一種基于失效物理的電子產品熱循環試驗加速因子及試驗方案確定方法
【專利摘要】一種基于失效物理的電子產品熱循環試驗加速因子及試驗方案確定方法包括如下步驟：步驟1：基準熱循環試驗條件特征向量的確定；步驟2：電子產品特征矩陣的確定；步驟3：熱循環試驗條件特征矩陣的確定；步驟4：不同熱循環試驗條件下電子產品壽命特征矩陣的計算；步驟5：不同熱循環試驗條件電子產品加速因子的確定；步驟6：目標熱循環試驗方案的確定。該方法適用于分析電子產品熱循環試驗條件的應力水平，計算目標熱循環試驗條件與基準熱循環試驗條件相較的加速因子，可用于確定與基準熱循環試驗方案具有相同試驗應力水平的電子產品熱循環試驗方案，屬于電子產品熱循環試驗技術領域。
【專利說明】
一種基于失效物理的電子產品熱循環試驗加速因子及試驗方 案確定方法 (一)
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于失效物理的電子產品熱循環試驗加速因子確定方法，適用于 分析電子產品熱循環試驗條件的應力水平，計算目標熱循環試驗條件與基準熱循環試驗條 件相較的加速因子，可用于確定與基準熱循環試驗方案具有相同試驗應力水平的電子產品 熱循環試驗方案，屬于電子產品熱循環試驗技術領域。 (二)
【背景技術】
[0002] 在電子產品研制設計過程中，熱循環試驗可用于電子產品的早期潛在故障篩除、 可靠性評價、壽命評估等方面，從而提高電子產品的可靠性，保證電子產品的使用壽命。
[0003] 目前工程實際中，電子產品熱循環試驗主要依據相應標準或根據經驗而進行設 計。但傳統熱循環試驗缺乏對試驗剪裁方法，即無法依據現有的設備條件及進度安排來剪 裁熱循環試驗。另一方面，加速熱循環試驗方法具有較為良好的應用前景，但目前加速熱循 環試驗并未有明確的方法以確定加速熱循環試驗相對正常熱循環試驗的加速因子。
[0004] 因此，電子產品熱循環試驗加速因子及試驗方案確定方法，不僅可有效解決熱循 環試驗剪裁問題，同時，也可對加速熱循環試驗試驗方案設計進行相應指導。 (三)
【發明內容】
[0005] 1、目的:本發明目的是提供一種基于失效物理的電子產品熱循環試驗加速因子及 試驗方案確定方法，針對具體電子產品，基于基準熱循環試驗方案，確定相同試驗應力水平 下不同熱循環試驗條件的試驗時間，以便于給出應力水平相同的熱循環試驗方案。
[0006] 2、技術方案:本發明涉及一種基于失效物理的電子產品熱循環試驗加速因子及試 驗方案確定方法，該方法的具體步驟如下：
[0007] 步驟1:基準熱循環試驗條件特征向量的確定:根據熱循環試驗標準或常規熱循環 試驗經驗，確定電子產品的基準熱循環試驗方案，并提取基準熱循環試驗條件特征向量。
[0008] 步驟2:電子產品特征矩陣的確定：收集電子產品線路板上各器件尺寸及材料參 數，分別建立電子產品每個器件的器件特征向量。綜合電子產品各器件的器件特稱向量，建 立電子產品特征矩陣。
[0009] 步驟3:熱循環試驗條件特征矩陣的確定:確定目標熱循環試驗條件特征向量。綜 合基準熱循環試驗條件特征向量及目標熱循環試驗條件特征向量，建立熱循環試驗條件特 征矩陣。
[0010] 步驟4:不同熱循環試驗條件下電子產品壽命特征矩陣的計算:基于失效物理，利 用Coffin-Manson公式，分別計算電子產品各器件在基準熱循環試驗條件及目標熱循環試 驗條件下的壽命值，建立不同熱循環試驗條件下電子產品壽命特征矩陣。
[0011] 步驟5:不同熱循環試驗條件電子產品加速因子的確定:取在基準熱循環試驗條件 下電子產品器件壽命值較短的前30%的器件，建立易故障器件壽命特征矩陣。基于易故障 器件特征矩陣，建立不同熱循環試驗條件易故障器件加速因子向量，并計算得出不同熱循 環試驗條件電子產品加速因子。
[0012] 步驟6:目標熱循環試驗方案的確定:根據基準熱循環試驗的試驗總時間，確定應 力水平相同的目標熱循環試驗的試驗總時間。最終，給出與基準熱循環試驗方案應力水平 相同的目標熱循環試驗方案。
[0013] 其中，在步驟1中所述的基準熱循環試驗方案包括基準熱循環試驗的最高溫度、最 低溫度、最高溫度沉浸時間、最低溫度沉浸時間、單周期時間及試驗總時間。
[0014] 基準熱循環試驗條件特征向量為t，如下所示。
[0015] tl=(tll t21 t31 t41 t5l)T
[0016] 式中，tn為基準熱循環試驗的最高溫度，單位為°(： ;t21為基準熱循環試驗的最低 溫度，單位為°(： ; t31為基準熱循環試驗的最高溫度沉浸時間，單位為min; t41為基準熱循環 試驗的最低溫度沉浸時間，單位為min;t51為基準熱循環試驗的單周期時間，單位為min。
[0017] 其中，在步驟2中所述的電子產品第i個器件的器件特征向量為Pl，如下所示。
[0018] pi=(pu pi2 …pii3)(Ki<n)
[0019]式中，η為電子產品器件總數，n>l;Pll為電子產品第i個器件的封裝類別，若器件 為無引腳封裝或BGA封裝則為1，若器件為有引腳封裝則為2;pl2為電子產品第i個器件的封 裝應變系數，若器件為無引腳封裝或BGA封裝則為1，若器件為有引腳封裝則為0.0025mm 2/ N;pl3為電子產品第i個器件有引腳封裝的引腳材料剛度，單位為N/mm，若為無引腳封裝或 BGA封裝則為l;pl4為電子產品第i個器件的焊點面積，單位為mm2,若器件為無引腳封裝或 BGA封裝，則為l;pl5為電子產品第i個器件的器件高度，單位為mm;pl6為電子產品第i個器件 的特征尺寸，為器件對角線的一半，單位為mm;p l7為電子產品第i個器件的器件封裝材料的 線熱膨脹系數，單位為/°C;pl8為電子產品第i個器件下方印制線路板熱膨脹系數，單位為/ °C ; pi9為電子產品第i個器件焊點材料疲勞指數Co值，單位為1，錫鉛焊料取-0.442; pilQ為電 子產品第i個器件焊點材料疲勞指數(^值，單位為/°C，錫鉛焊料取-0.0006; pm為電子產品 第i個器件焊點材料疲勞指數(32值，單位為1，錫鉛焊料取0.0174。
[0020] 電子產品特征矩陣為P，如下所示。
[0021] P=(pi P2 ··· pn)T
[0022] 其中，在步驟3中所述的目標熱循環試驗條件特征向量為t2,如下所示。
[0023] t2=(tl2 t22 t32 t42 t52)T
[0024] 式中，t12為目標熱循環試驗的最高溫度，單位為°C;t22為目標熱循環試驗的最低 溫度，單位為°C ; t32為目標熱循環試驗的最高溫度沉浸時間，單位為min; t42為目標熱循環 試驗的最低溫度沉浸時間，單位為min;t52為目標熱循環試驗的單周期時間，單位為min。
[0025] 綜合基準熱循環試驗條件特征向量t及目標熱循環試驗條件特征向量t2，建立的 熱循環試驗條件特征矩陣為T，如下所示。
[0026] T=(ti t2)
[0027] 其中，在步驟4中所述的電子產品第i個器件在第j個熱循環試驗條件下的壽命值 N"(j = l為基準熱循環試驗條件，j = 2為目標熱循環試驗條件），計算公式如下。
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] 式中，Pl為電子產品第i個器件的器件特征向量;k為熱循環試驗條件特征向量；Δ ^為電子產品第i個器件封裝材料與線路板之間的熱膨脹系數差值；△ Tj為熱循環試驗最高 溫度與最低溫度的差值;Tmj為熱循環試驗的平均溫度。
[0033] 利用上述算法，計算不同熱循環試驗條件下電子產品壽命特征矩陣N，如下所示。
[0034]
[0035] 其中，在步驟5中所述的易故障器件壽命特征矩陣為'，主要選取基準熱循環試驗 條件下電子產品中壽命值較短的前30%的器件，如下所示。
[0036]
[0037] 式中，m為在基準熱循環試驗條件下電子產品中壽命值較短的前30%的器件個數， m為整數，取值1^30%彡!11〈(11\30%+1);叭偽電子產品第1個易故障器件在第」個熱循環 試驗條件下的壽命值。
[0038] 不同熱循環試驗條件易故障器件加速因子向量為A，如下式所示。
[0039]
[0040] 式中，ai為電子產品第i個易故障器件的加速因子(1彡i彡m)。
[0041] 依據不同熱循環試驗條件易故障器件加速因子向量為A，計算不同熱循環試驗條 件電子產品加速因子Am，如下式所不。
[0042]
[0043] 其中，在步驟6中所述的基準熱循環試驗的試驗總時間為To,目標熱循環試驗的試 驗總時間為TA，如下所示。
[0044] TA=AmXTo
[0045] 最終，確定與基準熱循環試驗方案應力水平相同的目標熱循環試驗方案包括目標 熱循環試驗的最高溫度t12、最低溫度t 22、最高溫度沉浸時間t32、最低溫度沉浸時間t42、單周 期時間t52及試驗總時間Ta。 (四）
【附圖說明】
[0046] 圖1為基于失效物理的電子產品熱循環試驗加速因子及試驗方案確定方法的實施 流程 (五)
【具體實施方式】
[0047] 下面結合具體的實施案例，對本發明所述的針對具體電子產品熱循環試驗加速因 子及試驗方案確定方法進行詳細說明。
[0048] 案例:應用于民用客機的發動機參數采集板
[0049] 本發明以應用于民用客機的發動機參數采集板為例，針對具體電子產品熱循環試 驗加速因子及試驗方案確定方法。
[0050] 發動機參數采集板用于某型民用客機，位于民用客機駕駛艙中，共有5類36只元器 件，器件清單如表2所示。
[0051] 該電子產品的基準熱循環試驗方案及目標熱循環試驗條件參數如表1所示。
[0052]表1基準及目標熱循環試驗參數表
[0054] 根據圖1的流程，該方法具體步驟如下：
[0055] 步驟1:基準熱循環試驗條件特征向量的確定:基準熱循環試驗條件特征向量ti， 如下所示。
[0056] ti=(60 -35 160 160 360)τ
[0057] 步驟2:電子產品特征矩陣的確定：收集電子產品線路板上各器件尺寸及材料參 數，分別建立電子產品第i個器件的器件特征向量口:，如表2所示。
[0058] 表2電子產品器件清單
[ΟΟ?Ο] 利用表2，綜合電子產品各器件的器件特稱向量Pl、P2、…、P36，建立電子產品特征 矩陣P，如下所示。
[0061] Pl=(l I I 1 2.0 4.65 13.1 X10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0062] p2=(l I I 1 2.0 4.65 13.1 X10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0063] p3=(l I I I 2.0 4.65 13.1 X10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0064] p4=(l I I I 2.0 4.65 13.1 X10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0065] p5=(l I I I 2.0 4.65 13.1 X10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0066] p6=(l I I I 2.0 4.65 13.1 X10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0067] p7= (I I I I 1.2 5.35 15X10-6 17.5X10- 6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0068] p8= (I I I I 1.2 5.35 15X10- 6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0069] p9= (I I I I 1.2 5.35 15X10- 6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0070] p10=(l I I I 1.2 5.35 15X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0071] pn=(l I I I 1.2 5.35 15X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0072] p12=(l I I I 1.2 5.35 15X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0073] p13=(l I I I 1.2 5.35 15X 10-6 17.5X10-6-0.442 -0.0006 0.0174)
[0074] p14=(l I I I 1.2 5.35 15X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0075] p15=(l I I I 1.2 5.35 15X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0076] p16=(l I I I 1.2 5.35 15X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0077] p17= (2 0.0025 5800 0.8 2.6 9.30 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0078] p18= (2 0.0025 5800 0.8 2.6 9.30 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0079] p19= (2 0.0025 5800 0.8 2.6 9.30 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0080] p20= (2 0.0025 5800 0.8 2.6 9.30 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0081] p21= (2 0.0025 5800 0.8 2.6 9.30 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0082] p22= (2 0.0025 5800 0.8 2.6 9.30 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0083] p23= (I I I I 2.6 19.82 6.2X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0084] p24= (I I I I 2.6 19.82 6.2X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0085] p25= (I I I I 2.6 19.82 6.2X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0086] p26= (I I I I 2.6 19.82 6.2X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0087] p27= (I I I I 2.6 19.82 6.2X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0088] p28= (I I I I 2.6 19.82 6.2X 10-6 17.5X10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0089] p29= (2 0.0025 1970 0.6 2.8 20.56 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0090] p30= (2 0.0025 1970 0.6 2.8 20.56 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0091] p31= (2 0.0025 1970 0.6 2.8 20.56 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0092] p32= (2 0.0025 1970 0.6 2.8 20.56 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0093] p33= (2 0.0025 1970 0.6 2.8 20.56 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0094] p34= (2 0.0025 1970 0.6 2.8 20.56 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0095] p35= (2 0.0025 1970 0.6 2.8 20.56 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0096] p36= (2 0.0025 1970 0.6 2.8 20.56 6.2X 10-6 17.5X 10-6 -0.442 -0.0006 0.0174)
[0097] ρ=(ρι p2 …ρ36)τ
[0098] 步驟3 :熱循環試驗條件特征矩陣的確定:確定目標熱循環試驗條件特征向量t2， 如下所示。
[0099] t2=(80 -45 100 100 240)τ
[0100] 綜合基準熱循環試驗條件特征向量t及目標熱循環試驗條件特征向量t2,建立熱 循環試驗條件特征矩陣T，如下式所示。
[0101]
[0102] 步驟4:不同熱循環試驗條件下電子產品壽命特征矩陣的計算:基于失效物理，利 用Coffin-Manson公式，分別計算電子產品各器件在基準熱循環試驗條件及目標熱循環試 驗條件下的壽命值N 1K j = 1為基準熱循環試驗條件，j = 2為目標熱循環試驗條件），如表3所 /Jn 〇
[0103] 表3電子產品各器件壽命計算表
[0105] 以表3建立不同熱循環試驗條件下電子產品壽命特征矩陣N，如下所示。
[0106]
[0107] 步驟5:不同熱循環試驗條件電子產品加速因子的確定:取在基準熱循環試驗條件 下電子產品器件壽命值較短的前30%的11個器件，則可建立易故障器件壽命特征矩陣N m， 如下式所示。
[0108]
[0109] 建立不同熱循環試驗條件易故障器件加速因子向量A，如下式所示。
[0110] A=(0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20)τ
[0111] 依據易故障器件加速因子向量Α，計算得出不同熱循環試驗條件電子產品加速因 子八》，如下式所示。
[0112]
[0113] 步驟6:目標熱循環試驗方案的確定:根據基準熱循環試驗的試驗總時間To,確定 與基準熱循環試驗應力水平相同的目標熱循環試驗的試驗總時間T A，如下式所示。
[0114] Ta=AmX To = O. 30 X 180000 = 54000
[0115] 最終，給出與基準熱循環試驗方案應力水平相同的目標熱循環試驗方案：目標熱 循環試驗方案的最高溫度為80°C，最低溫度為-45°C，最高溫度沉浸時間為IOOmin，最低溫 度沉浸時間為I OOmin，單周期時間為240min及試驗總時間為54000min。
【主權項】
1. 一種失效物理的電子產品熱循環試驗加速因子及試驗方案確定方法，其特征在于： 基于失效物理模型，即Cof f in-Manson模型，對比基準熱循環試驗條件，分析確定目標熱循 環試驗條件下電子產品加速因子，并利用加速因子確定目標熱循環試驗方案。該方法的具 體步驟如下： 步驟1:基準熱循環試驗條件特征向量的確定； 步驟2:電子產品特征矩陣的確定； 步驟3:熱循環試驗條件特征矩陣的確定； 步驟4:不同熱循環試驗條件下電子產品壽命特征矩陣的計算； 步驟5:不同熱循環試驗條件電子產品加速因子的確定； 步驟6:目標熱循環試驗方案的確定。2. 根據權利要求1所述的基準熱循環試驗條件特征向量的確定，其特征在于:基準熱循 環試驗條件特征向量t，如下所示。 tl= (til t21 t31 t41 t5l)T 式中，tn為基準熱循環試驗的最高溫度，單位為°C;t21為基準熱循環試驗的最低溫度， 單位為°C;t31為基準熱循環試驗的最高溫度沉浸時間，單位為min; t41為基準熱循環試驗的 最低溫度沉浸時間，單位為min;t5i為基準熱循環試驗的單周期時間，單位為min。3. 根據權利要求1所述的電子產品特征矩陣的確定，其特征在于：電子產品第i個器件 的器件特征向量Pi，如下所示。 Pi=(pn Pi2 ??? Pii3)(l^i^n) 式中，n為電子產品器件總數，n多l;pu為電子產品第i個器件的封裝類別，若器件為無 引腳封裝或BGA封裝則為1，若器件為有引腳封裝則為2;pl2為電子產品第i個器件的封裝應 變系數，若器件為無引腳封裝或BGA封裝則為1，若器件為有引腳封裝則為0.0025mm 2/N;pi3 為電子產品第i個器件有引腳封裝的引腳材料剛度，單位為N/mm，若為無引腳封裝或BGA封 裝則為l;pl4為電子產品第i個器件的焊點面積，單位為mm 2,若器件為無引腳封裝或BGA封 裝，則為l;pl5為電子產品第i個器件的器件高度，單位為mm;p l6為電子產品第i個器件的特 征尺寸，為器件對角線的一半，單位為mm;pl7為電子產品第i個器件的器件封裝材料的線熱 膨脹系數，單位為/°C;p l8為電子產品第i個器件下方印制線路板熱膨脹系數，單位為/°C; pl9為電子產品第i個器件焊點材料疲勞指數co值，單位為1，錫鉛焊料取-0.442;pllQ為電子 產品第i個器件焊點材料疲勞指數(^值，單位為/°C，錫鉛焊料取-0.0006 ;pm為電子產品第 i個器件焊點材料疲勞指數〇2值，單位為1，錫鉛焊料取0.0174。 電子產品特征矩陣P，如下所示。 P=(pi P2 ??? Pn)T〇4. 根據權利要求1所述的熱循環試驗條件特征矩陣的確定，其特征在于：目標熱循環試 驗條件特征向量t2，如下所示。 t2=(tl2 t22 t32 t42 t52)T 式中，t12為目標熱循環試驗的最高溫度，單位為°C ; t22為目標熱循環試驗的最低溫度， 單位為°C ; t32為目標熱循環試驗的最高溫度沉浸時間，單位為min; t42為目標熱循環試驗的 最低溫度沉浸時間，單位為min;t52為目標熱循環試驗的單周期時間，單位為min。 熱循環試驗條件特征矩陣T，如下所示。 T=(tl t2)〇5. 根據權利要求1所述的不同熱循環試驗條件下電子產品壽命特征矩陣的計算，其特 征在于：電子產品第i個器件在第j個熱循環試驗條件下的壽命值N^(j = l為基準熱循環試 驗條件，j = 2為目標熱循環試驗條件），計算公式如下。式中，Pl為電子產品第i個器件的器件特征向量;t偽熱循環試驗條件特征向量；A (^為 電子產品第i個器件封裝材料與線路板之間的熱膨脹系數差值；A乃為熱循環試驗最高溫 度與最低溫度的差值;Tmj為熱循環試驗的平均溫度。 不同熱循環試驗條件下電子產品壽命特征矩陣N，如下所示。6. 根據權利要求1所述的不同熱循環試驗條件電子產品加速因子的確定，其特征在于： 易故障器件壽命特征矩陣Nm，主要選取基準熱循環試驗條件下電子產品中壽命值較短的前 30 %的器件，如下所示。式中，m為在基準熱循環試驗條件下電子產品中壽命值較短的前30%的器件個數，m為 整數，取值nX30%彡m〈(nX30%+l);N\為電子產品第i個易故障器件在第j個熱循環試驗 條件下的壽命值。 不同熱循環試驗條件易故障器件加速因子向量A，如下式所示。式中，m為電子產品第i個易故障器件的加速因子 依據不同熱循環試驗條件易故障器件加速因子向量A，計算不同熱循環試驗條件電子 產品加速因子Am，如下式所示。7.根據權利要求1所述的目標熱循環試驗方案的確定，其特征在于:基準熱循環試驗的 試驗總時間To,目標熱循環試驗的試驗總時間Ta，如下所示。 TA=AmXTo〇
【文檔編號】G06F19/00GK106055910SQ201610416388
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月14日
【發明人】蘇昱太, 付桂翠, 萬博, 裴淳
【申請人】北京航空航天大學