產(chǎn)品故障物理/失效物理分析與仿真、健康預(yù)測分析

 

目的

        由于傳統(tǒng)的基于數(shù)理統(tǒng)計的可靠性預(yù)計方法存在數(shù)據(jù)更新滯后、針對性差、統(tǒng)計模型有爭議以及預(yù)計結(jié)果不夠準(zhǔn)確等方面問題，一種新型的基于失效機(jī)理、失效模式和失效應(yīng)力的根本原因分析的可靠性評估技術(shù)被提出，這就是失效物理分析方法，該方法已經(jīng)被證明對預(yù)防、檢測和校正與產(chǎn)品設(shè)計、制造、運(yùn)行相關(guān)的失效是非常有效的。實(shí)際上失效物理一詞最早于上世紀(jì)50年代被提出，并于1962年舉辦了第一屆失效物理研討會，此后每年定期舉辦并延續(xù)至今，因此嚴(yán)格意義上，失效物理分析方法其實(shí)并不那么“新”。

        失效物理是由基本的機(jī)械、電子、熱和化學(xué)過程決定的，通過了解可能發(fā)生的失效機(jī)理，可以發(fā)現(xiàn)新興或現(xiàn)有技術(shù)中潛在的問題，并在問題發(fā)生前解決它們。要確定失效機(jī)理首先需要明確產(chǎn)品的溫度、濕度、振動、沖擊和其它可能的應(yīng)力條件，接下來結(jié)合現(xiàn)有的有關(guān)所選物料和結(jié)構(gòu)對應(yīng)力的響應(yīng)知識，進(jìn)行應(yīng)力分析，從而確定可能的失效位置，失效模式和失效機(jī)理，一旦明確了潛在失效機(jī)理，就可以使用特定的失效機(jī)理模型對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評估，評估包括計算每種潛在失效機(jī)理的失效時間，然后選定最早發(fā)生的失效機(jī)理的失效時間來判斷產(chǎn)品是否可以達(dá)到預(yù)期的使用壽命。還可以針對主要失效機(jī)理進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，增強(qiáng)產(chǎn)品耐用性，目前對于元器件級和板級失效物理分析，馬里蘭大學(xué)的CALCE電子產(chǎn)品與系統(tǒng)中心已經(jīng)開發(fā)出了計算機(jī)軟件，但其評估準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

         失效物理方法研究的核心就是失效機(jī)理，按失效的發(fā)生特點(diǎn)，失效機(jī)理又可以分為耗損失效和過應(yīng)力失效。耗損失效是指對器件或材料的損傷累積超過了其忍受極限而導(dǎo)致器件發(fā)生失效，耗損失效引起的設(shè)備失效可以通過可靠性預(yù)計預(yù)測其壽命。過應(yīng)力失效是指由于應(yīng)力大于器件的強(qiáng)度，也就是說器件承受的應(yīng)力在某一時刻超過其忍受的極限而導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生失效。另外，按照引起器件失效的應(yīng)力類型，失效機(jī)理又可以細(xì)分為機(jī)械、電子、熱、化學(xué)和輻射等類型

        1、失效物理分析有助于改善系統(tǒng)或裝備的可靠性、維修性與安全性。失效物理分析得到的壽命與應(yīng)力關(guān)系可以用于可靠性和安全性設(shè)計，失效征候的事前預(yù)測方法，不僅可以用于壽命試驗(yàn)的規(guī)劃設(shè)計與評估，也可以用于建立預(yù)防保養(yǎng)或者保修制度策略的建立。

        2、失效物理分析結(jié)果有助于FMECA或者FTA工作的開展。可以作為FMECA和FTA的輸入。可以協(xié)助分析零件、材料組合層次的失效模式與系統(tǒng)層面的失效關(guān)聯(lián)關(guān)系。

        3、失效物理分析可以為系統(tǒng)層面的可靠性分析奠定基礎(chǔ)，并可以說明系統(tǒng)微觀的失效與宏觀失效的關(guān)系，采用失效物理模型，諸如艾林模型、阿倫尼斯模型、逆冪率模型等，這些模型可以較好應(yīng)用于電子、電氣、機(jī)械系統(tǒng)的失效物理分析。在檢驗(yàn)、驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性時，可以利用失效分布即參數(shù)的統(tǒng)計方法，結(jié)合可靠性數(shù)據(jù)背后的失效物理現(xiàn)象于失效統(tǒng)計分布的分析結(jié)果，獲得更多的有用的可靠性信息。例如，從威布爾分布的參數(shù)值可以分布是否有早期失效，可以分析失效的原因或者檢查加速壽命試驗(yàn)的適用范圍，也可以研究加速試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場壽命數(shù)據(jù)的關(guān)系。

目標(biāo)

        針對具體的產(chǎn)品特點(diǎn)，分析故障機(jī)理、故障模式，通過試驗(yàn)或者統(tǒng)計手段，找出影響系統(tǒng)可靠性的主要、關(guān)鍵故障模式，并建立期故障物理模型（故障物理仿真模型，包括PCB板、材料、熱、振動模型），基于故障物理模型進(jìn)行可靠性分析、壽命預(yù)測。

價值

        （1）建立產(chǎn)品微觀的失效物理模型、分析失效規(guī)律，建立產(chǎn)品宏觀可靠性與微觀故障物理關(guān)系，更好地指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。

        （2）基于故障物理模型，進(jìn)行產(chǎn)品可靠性預(yù)計、加速壽命、加速退化試驗(yàn)設(shè)計。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性增長，并分析與驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性。

        （3）為實(shí)時診斷、監(jiān)測產(chǎn)品的可靠性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品健康管理提供支持。

產(chǎn)品故障物理/失效物理分析與仿真、健康預(yù)測分析服務(wù)內(nèi)容

        （1）幫助企業(yè)、單位分析產(chǎn)品的特點(diǎn)，基于故障物理模型，進(jìn)行產(chǎn)品可靠性預(yù)計、加速壽命、加速退化試驗(yàn)設(shè)計。

        （2）提供故障物理仿真分析技術(shù)培訓(xùn)以及軟件工具。

工程案例、效果

        建立某產(chǎn)品的失效物理模型，包括PCB模型、材料模型、熱模型和震動模型，進(jìn)行可靠性預(yù)計、壽命預(yù)測

故障物理仿真分析平臺

        廣州寶順研發(fā)的失效物理仿真與壽命預(yù)測軟件由：

        （1）產(chǎn)品建模、

        （2）熱仿真分析、

        （3）振動仿真分析、

        （4）失效分析、

        （5）壽命剖面 以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫組成。

        可模擬板、元器件在溫度、振動等應(yīng)力下的故障情況以及壽命預(yù)測。支持熱仿真分析功能，可輸出上表面溫度、下表面溫度、疊層溫度等溫度分布圖，可輸出PCB表面溫度、殼溫、結(jié)溫等元器件溫度圖。支持振動仿真分析功能，支持隨機(jī)振動、機(jī)械諧振、機(jī)械沖擊等類型的振動仿真分析，支持功率譜PSD曲線設(shè)置功能，支持約束建模功能?？奢敵鑫灰品植紙D、振型分析結(jié)果、元器件位移圖等仿真分析結(jié)果?？筛鶕?jù)電子產(chǎn)品的使用環(huán)境，計算不同失效模式的故障時間，可預(yù)測整個產(chǎn)品的壽命時間、首次故障時間等參數(shù)。提供豐富的電子產(chǎn)品失效機(jī)理模型庫，并可定制失效機(jī)理模型。更多關(guān)于失效物理仿真與壽命預(yù)測軟件信息。

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