作者：李桂花

上海安世亞太公司

電子產品可靠性是對電子產品在期望的生命周期內在客戶環境中執行特定功能的能力的度量。在設計中我們必須要考慮產品的可靠性。傳統的基于手冊的可靠性設計方法，如MIL-HDBK-217F，主要基于恒定故障率的假設，很少考慮到由于設計或生產過程控制導致的故障，體現出顯著的局限性。取而代之的是，一種基于失效機理、失效模式和失效應力的根本原因分析的可靠性評估技術即失效物理分析技術（physics of failure，POF），被證明對預防、檢測和校正與產品設計、制造、運行相關的失效非常有效。

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Ansys Sherlock軟件：于ECAD模型和CAE模型中架起橋梁

Ansys Sherlock軟件集成了設計規則，最佳實踐和基于物理的產品可靠性理解，是電子產品可靠性物理仿真分析的行業領導者。Sherlock與現有的工作流無縫集成，可以在整個設計過程中（例如功能塊開發、部件放置、最終布局）實現其最大化價值。憑借其豐富的部件和材料庫，Sherlock可以自動導入行業標準的ECAD/EDA文件，然后使用部件、封裝和電子材料的嵌入式庫，在幾分鐘內就可以構建電路板組裝的FEA模型。該FEA模型可用于后續的精確有限元應力分析，大大減少了有限元分析中PCB板的復雜建模時間，可以說Sherlock在ECAD模型和CAE模型中架起了一座橋梁。

圖1  Sherlock——ECAD到CAE的橋梁

此外，Sherlock利用經過驗證的封閉式方程和三維有限元模擬來分析組件、板和系統級電子產品在承受各種不同環境條件下的應力，經過驗證，仿真和試驗誤差在20%以內。

圖2 可靠性物理經驗公式

圖3 仿真精度經過驗證

 

目前Sherlock軟件可以評估電路板中以下五種主要的潛在失效機制:

1、  焊點熱循環疲勞

2、  機械振動導致焊點疲勞

3、  機械沖擊導致焊點失效

4、  電路板通孔由于熱循環產生的疲勞

5、  由于電遷移、氧化物擊穿、偏置溫度不穩定和熱載流子注入而造成的微電路老化和磨損

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分析流程自動化，有效提升設計效率

使用Sherlock軟件進行仿真，主要由以下幾個過程組成：

 

1、導入ECAD設計文件，解析模型元器件

圖4  Sherlock元器件庫

 

2、定義可靠性目標以及要求設備運行的預期環境和使用條件。

 

圖5  產品生命周期和使用環境定義

 

3、執行特定設計和應用的耐久性仿真來計算壽命預期、可靠性分布和風險優先級。

 

圖6 Sherlock支持的分析類型

4、查看分析結果。與傳統有限元仿真不同的是，Sherlock不僅提供給我們變形和應力信息，還將仿真和產品的生命周期聯系起來。它可以評估和預測哪些部件會在規定的條件下失效，從而識別設計中的故障風險。

 

圖 7 仿真結果：元器件失效表和對應圖形，紅色：失效；黃色：危險；綠色：安全

圖 8 隨機振動下應變云圖和失效曲線

 

5、通過仿真反饋的信息，評估設計是否通過。如果未通過，考慮采用減緩由于特定條件如機械沖擊和振動、溫度循環造成的PCB故障風險的策略，進行重新評估。一般而言，可采用如下策略：

• 確保從高應變區域去除應變敏感元件

• 移動或增加安裝點，以減輕板子和組件的壓力

• 重新選擇材料

• 通過灌封打膠的方法減小敏感元件的變形

圖9 初始產品設計的失效率（2年內達到5%）

圖10  移動組件U27到合適的位置、增加約束條件、填充灌封膠降低失效率

 

以上分析流程自動化，只需要幾個小時內即可完成設計返工，根本無需幾周或幾月時間。通過分析，可以為產品的可靠性和生命周期提供有價值的見解，大大減少了測試迭代和設計時間，提高了產品設計效率，縮短了產品上市時間。