光电产品的可靠性仿真试验＊

淦 创

（北京航空航天大学 北京 100191）

1 引言

随着科学技术的发展，大规模和超大规模集成电路的诞生，出现了各种新的电子元器件封装技术，使电子设备的集成度和功能的复杂度越来越高，航空装备的高可靠性需求，要求我们在产品的设计阶段就不断提高产品的可靠性，产品的可靠性是设计出来的、生产出来的，这就要求我们找到能够在短期内评估其可靠性的技术和方法。本文就可靠性仿真试验、可靠性仿真分析等，作进一步的研究和探讨。

2 试验流程与环境应力

1）试验流程。电子产品的可靠性仿真试验共五个步骤：产品设计信息采集、产品数字样机建模、应力分析、故障预计、可靠性仿真评估。可靠性仿真试验流程图如图1所示。

图1 可靠性仿真试验流程图

2）试验环境应力。电子产品的可靠性试验环境应力包括：温度应力和振动应力。

（1）仿真试验温度应力包括四个条件，量值见表1。

表1 温度应力条件表

（2）仿真试验振动应力包括三个条件，振动量级见表2。

表2 振动应力量级表

3 可靠性仿真试验

可靠性仿真试验共五个步骤：产品设计信息采集、产品字样机建模、应力分析、故障预计、可靠性仿真评估。可靠性仿真试验流程图如图1所示。

1）信息收集。收集全部信息，例如，PCB设计信息、全部元器件信息的模块共3块，15种281只元器件，包括型号、封装、重量，尺寸等相关信息。信息收集表见表3。

表3 信息收集表

2）数字样机建模。

3）模型修正与验证。为保证数字样机的准确性及数字样机模型与物理样机的一致性，通过对物理样机采用热测量试验的方法，得到物理样机关键器件点温度测试结果，对已建立的CFD初始模型进行了修正，从而保证了CFD数字样机的准确性；通过对物理样机采用模态试验的方法，对FEA数字样机的初始模型进行了修正，试验首先对电路板、空机箱及整机进行自由模态分析，保证建模的准确性，然后对电路板进行约束条件下的模态分析，以保证仿真分析设置的边界条件的准确性，最后对整机进行随机振动分析，验证数字样机模型与物理样机的一致性。

根据热测量试验结果，对产品CFD数字样机的边界条件、器件参数等部分进行修正。将模型修正之后的温度应力分析结果与热测量试验结果进行了对比见表4，对比结果误差满足要求，表明了温度应力分析采用模型的正确性。

网格划分采用了扫掠、单元大小控制及多区域划分法，分别对机箱壳体，各模块壳体以及电路板组件进行单独划分，以保证网格质量能够满足要求。最终计算得到的网格数量为76855，网格质量检验采用Skewness算法。

将模型修正之后的振动应力分析结果与模态试验结果进行了对比，见表5。对比结果误差满足要求，表明了振动应力分析采用模型的正确性。

表4 温度应力分析结果与热测量试验结果对比

表5 振动应力分析结果与模态试验结果对比

4）应力分析

（1）温度应力分析。采用Mentor Graphics公司的Flo－THERM V9.1对产品CFD数字样机进行分析计算，温度应力分析结果，在平台环境温度70℃条件下的整机温度场分布结果。箱体表面的最高温度为73℃，比平台环境温度高3℃。为评估产品热设计效果将平台环境温度70℃定为第一参考温度条件，将箱体表面平均温度（通过表面积加权计算）定为第二参考温度条件。

表6 机箱温度分析结果

（2）振动应力分析。采用 ANSYS公司的 ANSYS Workbench 12.1对产品FEA数字样机进行分析计算，整机模态分析的前三阶频率结果，见表8。

电源滤波模块前三阶频率结果见表9。控制模块前三阶频率结果见表10。整机及模块最大响应量值和位置见表11。

表7 各模块温度分析结果

表8 整机谐振频率及位置

表9 电源滤波模块谐振频率及位置

5）故障预计

（1）故障预计分析模型

表10 控制模块谐振频率及位置

采用CalcePWA软件建立受试产品的故障预计分析模型。

（2）故障预计结果

采用CalcePWA软件开展受试产品的故障预计，结果如下：

控制模块的潜在故障点已找到，见图2，由于在预期寿命内综合电源模块未发现故障器件，故主要故障信息矩阵不再列出。

图2 电源模块故障报告

表11 整机及模块最大响应量值和位置

6）可靠性评估结果

利用Matlab软件根据故障预计所输出的潜在故障点的故障时间、仿真计算数据，采用竞争失效的原则，通过单点故障密度分布拟合、多点故障密度分布融合分析等方法得到受试产品整机和各模块可靠性仿真评估结果见表12。

表12 可靠性仿真评估结果

·电源滤波模块PCB板正面偏左处的电源模块G1左下角处加速度均方根值及位移均方根值较大。

·机箱后部的后面板转接板偏右处加速度均方根值与位移均方根值较大。

·受试产品平均首发故障时间为67065h。

4 可靠性仿真分析

随着仿真技术的不断发展，仿真技术在可靠性研究上的应用，形成了可靠性仿真，可靠性仿真技术作为一门新兴的可靠性技术正在兴起，它必将为可靠性设计工作提供一种强有力的工具。

1）可靠性仿真试验作为仿真技术在可靠性工程中的研究成果，必将成为可靠性设计强有力的支撑工具，是提高可靠性设计的有效途径；

2）通过对物理样机采用热测量试验的方法和模态试验的方法，对仿真模型进行修正和验证，保证了数字样机模型的准确性，验证数字样机模型与物理样机的一致性，从而提高仿真模型的可信度；

3）可靠性仿真试验开展的最佳时机：在初样机设计完毕，PCB制板前开始，贯穿初样机的整个研制阶段，重点进行热应力分析、振动应力分析、故障仿真预计及可靠性结果评估；

4）通过可靠性仿真试验能够在短期内对产品的可靠性进行评估，并给出定量指标，指导产品设计方案改进；

5）通过可靠性仿真实验，能够对产品的故障进行预计，找到设计的薄弱环节，并指明潜在故障发生的位置和原因，指导设计改进。

5 结语

通过可靠性仿真试验在光电产品中的具体应用，使我们对可靠性仿真试验有了更加深刻的认识，加深了对可靠性仿真试验的理解，掌握了可靠性仿真试验实施流程、分析方法及开展时机。可靠性仿真试验具有经济性好、应用范围广、通用性好、难度小等优点，我们相信可靠性仿真试验作为仿真技术在可靠性领域的研究成果，作为一种全新的、有效的可靠性研究方法，在产品高可靠性需求下，必将在产品研制生产的可靠性工程中取得更大的应用和更好的效果。

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