一种基于失效物理的器件级产品多应力强化试验剖面确定方法与流程

本发明涉及一种器件级产品的多应力强化试验剖面确定方法，主要基于失效物理方法评价方法，进行试验类型的选择和试验剖面参数量值的确定，有效发现产品的薄弱环节，属于元器件可靠性试验
技术领域：
。(二)
背景技术：
：目前，在航空航天等高可靠性领域，器件级产品的故障是设备级产品乃至系统级产品失效的主要因素。基于这样的背景，提高器件级产品的可靠性尤为重要。环境与可靠性试验是提高器件级产品质量和可靠性的必要手段，并且根据相关的技术规范或技术条件制定的。可靠性试验剖面的依据是根据器件级产品的正常使用环境和部分极端使用环境组合设计的。通过试验的手段激发器件级产品故障，发现产品的薄弱环节，再通过设计提高产品可靠性。本发明涉及的多应力强化试验剖面确定方法是加速试验技术中的强化试验。通过提升器件级产品试验的环境应力(高温、低温、振动、湿热)以及电应力，可以在短时间内发现产品的功能和性能的薄弱环节，进而改进技术，提高可靠性。目前类似试验存在这样的问题。所研究的领域缺乏多应力强化试验剖面方法具体可执行的试验方法和技术依据。多应力强化试验的开展中应力的选取往往完全依靠判断和特定使用环境确定，传统的确定方法缺乏对不同应力敏感性的定量评价，无法合理确定多应力试验的应力类型叠加。对试验条件的设置和试验应力的选择往往依靠试验人员的经验，具有很大的随机性。因此，针对器件级产品多应力强化试验采用剖面参数优化设计方法，并对试验剖面进行设计优化，得到一种器件级产品的多应力强化试验剖面方法，有效进行器件级产品失效物理评价，可以有效试验具有更高的试验效率和更低的试验成本。(三)技术实现要素：1、目的：本发明是为解决如何设计多应力强化试验剖面方法，发现产品功能和性能的薄弱环节，降低试验成本的技术问题。基于失效物理仿真进行剖面参数设计优化，通过研究制定更有针对性各具有更高试验效率的试验剖面，取得更好的试验效果。从而得到一种器件级产品的多应力强化试验剖面确定方法。2、技术方案：为解决上述的技术问题，本发明提供了一种器件级产品的多应力强化试验剖面确定方法，它包括以下步骤：步骤一：结合失效案例采用元器件fmea的方法确定产品薄弱环节，并结合专家打分法确定应力类型。步骤二：参考强化试验规范，确定器件级产品各试验应力剖面的参数及其取值水平；步骤三：利用正交试验方法，确定器件级产品强化试验应力剖面的多参数、多水平正交试验表；步骤四：利用失效物理方法，计算器件级产品不同组试验剖面条件下的损伤率；步骤五：对比不同试验剖面条件下的损伤率，确定最优的器件级产品多应力强化试验剖面。其中，步骤一依据gjb/z-1391-2006故障模式、影响及危害性分析指南,运用fmea分析技术对元器件失效模式和薄弱环节进行分析。为寻找器件级产品薄弱环节，采用工艺fmea分析技术进行分析，依据gjb/z-1391-2006故障判据，确定器件级产品的严酷度类别及定义。对不同应力导致元器件失效的严酷度的等级进行分类、评分，严酷度等级的分类以及评分如表1所示。表1器件级产品严酷度划分标准预计元器件的工作故障失效率应考虑到质量等级、应力水平、环境条件等因素对失效的影响，还应考虑到不同任务剖面下的工作方式、工作时间、主要功能等因素。在分析过程中，基于目的，我们更关注fmea约定层次中的“最低约定次”即器件级分析。在具体实施过程中，首先对初始约定层次的产品(一般为元器件)进行分析，分清元器件的来源即国产元器件还是进口元器件，gjb/z-299c-2006《电子设备可靠性预计手册》中规定国产和进口的元器件采用标准不同。其次根据要求列出所有可能的失效模式，确定失效机理对应的应力及应力组合(例如温度、电、振动、湿度应力等)，并进行归类处理，最终得到fmea工作表。根据fnea故障模式，确定各种故障模式的发生概率。当缺乏故障数据是，通常采用定性分析方法，需要评定故障发生概率的等级，但由于各个机构对故障模式概率等级划分标准不同，较难进行判断，因此在实际应用中不采用相对数值确定，而采用绝对数值定义故障发生概率。绝对数值定义故障概率等级见表2。表2故障模式发生概率等级(opr)的评分准则opr评分等级故障模式发生的可能性故障模式发生概率pm参考范围1,2低pm≤10-63,4,5,中10-6≤pm≤10-46,7,8较高10-4≤pm≤10-29,10高pm＞10-2根据“专家打分法”确定应力类型。根据元器件失效类型和薄弱环节，由专家设定综合评价指标体系，建立器件级产品试验应力选取评价流程，专家根据故障发生概率进行评分，针对元器件失效机理的严酷度进行打分，量化评价结果，如表3所示。表3典型失效机理/模式fmea及评分结果(示例)基于fmea分析结果计算出应力或应力组合。具体计算方法如下。故障模式的rpn等于该故障模式的严酷度等级(esr)和故障模式的发生概率等级(opr)的乘积，其表达式如下。rpn＝esr×opr式中：rpn数越高，则其危害性越大，其中esr和opr的评分准则如下：a)esr评分准则：esr是评定某个故障模式的最终影响的程度。表1给出了esr的评分准则。在分析中该评分准则由专家综合所分析产品的实际情况尽可能的详细规定。b)opr评分准则：opr是评定某个故障模式实际发生的可能性。表2给出了opr的评分准则，表中“故障模式发生概率pm参考范围”是对应各评分等级给出的预计该故障模式在产品的寿命周期内发生的概率，该值在具体应用中可以视情定义。从而得到应力或应力组合的风险优先数评分数值，将同一应力或应力组合的数值求和，即rpn＝∑rpni。按照其数值有高到底排列，选择风险优先数，所对应的应力或应力组合就是该元器件的试验应力类型。以器件工作中最经常承受的温度，湿度，振动以及电应力四种应力作为评价对象进行说明。根据元器件fmea分析方法，在不同失效类型因素权重相同的前提下，对rpn评价结果可能存在的所有情况进行计算，可以得到应力敏感类型的顺序，较合理的描述应力或应力组合的敏感性程度。其中，步骤二中的试验应力剖面的参数是指各试验应力下的试验要素，这些剖面参数的设置取值即为试验所确定应力施加量值。合理的试验应力施加值是多应力强化试验成功与否的关键。依照现行标准gb/t-29309-2012电子电工产品高加速寿命试验(halt)建立敏感应力及应力组合的应力因素及其高低水平表，初步制定各应力因素环境剖面，根据gjb/z-299电子设备可靠性预计手册，不同环境应力对元器件失效率影响的调整系数，并根据元器件应力分析可靠性预计方法来设置试验所确定应力施加量值。针对器件级产品的敏感应力或应力组合，可以开展摸底实验，验证敏感应力的工作极限。如表4所示为四种应力的剖面参数和高低水平举例。表4不同剖面参数水平表附注1：th表示额定最高温度，th’表示摸底试验得到的破坏极限附注2：tl表示额定最低温度，tl’表示摸底试验得到的破坏极限附注3：vh表示额定工作电压，vh’表示摸底试验得到的破坏极限附注4：gh’表示随机振动破坏极限其中，步骤三中利用正交试验的方法针对多剖面参数多水平取值进行分析，实验次数少，分析简便。由于本强化试验有多剖面参数(主要涉及温度、振动、电应力、湿度)，并且每个剖面参数的因素水平数涉及到多个，因此在利用正交试验进行分析时，需要考虑到多因素多水平试验设计，因此存在两种情况。一种是各个因素水平数相等的情况，可以设计正交试验因素水平表，以达到“均匀分散性，整齐可比”的效果；另外一种各因素水平数不完全相等的情况，可以设计混合水平正交试验表，或者采用拟水平法将水平少的因素归入水平多的因素正交表中。另外，对于有交互作用的因素，例如温度应力影响电应力的变化，并且同时联合搭配对试验指标有影响，各因素及各交互作用不能任意安排(例如温度应力和机械应力的交互作用)，需严格按照交互作用列表进行配列，可记做因素a和因素b的交互作用为a×b，根据水平及需要考察的交互作用的多少选择l表。具体正交试验表可根据表5进行选择。根据正交试验特点利用仿真评价的方法可以快速实现对多因素多水平取值的分析优化。表5正交试验选择示意表说明：n为实验次数，即正交表行数，t为因素水平数，q为最多安排的因素数。其中，步骤四为体现不同因素对缺陷激发能力的影响，通过进行失效物理仿真研究，依据仿真结果对试验方案进行评价，确定试验的关键因素以及优化的强化试剖面以开展试验。失效物理模型描述了产品失效与工作中受到温度、电、机械、化学等应力的影响过程。目前器件级产品研究与应用中进展较大的失效物理模型主要包括芯片疲劳断裂、栅氧化层经时击穿、芯片粘接层疲劳失效、键合线弯曲疲劳失效、焊盘疲劳失效、电迁移、金属间金铝化合物、焊点热疲劳、随机振动疲劳、冲击振动、腐蚀等。目前主流的失效物理仿真软件calce中针对器件级产品常用失效物理模型如表6所示。模型选取首先根据所确定的敏感应力类型进行选取，其次根据应力类型和产品结构最后确定评价选用的失效物理模型开展仿真。表6失效物理模型表失效物理模型确定方法。由于失效物理仿真中需要输入芯片温度等参数，首先可对所设计正交试验方案进行温度加电的有限元仿真，得到在该试验剖面下器件与芯片的应力分布，将应力分布结果输入失效物理仿真软件calce中，得到不同剖面在不同失效机理作用下器件的失效前时间的评价。对评价结果，依据miner线性累积损伤理论，进行线性累积，通过不同应力类型和不同应力水平造成的损伤进行线性累积的方式，实现不同应力对于器件综合作用的评价。最后，计算得到不同剖面下的累积损伤比，对不同剖面下产品的累积损伤比进行对比得到最优的剖面，对正交试验的剖面进行评价分析还可得到试验中影响试验的关键因素，最终制定效果更优的试验方案。miner理论损伤累积理论，认为损伤的产生与工作环境的不同无关，各种应力类型和应力水平下产生的对产品的损伤都可以通过线性累积的方式叠加，认为不同应力的每个应力循环都会产生一些损伤。其数学表达式如下式：式中，ni表示第i组剖面的施加时间；nij表示第i组剖面下，第j种失效机理下的失效前时间；ri即为miner累积损伤比。针对正交试验方案中的不同剖面，将器件失效物理仿真的结果，依据miner线性累积损伤理论，进行线性累积。并依据累积结果对试验剖面进行评价。通过失效物理仿真与线性累积损伤分析可以得到正交试验的评价结果，既各试验剖面的累积损伤比。其中，步骤五为试验剖面损伤率的分析。在对试验剖面的分析中，累积损伤比越高代表着该剖面下对器件的缺陷激发能力更强，即为望大特性，希望其累积损伤比越大越好。对试验结果运用两种分析方法相结合的方式，即一是直观分析法，二是极差分析法。首先，运用直观分析法将对各剖面的仿真结果进行直观比较排序，找到望大特性最好，既累积损伤比最高的剖面，认为这一剖面在强化试验中效率最高，激发产品潜在缺陷的能力最强，因此将依据最优正交试验剖面进行多应力强化试验。其次，运用极差分析法通过计算同一因素不同水平取值的极差，然后比较不同因素的极差值，在强化试验中应用的是加大的应力，因此分析中重点关注各剖面参数的高水平取值。通过极差分析可以找到影响试验的关键因素，进而寻找更优的试验方案。极差分析为利用每一个因素的高水平取值试验组的累积损伤比之和减去低水平取值试验组的累积损伤比之和，极差最大的两个因素即为试验中的关键因素。极差计算公式如下式：式中表示第i个因素的试验极差，∑hi表示第i个因素的高水平取值下累积损伤比之和，∑li表示第i个因素的低水平取值下累积损伤比之和。对正交试验结果同时采用不同剖面的直观分析法和对不同剖面参数的极差分析法，依次制定基于直观分析法的最优剖面和基于极差分析法的试验关键因素最优剖面，针对这两个优化的剖面有针对性的开展强化试验的研究。进而确定最优的强化试验剖面，制定元器件在温度、振动、湿度、电等常规应力及其他应力组合下的强化试验方案。(四)附图说明：图1是本发明的实施步骤流程示意图，图2剖面5的仿真结果，图3温度循环加电强化试验剖面，图4高温加电强化试验剖面。(五)具体实施方式：下面结合具体的实施案例，对本发明所述的针对具体电子产品多应力可靠性强化试验中剖面参数的优化分析进行详细说明。案例：应用于某型国产a/d转换器本发明以某型号国产a/d转换器为例，说明器件级产品的多应力强化试验剖面确定方法。步骤一：首先结合失效案例采用元器件fmeca的方法确定产品薄弱环节。依据gjb/z-1391-2006故障判据，确定国产a/d转换器严酷度。采用工艺fmeca分析技术进行分析，得到fmeca工作表。如表7所示表7典型失效机理/模式fmea及评分结果其次结合专家打分法确定应力类型。根据国产a/d转换器故障模式的严酷度等级(esr)和故障模式的发生概率等级(opr)评分标准，确定故障模式的rpn的权重。运用公式进行计算，可得应力敏感性依次代表：温度、电应力、湿度、振动的敏感性参数。最终确定某国产a/d转换器的敏感应力或应力组合，如表8所示。表8确定某国产a/d转换器敏感应力或应力组合按照所确定应力试验类型，我们针对最主要的应力类型进行试验。使用正交试验的方法对温度与电应力综合试验方法及不同试验条件对器件性能的影响开展研究。综合试验的相关参数包括：最高温度、最低温度、高低温沉浸时间、温变速率、电源电压值、参考电平-抖动、输入电压脉冲幅值、输入电压脉冲频率。此处依据摸底试验结果与强化试验方案对不同的参数设置两水平的取值，低温由于工作极限不明确，采取推荐工作温度与设备极限低温进行设置，温度因素与电剖面参数的高低水平的设置如表9所示。表9温循加电试验剖面参数水平表步骤二：使用正交试验的方法，针对上述十个剖面参数制定十因素两水平正交试验表，试验次数选取16次。试验方案如表10所示，a、b、c、d、e、f、g、h、j、k依次代表上述剖面参数，-1代表该因素的低水平取值，1代表高水平取值。通过对不同试验方案仿真结果的分析可以找到效果更好的试验方案，同时找出影响试验的主要因素。表10温循加电的正交试验方案步骤三：针对所设计的正交试验方案依次进行有限元仿真，仿真截图如图2所示，将有限元仿真结果提取参数输入失效物理仿真软件得到不同失效机理下的失效前时间如表11所示。表11失效物理仿真计算结果步骤四：对上述结果，应用线性累积损伤的方法进行分析。线性累积损伤计算的结果及其排序如表12所示。表12线性累积损伤结果试验编号损伤时间(h)累积损伤比(h/h)排序1383.33332.35e-02112766.66671.99e-02143427.77782.45e-02104527.77782.78e-0295822.22223.72e-0256777.77785.75e-0227361.11111.88e-02158722.22222.86e-02119611.11116.08e-021106002.33e-021211577.77783.51e-02612555.55562.18e-0213135501.85e-021614655.55563.16e-02715555.55564.33e-02416388.88894.95e-023步骤五：最终，针对仿真分析的结果依次进行直观分析和极差分析，根据线性累积损伤分析的结果可知，在目前的16组正交试验剖面当中第9组的累积损伤比最高，既该组试验剖面的损伤效果最好，同样就认为这一剖面在强化试验中效率最高，激发产品潜在缺陷的能力最强。基于剖面9设计多因素的综合强化试验剖面，利用直观分析法所设计的优化的试验剖面如图3所示。按照极差分析的方法，同时针对强化试验剖面中的10种剖面参数进行极差分析，失效物理仿真结果的极差分析如表13所示。表13极差分析结果比较不同试验剖面参数的极差值可以看到影响试验效果的关键因素依次为：最高温度，电源电压和输入电压脉冲幅值。在强化试验剖面设计中将针对分析中得到对试验效果影响最大的剖面参数：最高温度、电源电压和输入脉冲电压进行强化试验剖面设计，对这些剖面参数取高水平取值设计试验剖面2如图4所示，即为高温与电应力的综合试验。当前第1页12