訊。 Li [37] 創建了一個經驗模型來預測 272 引腳 BGA 和 160 引腳 QFP 封裝的可靠性。 研究了導體和封裝體中的疲勞損壞，實驗結果與使用詳細的有限元素模型計算的基於應力的損壞分析非常吻合（另請參見 Li 和 Poglitsch [38,39]）。 對於振動輸入訊號的給定振動加速度水平，該過程會產生累積損壞。
Lau 等人 [36] 使用威布爾統計量評估了特定組件在衝擊和振動負載下的可靠性。 Liguore 和 Followell [40] 透過改變整個服務週期的局部加速度來檢查 LLCC 和 J-lead 組件的故障。 使用局部加速度而不是底盤輸入加速度，並研究了溫度對測試結果的影響。 文章也參考了PCB厚度對元件可靠性影響的研究。
郭和趙[21]比較了使用局部扭轉曲率作為載荷時零件的可靠性，與先前使用加速度的研究形成鮮明對比。 對疲勞損傷進行了模擬，然後將有限元素模型與實驗結果進行了比較。 本文也討論了優化元件佈局以提高可靠性。
Ham 和 Lee [22] 提出了一種測試資料方法，用於確定循環扭轉載荷下的鉛焊料應力問題。 Estes 等人 [15] 考慮了鷗翼組件 (GOST IEC 61188-5-5-2013) 在施加輸入加速度和熱負載的情況下的故障問題。 研究的元件是晶片封裝類型 CQFP 352、208、196、84 和 28，以及 FP 42 和 10。本文專門討論由於地球靜止地球衛星軌道波動而導致的電子元件故障，時間故障之間的間隔以對地靜止軌道或近地軌道上的飛行年數給出。 值得注意的是，鷗翼線的故障更可能出現在與封裝體接觸的位置處，而不是焊點。
Jih 和 Jung [30] 考慮了焊點固有製造缺陷所導致的設備故障。 這是透過建立非常詳細的 PCB 有限元素模型並尋找不同製造裂紋長度的功率譜密度 (PSD) 來完成的。 Ligyore、Followell [40] 和 Shetty、Reinikainen [58] 認為，經驗方法可以為特定的連接組件配置產生最準確、最有用的故障資料。 如果某些輸入資料（板厚度、元件類型、曲率範圍）可以在整個設計中保持恆定，或者如果使用者有能力執行此類實際測試，則可以使用這些方法。
8.2.2. 分析失效準則
角接SMT型號
研究 SMT 角引腳故障的各種研究人員表明，這是最常見的故障原因。 Sidharth 和 Barker [59] 的論文提出一個用於確定 SMT 角引線和環引線元件應變的模型來完成早期的系列論文。 與六種最壞情況下的詳細 FE 模型相比，所提出的模型的誤差小於 7%。 該模型基於 Barker 和 Sidharth 先前發布的公式 [4]，其中對承受彎矩的連接部件的偏轉進行了建模。 Sukhir [63] 的論文分析了由於局部施加的彎矩而在封裝端子中預期的應力。 Barker 和 Sidharth [4] 以 Sukhir [63]、Barker 等人 [4] 的工作為基礎，考慮了主導旋轉剛度的影響。 最後，Barker 等人 [7] 使用詳細的有限元素模型來研究鉛的大小變化對鉛疲勞壽命的影響。
這裡值得一提的是 JEDEC 引線彈簧常數的工作，它大大簡化了引線元件模型的創建 [33-35]。 可以使用彈簧常數代替引線連接的詳細模型；模型中建構和求解有限元素模型所需的時間將減少。 在組件有限元素模型中使用此類常數將妨礙直接計算局部引線應力。 相反，將給出總體引線應變，然後該應變應與基於產品生命週期的局部引線應力或引線失效標準相關。
材料疲勞數據
大多數有關焊料和元件材料失效的數據主要與熱失效有關，與疲勞失效相關的數據相對較少。 Sandor [56] 提供了該領域的主要參考文獻，他提供了焊料合金疲勞和失效力學的數據。 Steinberg [62] 考慮了焊料樣品的失效。 標準焊料和電線的疲勞數據可在 Yamada 的論文 [69] 中找到。
如圖。 4. QFP 裝置說明書上的常見故障位置是靠近封裝體。
由於這種材料的不尋常特性，對與焊料脫粘相關的故障進行建模具有挑戰性。 這個問題的解決方案取決於需要測試的組件。 眾所周知，對於 QFP 封裝，通常不考慮這一點，而是使用參考文獻來評估可靠性。 但如果計算大型BGA和PGA元件的焊接，那麼引線連接由於其不尋常的特性，可能會影響產品的故障。 因此，對於 QFP 封裝，引線疲勞特性是最有用的資訊。 對於 BGA，有關焊點承受瞬時塑性變形的耐久性的資訊更有用 [14]。 對於較大的元件，Steinberg [62] 提供了焊點拉出電壓資料。
重型零件故障模型
Steinberg [62] 的一篇論文提出了重型部件存在的唯一失效模型，該論文檢查了部件的拉伸強度，並給出瞭如何計算可應用於引線連接的最大允許應力的示例
8.3. PoF模型適用性結論
關於 PoF 方法的文獻得出以下結論。
本地響應對於預測組件故障至關重要。 如 Li, Poglitsch [38] 中所指出的，由於彎曲的局部差異，位於 PCB 邊緣的組件比位於 PCB 中心的組件更不容易發生故障。 因此，PCB 上不同位置的元件將有不同的故障機率。
對於 SMT 元件來說，局部板曲率被認為是比加速度更重要的失效準則。 最近的工作[38,57,62,67]顯示板曲率是主要的失效準則。
無論具體的本地環境如何，不同類型的封裝，無論是引腳數量還是使用的類型，本質上都比其他封裝更可靠[15,36,38]。
溫度會影響元件的可靠性。 Liguore 和 Followell [40] 指出，疲勞壽命在 0°C 至 65°C 的溫度範圍內最高，在低於 -30°C 和高於 95°C 的溫度下顯著下降。 對於 QFP 元件，電線連接到封裝的位置（見圖 4）被視為主要故障位置，而不是焊點 [15,22,38]。
板厚度對 SMT 元件的疲勞壽命有一定的影響，因為如果板厚度從 30mm 增加到 50mm（同時保持恆定的整體曲率），BGA 疲勞壽命會減少約 0,85-1,6 倍 [13] 。 元件引線的彈性（順應性）顯著影響外圍引線元件的可靠性[63]，然而，這是一個非線性關係，中間連接引線的可靠性最差。
8.4. 軟體方法
馬裡蘭大學高級生命週期工程中心 (CALCE) 提供用於計算印刷電路板振動和衝擊響應的軟體。 該軟體（名為 CALCE PWA）具有一個使用者介面，可簡化有限元素模型的運行過程，並自動將響應計算輸入到振動模型中。 沒有使用任何假設來建立有限元素反應模型，所使用的失效準則取自 Steinberg [61]（儘管 Barkers 方法 [48] 也有望實現）。 為了提供提高設備可靠性的一般建議，所描述的軟體表現良好，特別是因為它同時考慮了熱致應力並且需要最少的專業知識，但模型中故障準則的準確性尚未經過實驗驗證。
9.提高設備可靠性的方法
本節將討論提高電子設備可靠性的項目後修改。 它們分為兩類：一類改變 PCB 的邊界條件，另一類增加阻尼。
邊界條件修改的主要目的是減少印刷電路板的動態偏轉，這可以透過加強肋、附加支撐或減少輸入介質的振動來實現。 加強筋很有用，因為它們增加了固有頻率，從而減少了動態偏轉[62]，這同樣適用於添加額外的支撐[3]，儘管支撐的位置也可以優化，如JH Ong 和Lim 的作品所示[ 40]。 不幸的是，肋骨和支撐通常需要重新設計佈局，因此最好在設計週期的早期考慮這些技術。 此外，應注意確保修改不會改變固有頻率以匹配支撐結構的固有頻率，因為這會適得其反。
添加絕緣層可以透過減少動態環境對設備的影響來提高產品的可靠性，並且可以被動或主動地實現。
被動方法通常簡單且實施成本較低，例如使用電纜絕緣體[66]或使用形狀記憶合金（SMA）的偽彈性特性[32]。 然而，眾所周知，設計不當的隔離器實際上會增加反應。
主動方法在更寬的頻率範圍內提供更好的阻尼，通常以犧牲簡單性和品質為代價，因此它們通常旨在提高非常敏感的精密儀器的精度，而不是防止損壞。 主動隔振包括電磁法[60]和壓電法[18,43]。 與邊界條件修正方法不同，阻尼修正的目的是降低電子設備的峰值諧振響應，而實際固有頻率應僅略有變化。
與隔振一樣，阻尼可以透過被動或主動方式實現，前者俱有類似的設計簡化，而後者則具有更大的複雜性和阻尼。
被動方法包括例如非常簡單的方法，例如黏合材料，從而增加印刷電路板的阻尼[62]。 更複雜的方法包括粒子阻尼[68]和寬頻動態吸收器的使用[25]。
主動振動控制通常透過使用黏合到印刷電路板表面的壓電陶瓷元件來實現[1,45]。 強化方法的使用視具體情況而定，必須與其他方法一起仔細考慮。 將這些技術應用於未知是否有可靠性問題的設備不一定會增加設計的成本和重量。 然而，如果設計經過批准的產品在測試過程中失敗，那麼應用結構強化技術可能比重新設計設備更快、更容易。
10. 開發方法的機會
本節詳細介紹了改進電子設備可靠性預測的機會，儘管光電子學、奈米技術和封裝技術的最新進展可能很快就會限制這些建議的適用性。 四種主要的可靠性預測方法在裝置設計時可能並未使用。 使此類方法更具吸引力的唯一因素是開發完全自動化、低成本的製造和測試技術，因為這將使所提出的設計能夠以比目前更快的速度建造和測試，並且以最少的人力。
PoF方法還有很大的進步空間。 可以改進的主要領域是與整體設計流程的整合。 電子設備設計是一個迭代過程，只有與電子、製造和熱工程以及結構設計領域的工程師合作，開發人員才能更接近最終結果。 同時自動解決其中一些問題的方法將減少設計迭代次數並節省大量時間，特別是在考慮部門間溝通量時。 PoF 方法的其他改進領域將分為回應預測類型和故障標準。
反應預測有兩種可能的發展路徑：要麼更快、更詳細的模型，要麼改進、簡化的模型。 隨著功能日益強大的電腦處理器的出現，詳細有限元素模型的求解時間可以變得相當短，同時，由於現代軟體，產品組裝時間減少，最終最大限度地降低了人力資源成本。 簡化的有限元素方法也可以透過自動產生有限元素模型的過程來改進，類似於為詳細有限元素方法提出的方法。 目前可用於此目的的自動軟體（CALCE PWA），但該技術在實踐中尚未得到很好的驗證，並且所做的建模假設也是未知的。
計算不同簡化方法中固有的不確定性將非常有用，並且可以實現有用的容錯標準。
最後，用於向附加部件賦予增加的剛度的資料庫或方法將是有用的，其中這些剛度增加可用於提高響應模型的準確性。 組件失效標準的創建取決於不同製造商的類似組件之間的細微差異，以及新封裝類型的可能開發，因為用於確定失效標準的任何方法或資料庫都必須考慮到這種可變性和變化。
一種解決方案是創建一種方法/軟體，根據輸入參數（例如引線和封裝尺寸）自動建立詳細的有限元素模型。 此方法對於一般形狀一致的元件（例如 SMT 或 DIP 元件）可能可行，但不適用於複雜的不規則元件（例如變壓器、扼流圈或客製化元件）。
隨後的有限元素模型可以求解應力，並結合材料失效資料（S-N 塑性曲線資料、斷裂力學或類似資料）來計算零件壽命，儘管材料失效資料必須是高品質的。 有限元素過程應與實際測試資料相關，最好是在盡可能廣泛的配置範圍內。
與直接實驗室測試的替代方案相比，這種過程涉及的工作量相對較小，直接實驗室測試必須在不同的PCB 厚度、不同的負載強度和負載方向上執行統計上顯著數量的測試，即使有數百種不同的組件類型可用於多種用途。板的類型。 就簡單的實驗室檢測而言，可能有一種方法可以提高每次檢測的價值。
如果有一種方法可以計算由於某些變數（例如 PCB 厚度或引線尺寸）變化而導致的應力相對增加，則隨後可以估計組件壽命的變化。 這種方法可以使用有限元素分析或分析方法來創建，最終產生一個根據現有故障資料計算故障標準的簡單公式。
最終，預計將創建一種方法，結合所有可用的不同工具：有限元素分析、測試數據、分析分析和統計方法，以利用有限的可用資源來創建最準確的故障數據。 PoF 方法的所有單獨元素都可以透過在流程中引入隨機方法來改進，以考慮電子材料和製造階段的可變性的影響。 這將使結果更加真實，也許會導致創建對變化更穩健的設備的過程，同時最大限度地減少產品退化（包括重量和成本）。
最終，此類改進甚至可以在設計過程中即時評估設備可靠性，立即提出更安全的組件選項、佈局或其他建議，以提高可靠性，同時解決電磁幹擾 (EMI)、熱和工業等其他問題。
11.Заключение
本文介紹了預測電子設備可靠性的複雜性，追蹤了四種分析方法（監管文獻、實驗數據、測試數據和 PoF）的演變，從而對這些類型的方法進行了綜合和比較。 參考方法僅適用於初步研究，實驗數據方法僅在有大量且準確的時序數據可用時才有用，而測試數據方法對於設計鑑定測試至關重要，但對於優化設計來說卻不夠。
PoF 方法比先前的文獻回顧更詳細地討論，將研究分為預測標準和失敗機率兩類。 「反應預測」部分回顧了有關分散式屬性、邊界條件建模和有限元素模型詳細程度的文獻。 響應預測方法的選擇被證明是產生和求解有限元素模型的精確度和時間之間的權衡，再次強調了邊界條件精確度的重要性。 「故障標準」部分討論了經驗和分析故障標準；對於 SMT 技術，提供了模型和重型部件的審查。
經驗方法僅適用於非常具體的情況，儘管它們提供了可靠性測試方法的良好範例，而分析方法具有更廣泛的適用性，但實施起來更複雜。 簡要討論了現有的基於專用軟體的失效分析方法。 最後，考慮可靠性預測方法可能發展的方向，提供對可靠性預測未來的影響。
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來源： www.habr.com