基于自适应策略的电路板寿命评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于概率失效物理模型和多层蒙特卡洛仿真方法的电路板寿命评估方法，该方法能显著提高电路板寿命评估工作的效率。步骤如下：1基于失效物理模型估计失效前时间分布参数。2基于元器件失效时间构建有显著性影响的元器件集合。首先对电路板上的全部元器件进行抽样，确定对电路板寿命具有显著影响的元器件集合，其次，按照能够最大化多层蒙特卡洛仿真效率的方法选择其他层次器件集合。3基于多层蒙特卡洛方法评估电路板平均寿命。包括初始样本数的设定、核心集合及外层集合的样本数的更新方法，仿真终止条件的判定，结果输出。

Life assessment method of printed circuit board based on adaptive strategy

The invention discloses a PCB life assessment method based on probabilistic failure physical model and multi-layer Monte Carlo simulation method, which can significantly improve the efficiency of PCB life assessment. The steps are as follows: 1 estimating the time distribution parameters before failure based on the failure physical model. 2 build a significant collection of components based on component failure time. Firstly, all the components on the circuit board are sampled to determine the set of components that have a significant impact on the life of the circuit board. Secondly, according to the method that can maximize the efficiency of multi-layer Monte Carlo simulation, other layers of components are selected. 3 based on multilayer Monte Carlo method, the average life of PCB is evaluated. Including the setting of the initial sample number, the updating method of the core set and the outer set, the determination of the termination conditions of the simulation, and the output of the results.

【技术实现步骤摘要】
基于自适应策略的电路板寿命评估方法所属
本专利技术提供了一种基于概率失效物理模型和多层蒙特卡洛仿真方法的电路板寿命评估方法。它适用于在设计阶段对包含大量元器件的电路板进行寿命评估，通过划分对板级寿命有显著影响元器件集合和非显著影响元器件集合，自适应调整元器件的采样次数，来改进原来仿真过程中对所有元器件采用固定的采样数的方法，从而实现在相同精度约束下，显著提高仿真效率。本专利技术属于可靠性与系统工程领域。
技术介绍
现代电子元器件的工艺水平迅猛发展，高质量元器件具备高可靠、长寿命的特征，由多个元器件构成的电路板具有同样的特征。这些特征导致利用传统的可靠性预计方法(如GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》)、可靠性试验等手段对电路板寿命进行评估既不经济也不高效。当前，基于失效物理模型的可靠性预计方法已在国内外获得越来越多的应用。该方法从电子元器件及其封装的失效机理出发，能够综合考虑包含热、振动、电等多种应力对元器件寿命的影响。在已有失效物理模型的基础上，可以大量降低元器件进行可靠性试验的成本，有效节约试验时间，实现电路板设计的快速迭代过程。但是，基于失效物理模型的寿命评估方法需要进行多次仿真，而仿真过程对于计算资源和时间的都是极大的消耗。如何提升仿真效率及降低计算资源消耗是应用该方法需要解决的首要问题。本专利技术基于概率失效物理模型和多层蒙特卡洛仿真方法可以实现自适应调整采样次数，在相同精度下快速收敛的效果，相较于一般的寿命评估仿真方法有显著的效率提升。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于概率失效物理模型、多层蒙特卡洛仿真方法的电路板寿命评估方法。目的和解决的问题是：提升基于概率失效物理模型的电路板寿命评估方法的效率。该方法首先对电路板上的全部元器件及其封装进行多次仿真，确定对电路板寿命具有显著影响的元器件、金属化孔(PlatingThroughHole,PTH)及封装集合，同时构建以显著影响的元器件集合为核心的多个具有递进包含关系的元器件集合；其次，设定初始的抽样样本数，通过对上步中所构建的多个元器件集合进行抽样，并根据下文所述的公式计算各个层次集合需要新增的样本数；最后，根据总体样本的方差判定仿真过程是否结束，输出仿真结果。本专利技术是一种基于概率失效物理模型、多层蒙特卡洛仿真模型的电路板寿命评估方法，主要包含以下三部分：第一部分：基于失效物理模型估计失效前时间分布参数。各元器件的失效物理模型是开展电路板基于概率失效物理模型评估的基础，其评估过程包括以下三个步骤：步骤1：确定元器件的几何参数、工艺参数，材料参数、封装参数等，设定元器件尺寸(如长、宽、高)分散性，设定影响元器件寿命的热和振动等因素的参数的分散性。步骤2：执行初步的蒙特卡洛仿真过程，在每一次仿真过程中，将失效物理模型所需参数代入模型得到元器件的失效时间，因此多轮仿真后可以得到元器件在不同失效机理下的失效时间序列。步骤3：对步骤2中得到的失效时间序列进行分布拟合，得到各元器件的失效时间(寿命)分布类型和分布参数。第二部分：基于元器件失效时间构建有显著性影响的元器件集合。电路板的寿命通常情况下由其包含的失效时间较短的元器件决定。可以通过对所有元器件进行预采样得到全部器件的平均失效时间，因此，按照平均失效前时间从小到大排序即可得到元器件对电路板寿命影响的显著程度排序。再利用下文中所述的方法获得对电路板寿命有显著影响的元器件集合，仅对该集合进行抽样即可评估电路板的寿命，但是该评估值存在较大的误差。因此，再结合其余的元器件集合进行抽样，可以进一步修正电路板寿命评估的精度。而在该方法中具有递进包含关系的元器件集合是多层蒙特卡洛仿真的基础，其构建过程包括如下三个步骤：步骤1：确定具有递进包含关系的集合个数L。一般情况下，元器件全集为集合CL，满足如下递进关系：且有其中m＝|CL|为元器件的总数步骤2：确定第0层的元器件集合。分别对每一个器件的失效时间进行采样，按照从小到大的顺序排列得到的样本平均值，取前的器件作为第0层的元器件集合。步骤3：确定其他各层的元器件集合。为最大化多层蒙特卡洛仿真抽样效率，可以抽取剩余元器件中与上一层的失效时间差最大的元器件构成当前层的器件集合，公式如下：当前层的元素个数为l表示当前层数，Tl-1为上一层次的抽样时间，k表示剩余器件的索引标识，j表示抽样索引标识，表示剩余器件的在第k个器件在第j次抽样的时间样本值。第三部分：基于多层蒙特卡洛方法评估电路板平均寿命。通过应用多层蒙特卡洛仿真，电路板的平均寿命在给定的精度ε约束下，自适应调整多层蒙特卡洛仿真层数和采样数，直至达到给定的精度，其基本过程包括如下五个步骤：步骤1：设定初始层数各层次的初始样本数Nl。步骤2：对各层次的元器件集合进行抽样，按照如下公式求得每一层次的采样结果Yl步骤3：计算各层样本的方差Var(Yl)(Yl为各层的样本值)，同时计算下式，若有成立，则令然后转步骤5；否则Nl不变，转步骤4。步骤4：在各层中对新增的样本数进行采样，然后转到步骤3。步骤5：若|Yl|≥ε，令转到步骤3；若|Yl|＜ε，则终止仿真过程，返回估计结果附图说明图1基于概率失效物理模型和多层蒙特卡洛仿真方法电路板寿命评估方法架构图2设计阶段电路板模型图3器件失效时间估计流程具体实施方式实施方式说明：提供了一种基于概率失效物理模型、多层蒙特卡洛仿真方法的电路板寿命评估方法，该方法的完整流程如图1所示，具体实施方式说明如下：第一部分：基于失效物理模型估计失效前时间分布参数。各元器件的失效物理模型是开展电路板基于概率的失效物理模型评估方法的基础，构建过程包括如下几个步骤：步骤1：电路板及其上元器件的设计图如图2所示，确定各元器件的材料、封装属性，设定由于工艺导致的元器件在长、宽、高等具有分散性的属性值上的分布类型和分布参数，元器件工作环境中受热和振动影响，而热和振动的随机性变化参数也可以进行设置。电路板子单元中具有分散性的属性如下：表1具有分散性的属性项步骤2：执行初步的蒙特卡洛仿真过程，在每一次仿真过程中，将失效物理模型所需参数代入，迭代1000次后可以得到各器件的失效前时间序列，这里的迭代次数满足失效前时间序列的拟合即可，可根据步骤3中的拟合效果来调整迭代次数。其流程示意如图3所示。步骤3：对失效前时间序列进行分布拟合，得到各器件的失效分布类型和分布参数，结果如表2所示。表2元器件失效前时间分布拟合结果第二部分：构建具有递进包含关系的元器件集合。本部分主要包含多层蒙特卡洛仿真中第0层和非0层集合中元素选择的方法。包括如下3个步骤：步骤1：首先确定具有递进包含关系的集合个数，根据板层上的器件个数可以设置集合的个数为3。步骤2：确定第0层的元器件集合。当前板层上的器件个数m＝12，对每一个器件先进行预采样，预采样的样本量N′＝50，可得到器件预采样的平均失效时间，按照平均失效时间升序进行排列可得表3，取其中的前器件作为第0层的元器件集合，记为C0＝{三极管，贴片三极管，电容，电阻}：表3预采样的平均失效时间序号器件位号平均失效时间(小时)1三极管1.1*E62贴片三极管1.20*E63电容1.21*E64电阻1.24*E6步骤3：确定其他各层的元器件集合。为最大化多层蒙特卡洛抽样的仿真本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于概率失效物理模型、多层蒙特卡洛仿真方法的电路板寿命评估方法，主要包含以下三部分：第一部分：基于失效物理模型估计失效前时间分布参数。各元器件的失效物理模型是开展电路板基于概率的失效物理模型评估方法的基础，其估计过程包括以下三个步骤：步骤1：确定元器件的几何参数、工艺参数，材料参数、封装参数等，设定元器件尺寸(如长、宽、高)分散性，设定影响元器件寿命的热和振动等因素的参数分散性。步骤2：执行初步的蒙特卡洛仿真过程，在每一次仿真过程中，将失效物理模型所需参数代入模型得到元器件的失效时间，，因此多次仿真后可以得到元器件在不同失效机理下失效前时间序列。步骤3：对步骤2中得到的失效前时间序列进行分布拟合，得到各元器件的失效分布类型和分布参数。第二部分：基于元器件失效时间构建有显著性影响的元器件集合。电路板的寿命通常情况下由其失效前时间较短的元器件决定。可以通过对所有元器件进行预采样得到全部器件的平均失效前时间，因此，按照平均失效前时间从小到大排序即可得到元器件对电路板寿命影响的显著程度排序。因此可以对这部分器件进行大量的估计利用下文中所述的方法可以得到对电路板寿命有显著影响的元器件集合，仅对该集合进行抽样即可得到对电路板寿命评估。此外，再结合其余的元器件集合进行少量的抽样，可以进一步修正电路板寿命评估的精度。而在该方法中具有递进包含关系的元器件集合是多层蒙特卡洛仿真的基础，其构建过程包括如下三个步骤：步骤1：首先确定具有递进包含关系的集合个数L。一般情况下，元器件全集为集合CL，满足如下递进关系：...

【技术特征摘要】
1.一种基于概率失效物理模型、多层蒙特卡洛仿真方法的电路板寿命评估方法，主要包含以下三部分：第一部分：基于失效物理模型估计失效前时间分布参数。各元器件的失效物理模型是开展电路板基于概率的失效物理模型评估方法的基础，其估计过程包括以下三个步骤：步骤1：确定元器件的几何参数、工艺参数，材料参数、封装参数等，设定元器件尺寸(如长、宽、高)分散性，设定影响元器件寿命的热和振动等因素的参数分散性。步骤2：执行初步的蒙特卡洛仿真过程，在每一次仿真过程中，将失效物理模型所需参数代入模型得到元器件的失效时间，，因此多次仿真后可以得到元器件在不同失效机理下失效前时间序列。步骤3：对步骤2中得到的失效前时间序列进行分布拟合，得到各元器件的失效分布类型和分布参数。第二部分：基于元器件失效时间构建有显著性影响的元器件集合。电路板的寿命通常情况下由其失效前时间较短的元器件决定。可以通过对所有元器件进行预采样得到全部器件的平均失效前时间，因此，按照平均失效前时间从小到大排序即可得到元器件对电路板寿命影响的显著程度排序。因此可以对这部分器件进行大量的估计利用下文中所述的方法可以得到对电路板寿命有显著影响的元器件集合，仅对该集合进行抽样即可得到对电路板寿命评估。此外，再结合其余的元器件集合进行少量的抽样，可以进一步修正电路板寿命评估的精度。而在该方法中具有递进包含关系的元器件集合是多层蒙特卡洛仿真的基础，其构建过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：任羿，李志峰，孙博，杨德真，冯强，王自力，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11