李永強(qiáng)，呂衛(wèi)民

(海軍航空大學(xué) 岸防兵學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

環(huán)境適應(yīng)性是設(shè)備本身固有的質(zhì)量屬性[1]，不同的設(shè)備具有不同的環(huán)境適應(yīng)能力，同一設(shè)備在不同環(huán)境中也具有不同的環(huán)境適應(yīng)能力。當(dāng)前，對(duì)于軍事裝備的環(huán)境適應(yīng)性能力評(píng)估往往停留在定性階段，認(rèn)為裝備在設(shè)定環(huán)境中能夠持續(xù)工作一定的時(shí)間且不損壞即可。尤其是在熱環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估中，僅依照美軍軍用標(biāo)準(zhǔn)中推薦的5個(gè)高低溫循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)[2]。此種做法得到的僅是裝備在設(shè)定環(huán)境溫度下的最短可靠工作時(shí)間，不具備代表性和可延伸性。在民營(yíng)企業(yè)中，此種做法常被用來(lái)抽樣檢驗(yàn)批量產(chǎn)品是否合格。但軍事裝備不同于民營(yíng)產(chǎn)品，其數(shù)目較少但造價(jià)高昂，且往往具備固定用途與有限的應(yīng)用范圍領(lǐng)域，所處的熱環(huán)境區(qū)域被劃分為有限的幾類[3]。因此，同一而廣泛的環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件以及固定的高低溫標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于軍事裝備的熱環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估意義有所縮水，往往達(dá)不到理想的效果，且對(duì)于部隊(duì)實(shí)際使用操作及維修處理提供的輔助參考作用十分有限。

美軍對(duì)軍用電子設(shè)備故障的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在多種環(huán)境因素中，有大約55%的故障其主要誘因?yàn)榄h(huán)境溫度。隨著生產(chǎn)工藝及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，集成電路日趨復(fù)雜精密，單位體積內(nèi)產(chǎn)熱功率持續(xù)上升，致使其進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)于環(huán)境的要求[4]。如何改善軍用電子設(shè)備的熱性能，提高其熱環(huán)境適應(yīng)能力，以延長(zhǎng)其使用壽命，逐步成為熱設(shè)計(jì)工程師關(guān)注的熱點(diǎn)。因此，Koizumi等[5]將基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的熱流模擬應(yīng)用于電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，將通過(guò)馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)(MRF)風(fēng)扇模型仿真獲得的P-Q特性與測(cè)得的P-Q特性進(jìn)行比較，驗(yàn)證了MRF方法在電子設(shè)備熱流仿真中的適用性；Nakayama等[6]驗(yàn)證了CFD仿真在緊湊型電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的新作用，并確立了基準(zhǔn)模型在熱分析中的應(yīng)用；Broeck等[7]建立了三維功率電子模塊，完成了其在熱電耦合狀態(tài)下的仿真計(jì)算，并驗(yàn)證了仿真分析的可行性和準(zhǔn)確性。

近些年，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)逐步重視仿真技術(shù)的研究分析，并在武器裝備系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)、戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用、作戰(zhàn)保障以及相關(guān)研制設(shè)計(jì)等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[8-9]。工業(yè)和信息化部電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究所對(duì)軍用電子多芯片組件熱場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，為多芯片組件的分布優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，且將計(jì)算機(jī)熱仿真技術(shù)逐步應(yīng)用到電子器件的熱設(shè)計(jì)評(píng)定方面；清華大學(xué)借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于陶瓷封裝熱阻的模擬；電子科技大學(xué)針對(duì)多芯片組件(MCM)的熱特性進(jìn)行相關(guān)研究，為其熱設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)；中國(guó)科學(xué)院借助仿真軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)于溫度場(chǎng)及電子封裝的分析，并利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總結(jié)了可靠性規(guī)律。

模擬器的兩大功能就是模擬訓(xùn)練與檢測(cè)維護(hù)，實(shí)現(xiàn)的前提是模擬信號(hào)的正確輸入，而作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的MD型模擬器計(jì)算機(jī)開關(guān)量輸入板(簡(jiǎn)稱MIN板)則是功能實(shí)現(xiàn)主體。因此，開關(guān)量輸入板的熱環(huán)境適應(yīng)能力在一定程度上影響了模擬器的適用范圍和使用壽命，必須著重加以分析[10]。為確保MIN板熱環(huán)境仿真的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，本文擯棄了以往在板級(jí)器件仿真時(shí)以等體積方塊代替電子元器件的做法[11]，依據(jù)真實(shí)尺寸構(gòu)建電子元器件并搭建功能板計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型，從根本上抑制了誤差的產(chǎn)生。同時(shí)，依據(jù)部隊(duì)作訓(xùn)任務(wù)及地域劃分制定環(huán)境溫度譜及熱功率譜，以單日為小循環(huán)周期，以年為大循環(huán)周期，以電子元器件加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)、電子元器件熱退化量以及焊點(diǎn)熱疲勞累積損傷為基礎(chǔ)，結(jié)合Arrhenius模型[12]和改進(jìn)C-M方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電子元器件及焊點(diǎn)壽命在北部、東部及南部地區(qū)的預(yù)測(cè)。借助于競(jìng)爭(zhēng)失效完成電子元器件在不同地域的熱環(huán)境適應(yīng)性定量化表征，從而找出MIN功能板在不同熱環(huán)境下的薄弱環(huán)節(jié)，為檢測(cè)維護(hù)和故障檢修提供支持和指引。

1 熱分析與載荷譜

對(duì)于模擬器計(jì)算機(jī)而言，其精密度與復(fù)雜度較高，使得環(huán)境適應(yīng)性相對(duì)較差，為確保仿真的可信度與可靠性，必須真實(shí)地再現(xiàn)裝備貯存和作戰(zhàn)使用時(shí)環(huán)境狀態(tài)。此外，對(duì)于電子設(shè)備而言，其功能模塊內(nèi)熱量的傳遞主要有兩種方式，即熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流[13-14]。熱傳導(dǎo)主要針對(duì)電子元器件與印刷電路板(PCB)之間的熱量傳輸，熱對(duì)流主要針對(duì)空氣流體與電子元器件之間的熱量交換。

1.1 熱傳導(dǎo)相關(guān)參量

(1)

式中：k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)或熱導(dǎo)率(W/(m·K))，用以表征材料導(dǎo)熱性能的好壞；A為傳熱載體橫截面積(m2)；T為電子元器件溫度，ΔT為傳熱載體左右兩側(cè)溫差(K)；x為傳熱載體長(zhǎng)度(m)。由于電子設(shè)備中各電子元器件的制作材料各不相同，且電子元器件產(chǎn)熱功率會(huì)受到自身溫度的影響，為保證仿真分析的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，必須依照真實(shí)狀況設(shè)置熱導(dǎo)率及熱功率。

此外，在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，熱量在媒介之間相互傳輸，而電子元器件溫度為所需數(shù)據(jù)量。因此，在物體所處空間保持不變的情況下，需要借助定容比熱容(單位質(zhì)量物質(zhì)升高單位溫度所需的熱量)完成二者間的相互轉(zhuǎn)化，用cv(J/(kg·K))表示。則可得

(2)

式中：Ei、Eo分別表示流入的熱量、流出的熱量；m為電子元器件質(zhì)量；t為電子元器件壽命。

1.2 熱對(duì)流相關(guān)參量

物體與其相鄰運(yùn)動(dòng)流體之間的傳熱稱為對(duì)流換熱，導(dǎo)入(出)表面的熱流密度和表面對(duì)流換入(出)熱流密度相等是對(duì)流換熱的邊界條件。假設(shè)在表面x=xo處的溫度為T(xo,y,z,t)，周圍流體的溫度為T∞，對(duì)流換熱系數(shù)為h，則對(duì)流邊界條件可表示為

(3)

由于模擬器計(jì)算機(jī)MIN板與其他功能板均處于密閉機(jī)箱內(nèi)，其熱對(duì)流主要由空氣密度差引起[15]，且模擬器計(jì)算機(jī)各功能模塊以豎直陣列排列于機(jī)箱內(nèi)，故可得豎直陣列排列的電子功能模塊對(duì)流換熱系數(shù)為

(4)

1.3 載荷譜

依據(jù)模擬器內(nèi)置溫度傳感器反饋數(shù)據(jù)及其服役單位地域情況，可得其典型使用環(huán)境主要包括3個(gè)地區(qū)，分別為北部地區(qū)、東部地區(qū)以及南部地區(qū)。參照部隊(duì)實(shí)際使用情況和任務(wù)規(guī)劃，除去休整期及其他任務(wù)安排，模擬器每年實(shí)際使用期約為9個(gè)月，且由于從北至南大氣溫度逐步增高以及訓(xùn)練重心的變化，致使單日平均訓(xùn)練使用時(shí)長(zhǎng)依次遞減，分別為1.4 h、1.2 h及0.9 h，其余時(shí)間均置于通用倉(cāng)庫(kù)貯存。模擬器處于工作狀態(tài)時(shí)，MIN板周圍環(huán)境溫度除受到大氣溫度的影響外，機(jī)箱內(nèi)其他功能模塊的產(chǎn)熱也會(huì)對(duì)環(huán)境溫度產(chǎn)生一定的影響；模擬器處于非工作狀態(tài)時(shí)，溫度與大氣溫度保持一致。由于模擬器為高可靠、長(zhǎng)壽命的電子功能部件，且密封機(jī)箱內(nèi)單日溫度變化幅度相對(duì)較小，故以天為循環(huán)周期，取單日機(jī)箱內(nèi)置溫度傳感器數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)天MIN板周圍環(huán)境溫度，并以天為基礎(chǔ)單位計(jì)算電子元器件退化量和連接處焊點(diǎn)疲勞損傷。

此外，依據(jù)使用單位多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，相對(duì)于單日環(huán)境溫度變化量，一年內(nèi)日均氣溫變化量相對(duì)較大，但溫度數(shù)據(jù)逐年差異較小。因此，以天為小循環(huán)單位，以年為大循環(huán)單位，采用累加方式計(jì)算一年內(nèi)電子元器件退化量及連接處疲勞累積損傷。以MIN功能板所處環(huán)境溫度數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，以一年內(nèi)日均溫度相同的天數(shù)作縱坐標(biāo)，統(tǒng)合整理3個(gè)地區(qū)溫度數(shù)據(jù)如圖1所示[16]。由圖1可知，北部、東部、南部地區(qū)溫度依次遞增，且北部地區(qū)日均溫度差異較大，較為分散，而南部地區(qū)日均溫度差異較小，主要集中于25～30 ℃之間。在MIN板的11種電子元器件中，除反相三態(tài)緩沖器和碳膜電阻兩種工作狀態(tài)下自產(chǎn)熱器件熱功率受溫度影響較小外，其余4種電子器件包括光電耦合器、排阻、穩(wěn)壓二極管以及可編程邏輯器件，工作狀態(tài)均受自身溫度限制，其熱功率隨溫度變化如圖2所示[16]。

圖1 3類地區(qū)MIN板在不同環(huán)境溫度下的壽命分布[16]

圖2 電子元器件溫度與熱耗散之間的關(guān)系[16]

2 MIN板熱仿真

2.1 CAD模型構(gòu)建

模擬器MIN板為實(shí)現(xiàn)預(yù)定的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，共包含11種電子元器件，分別是碳膜電阻、排阻、穩(wěn)壓二極管、獨(dú)石電容、鉭電容、光電耦合器、反相三態(tài)緩沖器、可編程邏輯器件以及排針、集成電路圓孔插座和96腳連接器。考慮到電子元器件的布局和外形對(duì)于熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流均會(huì)產(chǎn)生較大的影響，故借助于機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件Solidworks創(chuàng)建電子元器件CAD模型，并采用Top-down形式進(jìn)行裝配，從根本上抑制誤差的產(chǎn)生。由于MIN板上所有電子元器件均為雙列直插封裝(DIP)，且采用通孔插裝焊接的方式與電路板互連，故可依據(jù)兩種配合方式將電子元器件位置固定，分別為標(biāo)準(zhǔn)配合中的同軸心和距離。依據(jù)同軸心配合可將電子元器件管腳鎖定到插孔所對(duì)應(yīng)的豎直空間內(nèi)，依據(jù)距離配合可依據(jù)實(shí)際構(gòu)型設(shè)置管腳底面與電路板底面的距離，從而實(shí)現(xiàn)電子元器件的全自由度約束。MIN板的實(shí)體及CAD數(shù)字樣本分別如圖3和圖4所示。

圖3 MIN板實(shí)物圖

圖4 MIN板CAD模型

2.2 Icepak熱仿真

采用Mesher-HD的網(wǎng)格劃分形式，并借助于Multi-level將MIN板各組成部分設(shè)置為3個(gè)劃分優(yōu)先級(jí)，其中可編程邏輯器件、反相三態(tài)緩沖器以及光電耦合器為最高優(yōu)先級(jí)，PCB板及其上通孔處于最低優(yōu)先級(jí)，其余各類器件處于第二優(yōu)先級(jí)。針對(duì)體積較小的管腳、通孔，主動(dòng)削減網(wǎng)格尺寸，針對(duì)PCB板則加大網(wǎng)格尺寸，以便于在最少網(wǎng)格數(shù)的基礎(chǔ)上完成MIN板的最優(yōu)網(wǎng)格劃分。MIN功能板共計(jì)劃分網(wǎng)格數(shù)為3 658 551，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 631 191，且絕大多數(shù)網(wǎng)格Face aligrment達(dá)到數(shù)值1，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較高。依據(jù)Icepak內(nèi)置熱特性方程，計(jì)算求得Reyleigh約為8 683.9，遠(yuǎn)小于湍流的最低標(biāo)準(zhǔn)，故可得功能板熱對(duì)流應(yīng)采用層流模型。同時(shí)，考慮到空氣作為流體而產(chǎn)生的熱對(duì)流現(xiàn)象，除設(shè)置Flow regime為L(zhǎng)aminar外，還需要考慮重力對(duì)于氣流的影響，且因重力加速度方向與z軸負(fù)方向一致，故設(shè)置其數(shù)值為-9.81.此外，依據(jù)熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流方程，設(shè)置電子元器件相關(guān)熱特性參數(shù)如表1所示。

表1 熱特性參數(shù)

設(shè)置環(huán)境溫度為0 ℃和15 ℃時(shí)，MIN板溫度云圖及熱對(duì)流仿真云圖如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 環(huán)境溫度0 ℃下MIN板溫度云圖

圖6 環(huán)境溫度15 ℃下MIN板溫度云圖

圖7 MIN板熱對(duì)流云圖

由圖5和圖6可知，由于熱功率及材料的差異，使得可編程邏輯器件、反相三態(tài)緩沖器以及光電耦合器溫度較其他器件偏高，而熱功率為零的電容及96腳連接器溫度較環(huán)境溫度上升幅度較小。而且，由于熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流的存在，使得處于光電耦合器之間的排阻、右側(cè)的鉭電容以及處于反相三態(tài)緩沖器及光電耦合器之間的電容溫度較其他位置同等器件差距較大，可作為此類電子元器件的關(guān)鍵處進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。此外，無(wú)論是反相三態(tài)緩沖器還是光電耦合器，其上部器件溫度較下部明顯偏高，且可編程邏輯器件最高溫度部分明顯處于中部偏上位置。

由圖7可得，由于重力的作用，使得冷氣流下降、熱氣流上升，逐步形成3個(gè)較大的氣流循環(huán)圈，且在可編程邏輯器件處出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。此外，氣流在上升過(guò)程中從電子元器件處汲取部分熱量，又逐步逸散到周邊空氣中，達(dá)到了自然對(duì)流散熱的效果。但渦流的產(chǎn)生使得氣流在較小的范圍內(nèi)流動(dòng)，削減了電子元器件對(duì)流散熱的效果。正是由于熱對(duì)流的影響，使得無(wú)論是電子元器件還是電路板，其溫度分布明顯上部偏高、下部偏低。

3 電子元器件熱退化

若T代表電子設(shè)備工作狀態(tài)下的絕對(duì)溫度，C為常參數(shù)，且僅與設(shè)備自身屬性相關(guān)，則可得

MTBF∝eC/T，

(5)

式中：MTBF為平均故障間隔時(shí)間。(5)式表明MTBF與溫度的倒數(shù)為指數(shù)相關(guān)關(guān)系[17]。對(duì)于電子元器件而言，由于其成本低、失效機(jī)理復(fù)雜，致使其可維修性差，使得MTBF往往代表大多數(shù)電子元器件的壽命，即MTBF能在一定程度上表征電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性。

3.1 關(guān)鍵電子元器件溫度

通過(guò)設(shè)置不同的環(huán)境溫度及相應(yīng)溫度下電子元器件的熱功耗進(jìn)行仿真分析，獲取MIN板關(guān)鍵電子元器件溫度隨環(huán)境溫度變化如圖8所示。

圖8 關(guān)鍵電子元器件溫度示意圖

由圖8可得，MIN板上所有電子元器件溫度隨環(huán)境溫度的升高而增大，且部分電子元器件盡管熱功率有所削減，但并不會(huì)對(duì)此趨勢(shì)造成較大的影響。但是，相對(duì)于熱功率不隨溫度變化有所削減的電子元器件，其升溫幅值較小，在圖像中主要表現(xiàn)為斜率偏小且熱功率變化幅度越大的電子器件，其升溫幅度越小。此外，由于穩(wěn)壓二極管、排阻以及獨(dú)石電容中溫度最高的一個(gè)或幾個(gè)都聚集于可編程邏輯器件及光電耦合器附近，且其溫度的一部分是由這兩類電子器件推動(dòng)，隨著可編程邏輯器件與光電耦合器熱功率的削減使得輔助作用減弱，即造成了電阻起初溫度較低但升溫幅度大的現(xiàn)狀。因此，在熱功率波動(dòng)不太大的情況下，環(huán)境溫度對(duì)于電子元器件溫度的升降起到主要影響作用。參照北部、東部和南部3個(gè)地區(qū)反饋的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，可得3個(gè)地區(qū)溫度分布差異較大，且由北向南逐步遞增，故可得在3個(gè)不同的地區(qū)，MIN板工作狀態(tài)下電子元器件溫度必然會(huì)有所差異，進(jìn)而影響到功能板整體的環(huán)境適應(yīng)性。

3.2 Arrhenius模型

針對(duì)電子元器件的熱失效，借助于Arrhenius模型，以加速退化試驗(yàn)所得的固定溫度下芯片預(yù)測(cè)壽命為基礎(chǔ)，等效求解在真實(shí)溫度載荷下微控制器芯片的預(yù)測(cè)壽命。Arrhenius模型表達(dá)如(6)式：

(6)

式中：M為電子元器件特性值的退化量；A0為常數(shù)；Ea為失效反應(yīng)活化能；K為Boltzmann常數(shù)，取8.62×10-5eV/K.

由(6)式可得其由溫度導(dǎo)致的加速倍率計(jì)算公式如下：

(7)

式中：Ls為高溫下的壽命；Ln為正常溫度下的壽命；Tn為芯片在正常環(huán)境下溫度；Ts為芯片在高溫狀態(tài)下的溫度。

考慮到多數(shù)電子元器件其活化能僅與失效機(jī)理相關(guān)，并不與溫度同步變化，且電子設(shè)備的失效機(jī)理很大程度上由功能原理和使用環(huán)境決定。因此，依據(jù)實(shí)際使用情況，可得MIN板電子元器件的失效機(jī)理及活化能如表2所示。

表2 關(guān)鍵電子元器件活化能

3.3 加速退化試驗(yàn)

電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究所研究表明[16]，電阻元器件的失效多數(shù)屬于致命性失效，其失效器件測(cè)試結(jié)果的主要表現(xiàn)為開路，小部分是阻值漂移，短路的失效模式在電阻器中很少見到。開路的主要原因是電阻器電阻體的氧化將使電阻值增大，使得電阻器逐步老化，最終開路失效。電容的電容量是反映電容是否失效的最重要參數(shù)，由于實(shí)際電容總是存在一些損耗且引線和電極卷曲等結(jié)構(gòu)上的影響，電容可等效為電阻、電感、電容的串聯(lián)電路。在測(cè)量電容器電容時(shí)，為避免電流的“雪崩”現(xiàn)象，需串聯(lián)1 kΩ電阻后進(jìn)行測(cè)量，且失效分析過(guò)程中可測(cè)試到電容短路、開路和容量變化等現(xiàn)象。對(duì)于二極管而言，當(dāng)對(duì)理想PN結(jié)外加電壓時(shí)，會(huì)有電流流過(guò)，但其電流與電壓的關(guān)系是非線性的。長(zhǎng)期工作的二極管，歐姆接觸退化，導(dǎo)通電阻會(huì)變大，最終器件會(huì)由于功耗過(guò)大而燒毀。以電容量變化幅值相對(duì)于初始電容量百分比作為獨(dú)石電容的退化參量，以電阻值變化幅值相對(duì)于初始阻值百分比作為電阻以及二極管的退化參量，其失效閾值分別為15%、15%和12%.

由于集成電路引腳在電源和地之間都有一個(gè)二極管，集成電路引腳和電源和地之間的電流-電壓特性都類似二極管[18]。集成電路端口測(cè)試就是測(cè)試集成電路引腳和電源或地之間的二極管特性。端口測(cè)試的異常分為開路、短路和漏電增加這幾種情況。對(duì)于可編程邏輯器件，只需要確保輸入的高低電壓信號(hào)能夠得到正確的反饋和解碼，因此，考慮到工作電壓和工作電流的大小，其管腳端口阻值變化范圍在8%以內(nèi)，即可正常工作；對(duì)于反相三態(tài)緩沖器而言，為了更好地協(xié)調(diào)高低速工作電路，必須正確地對(duì)于使能輸入進(jìn)行判定，以決定輸出有效還是處于高阻狀態(tài)?？紤]到管腳端口的電壓電流特性，在阻值變化范圍在10%以內(nèi)時(shí)器件可用，反之則認(rèn)定失效；對(duì)于光電耦合器而言，為避免輸入輸出信號(hào)產(chǎn)生耦合且精確地完成電-光-電的轉(zhuǎn)換，依據(jù)MIN功能板的性能要求，可得其管腳阻值變化范圍閾值為12%.

在以溫度為加速因子的加速退化試驗(yàn)中，溫度不同所導(dǎo)致誤差的不同，其實(shí)質(zhì)是加速倍率的不同導(dǎo)致的誤差的不同，而樣本數(shù)不同所導(dǎo)致的精確度誤差實(shí)質(zhì)是樣本壽命均值與器件真實(shí)壽命的偏差。因此，對(duì)于不同的電子元器件在同一應(yīng)力載荷下的加速退化試驗(yàn)而言，其最優(yōu)試驗(yàn)方案加速倍率和樣本數(shù)應(yīng)保持一致。故借助于高低溫交變?cè)囼?yàn)箱，如圖9所示，依據(jù)最優(yōu)試驗(yàn)方案[19]，從微控制器件最優(yōu)試驗(yàn)方案的加速倍率和樣本數(shù)出發(fā)，逆用Arrhenius模型可得各關(guān)鍵電子元器件最優(yōu)試驗(yàn)方案，如表3所示，完成關(guān)鍵電子元器件加速退化試驗(yàn)，進(jìn)行為期1 000 h的加速退化試驗(yàn)，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，關(guān)鍵元器件相關(guān)退化量如表4所示。

圖9 溫度試驗(yàn)箱

表3 最優(yōu)加速退化試驗(yàn)方案

表4 關(guān)鍵電子元器件退化量

3.4 關(guān)鍵電子元器件壽命

由加速退化試驗(yàn)可得電子元器件基本失效時(shí)間，以退化量為聯(lián)系，借助于Arrhenius模型將元器件在真實(shí)環(huán)境下使用1 d等效轉(zhuǎn)化為器件溫度為20 ℃時(shí)的退化時(shí)間，并采用累加的方式計(jì)算3個(gè)地區(qū)1 a內(nèi)MIN板等效20 ℃下使用時(shí)間。此外，由于在1 a內(nèi)模擬器工作時(shí)長(zhǎng)約為9個(gè)月，且由北至南工作時(shí)間依次遞減，故可得1 a使用期內(nèi)等效時(shí)長(zhǎng)為

(8)

(9)

(10)

式中：ti為MIN板工作時(shí)長(zhǎng)；Nw,i為電子元器件在第i天處于工作狀態(tài)時(shí)退化速率相對(duì)于20 ℃時(shí)的加速倍率；Np,i為電子元器件在第i天處于貯存狀態(tài)時(shí)退化速率相對(duì)于20 ℃時(shí)的加速倍率；ti表示第i天工作時(shí)長(zhǎng)；Tw,i、Tp,i分別為電子元器件在第i天處于工作狀態(tài)、貯存狀態(tài)時(shí)的溫度。

依據(jù)前文所述，求解關(guān)鍵電子元器件等效時(shí)長(zhǎng)及預(yù)測(cè)壽命如表5所示。

表5 關(guān)鍵電子元器件預(yù)測(cè)壽命

4 焊點(diǎn)熱疲勞

在工作狀態(tài)下，由于電子元器件與電路板溫度存在差異，且電子元器件材料和PCB材料熱膨脹系數(shù)不同，致使二者受熱膨脹體積有所偏差，進(jìn)而作用到焊接二者焊點(diǎn)之上，產(chǎn)生相應(yīng)的熱應(yīng)力、熱應(yīng)變，在不斷周而復(fù)始的熱應(yīng)力作用下，塑性應(yīng)變和蠕變不斷累積，一旦達(dá)到應(yīng)變上限，則會(huì)致使焊點(diǎn)開裂，使得相關(guān)電信號(hào)無(wú)法傳輸，即宣告連接處焊點(diǎn)失效[20]。MIN板在1 a周期內(nèi)從貯存狀態(tài)到工作狀態(tài)再到貯存狀態(tài)，所經(jīng)歷的高低溫并非固定不變，進(jìn)而使得焊點(diǎn)損傷程度也不盡相同。因此，為精確地計(jì)算一個(gè)大周期內(nèi)焊點(diǎn)的損傷情況，則需將實(shí)際使用情況下的電子元器件及焊點(diǎn)處電路板溫度數(shù)據(jù)為參數(shù)，計(jì)算焊點(diǎn)在當(dāng)天的損傷情況，并采用累加的方式計(jì)算總體損傷。

4.1 焊點(diǎn)處電路板溫度

由于電子元器件及電路板的溫差在一定程度上決定了熱應(yīng)力的大小，進(jìn)而影響疲勞損傷的大小，故將電子元器件本身溫度較高且溫差較大處焊點(diǎn)作為危險(xiǎn)焊點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，焊點(diǎn)處電路板溫度如圖10所示。

圖10 危險(xiǎn)焊點(diǎn)處電路板溫度示意圖

由于光電耦合器及可編程邏輯器件熱功耗隨溫度的升高逐步削減，由圖10可知，致使光電耦合器及集成電路圓孔插座處電路板升溫幅度較小，且溫度逐步向其他器件處電路板溫度靠近。

4.2 改進(jìn)C-M方程

對(duì)于通孔插裝焊點(diǎn)而言，其應(yīng)變的產(chǎn)生主要是由于電子元器件和電路板的溫度及熱膨脹系數(shù)的差異，故而使得塑性應(yīng)變主要來(lái)自兩個(gè)部分，一是電子元器件整體和PCB在板面所在平面上由于熱膨脹不同產(chǎn)生的整體應(yīng)變，二是電子元器件管腳和PCB在管腳方向由于熱膨脹不同產(chǎn)生的局部應(yīng)變[21]。依據(jù)美國(guó)馬里蘭大學(xué)CALCE中心主持的故障物理可靠性研究，以及相關(guān)電子設(shè)備故障物理仿真軟件，再次改進(jìn)C-M方程，建立通孔插裝焊點(diǎn)熱疲勞壽命模型如(11)式：

(11)

式中：Tf為熱疲勞壽命；ε為疲勞韌性因子；Ts,j為循環(huán)期平均溫度；f為循環(huán)頻率；Δγg為整體應(yīng)變量，

(12)

F、I、Kd、p、A、h分別為經(jīng)驗(yàn)修正因子、內(nèi)置校準(zhǔn)因子、引腳彎曲剛度、壓力(p=200 psi)、焊點(diǎn)有效面積、焊點(diǎn)名義高度，Lx、αs,x、Ly、αs,y、ΔTs、αc,x、αc,y、ΔTc分別為引腳在x軸方向的跨度、電路板在x軸方向的線性熱膨脹系數(shù)、引腳在y軸方向的跨度、電路板在y軸方向的線性熱膨脹系數(shù)、電路板溫度變化幅值、元器件在x軸方向的線性熱膨脹系數(shù)、元器件在y軸方向的線性熱膨脹系數(shù)、元器件溫度變化幅值；Δγl為局部應(yīng)變量，

(13)

αc、αs、le、b分別為元器件的線性熱膨脹系數(shù)、電路板的線性熱膨脹系數(shù)、引腳焊接處有效長(zhǎng)度、焊點(diǎn)厚度，

(14)

G、El、tl、Eb、tb分別為焊點(diǎn)剪切模量、引腳彈性模量、引腳厚度、電路板彈性模量、電路板厚度。

改進(jìn)C-M方程相關(guān)參量如表6所示。

表6 改進(jìn)C-M方程相關(guān)參量

4.3 危險(xiǎn)焊點(diǎn)預(yù)測(cè)壽命

由MIN板背面視圖(見圖11)可知，所有電子元器件均布局于同一塊電路板上，且電子元器件管腳材料相同，焊點(diǎn)材料相同。此外，為方便使用，所有電子元器件管腳處焊點(diǎn)盡管因管腳直徑的不同，焊點(diǎn)直徑和高度有所差異，但所有管腳均經(jīng)過(guò)修整，其露出PCB長(zhǎng)度一致。由電路板和管腳相關(guān)參數(shù)，可得部分?jǐn)?shù)值固定的參量如表7所示。依據(jù)電子元器件材料、構(gòu)型及其在PCB板上的布局，關(guān)鍵電子元器件其余相關(guān)參量數(shù)值如表8所示。

圖11 MIN板焊點(diǎn)實(shí)物圖

表7 數(shù)值固定參量表

表8 數(shù)值不定參量表

由于在一個(gè)大周期內(nèi)日均環(huán)境溫度并非固定不變，則不能用固定環(huán)境溫度下的循環(huán)周期計(jì)算焊點(diǎn)壽命，需要對(duì)每日焊點(diǎn)的損傷量進(jìn)行累加計(jì)算，一旦達(dá)到損傷極限，則宣告焊點(diǎn)失效[22]。由于焊點(diǎn)的損傷量未知，但可靠循環(huán)周期已知，故將損傷極限視為1，以每日循環(huán)周期的倒數(shù)作為當(dāng)日焊點(diǎn)的損傷量，相關(guān)計(jì)算函數(shù)如(15)式：

(15)

式中：Tp為電子元器件預(yù)測(cè)壽命；Tf,i、Tf,j分別為焊點(diǎn)在工作期和全天處于貯存期可靠循環(huán)周期。

依據(jù)上文所述計(jì)算關(guān)鍵電子元器件焊點(diǎn)預(yù)測(cè)壽命如表9所示。

表9 危險(xiǎn)焊點(diǎn)預(yù)測(cè)壽命

5 熱環(huán)境適應(yīng)性

模擬器MIN板的熱環(huán)境故障主要來(lái)源于兩個(gè)方面，一是電子元器件熱退化失效，二是電子元器件與電路板連接處焊點(diǎn)熱疲勞失效[23]。由于北部、東部和南部地區(qū)熱環(huán)境有所差異，致使電子元器件退化率和焊點(diǎn)熱應(yīng)變有所不同，使得MIN板薄弱處變化更為復(fù)雜，且不同地區(qū)差異較大。由于環(huán)境適應(yīng)性為定性化表述，難以具體評(píng)估，故本文選擇MIN板預(yù)測(cè)壽命定量化評(píng)估其熱環(huán)境適應(yīng)性。此外，由于MIN功能板包含諸多電子元器件及焊點(diǎn)，故采用競(jìng)爭(zhēng)失效的模式，以其薄弱環(huán)節(jié)確定其預(yù)測(cè)壽命及環(huán)境適應(yīng)能力。

5.1 熱環(huán)境壽命預(yù)測(cè)

在假設(shè)焊點(diǎn)不存在虛焊等人為因素導(dǎo)致的安全威脅情況下，焊點(diǎn)壽命由北到南依次遞增，且其最短壽命均大于電子元器件預(yù)測(cè)壽命，故在MIN板的熱環(huán)境適應(yīng)性中起到次要作用，而電子元器件熱退化起到主要作用。依據(jù)電子元器件及焊點(diǎn)預(yù)測(cè)壽命確定的MIN板薄弱點(diǎn)及預(yù)測(cè)壽命如表10所示。

表10 MIN板薄弱點(diǎn)及預(yù)測(cè)壽命

由表10可知，關(guān)鍵電子元器件在北部和東部地區(qū)主要為可編程邏輯器件及三態(tài)緩沖器，而在南部地區(qū)還包含接近于其他高溫器件的獨(dú)石電容，且南部地區(qū)MIN板的預(yù)測(cè)壽命僅為北部地區(qū)的一半左右，間接地表明了溫度對(duì)于電子設(shè)備使用壽命的巨大影響。

5.2 對(duì)比驗(yàn)證

統(tǒng)計(jì)近年來(lái)部隊(duì)模擬器計(jì)算機(jī)MIN板故障情況及時(shí)間如表11所示。

表11 MIN真實(shí)故障統(tǒng)計(jì)表

由于MIN板處于密閉機(jī)箱內(nèi)，濕度變化較小，且接線柜下置橡膠圈，減振效果良好，故環(huán)境溫度對(duì)其壽命影響較大。對(duì)比預(yù)測(cè)壽命及部隊(duì)實(shí)際使用壽命，排除人為因素導(dǎo)致的焊點(diǎn)損傷外，數(shù)據(jù)大致吻合，表明仿真分析的方式能夠在一定程度上對(duì)MIN板熱環(huán)境適應(yīng)性及壽命進(jìn)行評(píng)估。

6 結(jié)論

為精準(zhǔn)地分析模擬器MIN開關(guān)量輸入板的熱環(huán)境適應(yīng)性，本文以任務(wù)-時(shí)間載荷譜為基礎(chǔ)，以電子元器件性能參數(shù)為依托，以電子元器件熱退化和焊點(diǎn)熱疲勞壽命為參量，借助于競(jìng)爭(zhēng)失效模型預(yù)測(cè)MIN板工作壽命，表征其熱環(huán)境適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)于薄弱點(diǎn)的分析獲取，且與部隊(duì)實(shí)際使用情況相吻合，為檢測(cè)維護(hù)和故障處理提供了參考。所得主要結(jié)論如下：

1)MIN板上所有電子元器件溫度變化趨勢(shì)與環(huán)境溫度保持一致，且電子元器件單位體積熱功率的變化并不會(huì)對(duì)此趨勢(shì)產(chǎn)生較大影響，但其在一定程度上決定了電子元器件溫度隨環(huán)境溫度變化的增幅大小。

2)在排除人為因素所導(dǎo)致的焊點(diǎn)隱患情況下，電子元器件熱失效為MIN板故障的主要影響因素，焊點(diǎn)熱疲勞為次要影響因素，且北部地區(qū)MIN板預(yù)測(cè)壽命約為南部地區(qū)的2倍。

3)在MIN板檢測(cè)維護(hù)時(shí)，應(yīng)首先測(cè)試可編程邏輯器件及三態(tài)緩沖器，南部地區(qū)還需考慮獨(dú)石電容，焊點(diǎn)則應(yīng)主要關(guān)注三態(tài)緩沖器和排阻處。