传统可靠性预计方法存在的问题与替代方法

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传统可靠性预计方法存在的问题与替代方法

从1965年11月至1991年11月，美国先后颁布了电子设备预计手册MIL-HDBK-217A、B、C、D、E和F版本，在军品设计和研制中曾发挥过很大作用。不过，这些预计方法没有跟上技术发展水平，现场数据要花很长时间来收集，模型也没有以正确的工程基本理论为依据。在最新版本的文件中，两个工作小组按合同为这种改善提供了导则。IIT研究所/霍内威尔SSED工作小组为CMOS、VHSIC和VHSIC类器件建立了模型，马里兰大学/西屋工作小组为先进技术微电子器件建立了可靠性模型，以便包括诸如VHSIC、VLSI、之类的高门数器件以及诸如表面安装之类的复杂封装方法、ASIC和混合电路。两个工作小组建议：

1）不用恒定失效率模型；
2）一些独立的磨损机理（即电迁移与时间相关的介质击穿）应以对数正态分布来建模；
3）阿列尼斯（Arrherius）型公式不应包括在封装失效模型中；
4）诸如温度变化和湿度之类的应力应得到考虑。特别是IIT研究所/霍内威尔SSED与马里兰大学/西屋工作小组的研究表明，与器件工作中的稳态温度相比，温度循环对器件可靠性的损害更大，只要温度低于临界值。这个结论得到美国国家标准与技术协会和Army Fort Monmouth研究报告的有力支持。该研究报告指出，在典型工作变化中，稳态温度对微电子器件可靠性的影响不能用阿列尼斯公式来建模。




依靠MIL-HDBK-217来预计已被证明费用高。例如，在设计过程初期，F22先进战术战斗机的电子设备的设计决策是把结温的最大值定为600C，Comanche轻型直升机的定为650C。实际上，1250C就可以接受，并且可导致寿命周期费用、重量、体积、保障性和可靠性的显着改进。此外，在电子轨道上低到-400C的冷却温度曾要求一次获得规定的结温。由此产生的温度循环被用来加速许多独特的失效机理。

1．传统可靠性预计方法存在的问题

传统可靠性预计方法出现的问题以及出现这些问题的一些原因概述如下：

1）传统可靠性预计方法所需的贴切可靠性数据的最新收集是主要任务，特别是当制造商每年实施改进时。传统模型所用的多数数据都是过时的。例如，MIL-HDBK-217中的连接器模型至少有10年没有修正，它是以20年的数据为依据来实行公式化的。尽管如此，对单一过期或考虑不周的可靠性预计方法的依赖，对系统设计和开发来说肯定费用很高。上面所述的F22先进战术战斗机和Comanche轻型直升机的电子设备就是典型的例子。
2）一般来说，设备拆除与元器件失效不是相等的。由于“失效”的工作与真实原因是永不测定的，因此现场拆除的元器件经常要经过再测试。由于可靠性工程集中在现场数据的概率评定而不是失效分析上，因此，对于供应商来说，一般会发现更换子系统（比如，电路板）和忽略电路板如何失效所花的钱会少些。


3）许多组件失效是与元器件无关的，而是与插入、校准或仪器读数的误差有关，或与较高等级组装过程中元器件的互连不当有关。今天，系统设计中的可靠性限制因素（比如，元件应用不当、计时分析不当、瞬时控制缺乏应力容限过大）比器件制造或设计缺陷中的多得多。



4）元件失效并不总是由于元件固有机理造成的，但会由这些原因造成：a)；安装后无意中的过应力事件；b) 发运后的贮存、搬运或安装；c)系统中不适当的组装d)安装人员或设计师选用了错误的元器件。可变的应力环境也会在预计现场失效时建立不适当的模型。例如，一台西屋火控雷达已用于作战飞机与炸弹中和舰船支座上，每个应用环境都有独特的配置、封装、可靠性与维修要求。



5） 正如模型预计的那样，电子设备不会以恒定速率发生故障。模型原本是用来表征器件可靠性的，因为早期的数据受到设备事件、维修错误、不适当的失效报告、年限混杂的设备的报告、设备工作时间的错误记录以及混合工作环境条件的影响而发生了变化。这些影响的总和会促使人们认为有接近恒定的风险率产生。此外，较早的器件具有固有的失效机理，这些机理把自己表现为导致恒定失效率的若干子族的早期致命性与磨损失效。


6）可靠性预计模型是以工业界失效率平均值为依据的，它既不是卖主也不是器件特有的。例如，失效数可来自非控制制造方法引起的缺陷，有些失效数是未知的，有些是花了很多钱来控制的。在这样的情况下，失效并不代表作为可靠性预计依据的现场失效。

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7) 可靠性预计是以不适当的统计模型为依据的。例如，在西屋公司的一批射频放大器中检测到一个失效，在热循环期间该放大器的绝缘材料与封装磨擦受损，这样就导致放大器短路。失效分析期间，放大器的X射线检测结果确认了这个问题。在给定条件下存在布线图案失效（与随机失效相对）的事实，证明原先的MIL-HDBK-217建模假定是错误的，而且证明需要进行设计改进、质量改进或检验。



8）传统可靠性预计方法会产生变化很大的评估结果。举一个例子来说，具有7064K DRAM的存储电路板在“地面温和”环境和400C温度下使用不同预计方法所预计的可靠性在700非特到4240460非特之间变化。过分乐观的预计会增加系统的费用（例如，采用过分的试验或冗余要求），或延迟甚至终结部署。这样，这些方法不应该用于预先评估、原始或初始设计折衷中。






2．替代方法：失效物理



许多领先的美国商业公司现已抛弃了传统可靠性预计方法，它们使用基于失效机理、失效模式和失效引起的应力的根本原因分析的可靠性评估方法。这种称为失效物理的方法已证明对产品的设计、制造和工作相关的失效预防、检测与纠正有效。



电子产品的失效物理（PoF）方法是以这种事实为根据的：失效机理是由基本的机械、电气、热与化学过程支配的。通过了解可能的失效机理，新的和现有的技术中存在的潜在问题在它们出现之前就可以被识别和解决。



PoF方法是在设计阶段开始的。基于客户的需要和供应商的能力，设计师确定了产品的要求。这些要求可包括产品的功能、物理、可测试性、维修性、安全性和可用性特性。同时，使用环境首先被广泛地确定为航空航天、汽车、商业办公室、贮存或类似条件，然后专门确定为一系列规定的温度、湿度、振动、冲击或其它条件。这些条件应接受测量或由客户作出规定。根据这种信息，设计师通常借助于计算机对作用于产品的热、机械、电气和机电应力进行建模。 　




其次，把应力分析与所选材料与结构的应力响应的知识相结合，以识别哪里出现失效（失效点），以什么形式失效（失效模式）和如何发生失效（失效机理）。



失效一般是由这4个应力中的一个造成的：机械应力、电应力、热应力或化学应力。失效一般是在单一过应力的应用中或由于较低等级应力中超时损伤的积累而产生的。潜在失效机理一旦被识别，就可利用专用失效机理模型。可靠性评估包括：计算每个潜在失效机理的失效前时间，然后使用电路只是象最弱环节那么强的原理，把主要失效点与机理选作导致失效前最短时间的因素。评估用的这种信息可用来测定产品是否在指定的使用期中能正常工作，或它还可用来根据主要失效机理来重新设计产品，以增强产品的健壮性。失效物理方法也可用来鉴定设计与制造过程，以保证标称设计和制造规范符合或超过可靠性目标。



诸如飞力浦公司与马里兰大学的CALCE 电子封装研究中心之类的机构已开发出计算机软件来实施元件级的失效物理分析。许多机构有用于电路级的失效物理软件。这些软件工具可实行设计、计划制订和可靠性评估。

3．结束语



失效物理方法已成功地用于机械和航空航天等结构的设计中。美国陆军已揭示出许多传统可靠性预计方法相关的问题，并已宣布在陆军规范中停止使用MIL-HDBK-217。目前，美国陆军已编制了推荐包括失效物理在内的最佳商用惯例的“军事采办手册—179A”。