確保汽車電子可靠性的最佳方法是故障物理(PoF)方法，該方法通過科學（物理、化學等）解釋故障機制，并評估實際工作條件下的使用壽命。該方法的四個關鍵流程分別是設計捕獲、生命周期特征化、載荷變換和耐久性仿真可靠性分析與風險評估。

Ansys Sherlock自動設計分析軟件是一款可靠性保障工具套件，在虛擬仿真環境下運行該工具，可以確保電子設計的實際使用壽命達到產品的預期使用壽命。

可靠性是衡量產品在預期使用壽命內的客戶環境下執行特定功能的能力。可靠性必須通過設計進行保障。汽車行業傳統的可靠性設計方法，例如MIL-HDBK-2.17F等經驗預測、行業規范和“測試”可靠性，都存在嚴重的局限性。更出色的可靠性設計方法離不開基于故障物理(PoF)算法的可靠性保障軟件。

汽車電子面臨的挑戰在于，需要確保在惡劣環境下超過15萬英里的行駛里程和長達10年的使用壽命，且不能發生過高故障率。惡劣環境條件包括不同區域氣候下熱循環引起的季節性變化、電磁噪聲、振動、沖擊、溫度和濕度。

此外，電子產品現已集成到現代汽車的各個方面如圖1所示，多處有它們的身影。

圖1：現代汽車中的電子產品

傳統的汽車或產品開發流程方法使用了一系列“設計-構建-測試-整改(DBTF)”可靠性增長方法，這是一種發現和解決問題的試錯方法，然而如今，這種方法已經不夠用了。本白皮書通過汽車設計與計算機輔助工程、故障物理方法流程等方面詳細介紹如何利用故障物理建模加速實現汽車電子可靠性。本文為白皮書節選，完整內容可在文末下載。

汽車行業已從虛擬計算機輔助工程(CAE)工具中收獲了顯著效益。這是將車輛評估從道路轉移到實驗室，再到利用計算機實現車輛、子系統和組件級評估的直接結果。設計復雜性日益增加以及車輛電氣化水平不斷提高，促使設計流程發生重大變化。激烈的競爭壓力持續推動著企業在提高效率和改善效果上的投入。

綜合運用物理和虛擬測試，可以幫助盡早發現缺陷并評估“假設”場景，從而加速產品開發流程。基于物理的虛擬模型可大幅降低嘗試新設計理念的難度。與構建和測試物理原型相比，創建和運行仿真耗時更短、成本更低。隨著建模的使用逐漸普及，可以通過優化何時、何地以及在何種條件下應開展真實測試，來為物理測試重新圈定重點。

實際運行建模分析的具體步驟包括：設計捕獲、定義可靠性目標、定義環境、生成輸入、開展分析和解讀結果。

這個步驟包括導入標準的PCB CAD/CAM設計文件，例如Gerber或ODB++，以自動創建電路板模型。此外，還包括定義PCB層壓板和各層。利用這一信息，Sherlock使用內置層壓板數據庫，根據每層的材料屬性生成PCB厚度、密度、CTE x-y、CTE z、模量x-y和模量z。Sherlock也能直接導入材料清單 (BOM)部件列表。該軟件可自動識別供應商部件編號和標準行業JEDEC封裝類型。

預期使用壽命和產品性能是兩項關鍵指標，必須明確并記錄。預期使用壽命的定義是令客戶滿意的產品使用時間，該指標需要被積極應用于產品開發和認證過程。產品性能可以定義為質保期內的退貨、在設定置信水平下的使用壽命內的可生存性、平均故障間隔(MTBF)或平均故障時間(MTTF)。

可以使用幾種不同的方法定義現場環境。第一種方法是使用SAE J121 1等行業規范。這種方法的優點是沒有額外成本，具備行業共識。這些標準的主要缺點在于它們很少真正符合實際用戶條件；第二種方法是使用類似環境下類似產品的實際測量值。用戶可確定平均和真實的最壞情況。

在Sherlock軟件中，用戶能夠綜合全面地定義熱、振動和沖擊應力分布。以汽車電子領域環境為例，可能會以最小功耗和晝夜（每天）溫度循環為發動機艙外部建模，提供主要的退化誘發載荷。

完成對可靠性要求和環境的定義后，就可以開始分析。目前Sherlock軟件建模具有導電陽極絲(CAF)形成、故障率、鍍通孔疲勞、焊點疲勞、機械沖擊、振動等豐富的分析功能，Sherlock還能使用網表預先填寫DFMEA（設計故障模式與影響分析）電子表格。

PoF可靠性汽車案例研究：熱循環焊接疲勞

一家汽車客戶正在評估一項潛在設計，采用Sherlock對模塊設計開展分析來加速評估過程。Sherlock的初步評估預測了哪些部件會在定義的條件下發生故障。在制作原型之前，PoF建模識別了組件故障風險，隨后客戶相應地修改了設計。該信息有助于具有時間敏感性的重大產品開發按原始計劃繼續推進。

通過識別特定應用中，特定部件的特定可靠性/耐久性局限或缺陷，PoF可靠性風險評估助力在虛擬環境下提高可靠性，并使設計通過更適合、更可靠的部件來改進，從而符合可靠性目標。

汽車制造商現在使用Sherlock評估更多電子模塊重新設計，快速獲取關于產品設計的反饋，從而能夠比以往更快地向市場交付更可靠的產品。

產品測試計劃，也稱為設計驗證、產品認證和加速壽命測試，是成功向市場推出汽車產品的關鍵。這些測試計劃需要充足的應力來暴露真實的設計缺陷或設計瑕疵，但程度不應過大，以免導致沒有代表性的產品故障。測試速度必須足夠快，以滿足緊迫的進度要求，但不應過快，以免產生過大的應力。每個測試必須提供值，并且必須證明與最終使用環境（其中包括篩選、存儲、運輸/貨運、安裝和操作）的相關性。

為設計和測試選擇合適的環境條件至關重要。推薦方法是結合使用行業標準和PoF理解。這樣可以獲得管理層和客戶都能接受的優化測試計劃。Sherlock在這個過程中也能提供幫助。

故障物理(PoF)建模軟件在創建和運行可靠性模型時，可降低復雜性，減少對專家的需求。與傳統的設計-構建-測試和糾正可靠性增長測試相比，這種方法可加快PoF分析的速度，并降低成本。建模有助于確定設計是否能夠承受預期的測試和使用環境條件，并通過真實測試予以驗證。最后，軟件可靠性建模與當今汽車產品的設計與工程方法是完全契合的。