一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法及系统，所述预测方法包括如下步骤：步骤S1，对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；步骤S2，拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；步骤S3，构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；步骤S4，构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。本发明专利技术通过构建加速模型解决了在有限时间内快速预测PCB绝缘寿命的问题，尤其适用于PCB可靠性技术领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及PCB绝缘寿命
，尤其涉及一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法及系统。
技术介绍
印刷电路板(Printed Circuit Boards，简称PCB)作为电子设备的基础元件，巧妙地实现了电路导通和基板绝缘的结合，在计算机、数控、电子仪器等领域中应用广泛，地位至关重要。其中，绝缘可靠性是PCB两大可靠性之一，其可靠性水平成为影响电子设备完成既定任务的重要因素。PCB的绝缘特性首先与基材类型相关，FR-4环氧玻璃布覆铜板，因其具有良好的机械性能和介电性能，较好的耐热性，成本适中等特点，在实际工程中应用广泛。但是环氧预浸料覆铜板具有较强的吸水性，而且所使用的半固化片具有较高的湿度敏感性，同时金属铜对电化学迁移(Electrochemical Migration，简称ECM)也是十分敏感的，因此在高温高湿偏置电压(Temperature,Humidity and Bias,简称THB)作用下PCB发生绝缘失效的概率也较高，这对PCB的绝缘可靠性提出了挑战。PCB在贮存或使用过程中的失效，最具代表性的是由绝缘性能下降引起的漏电或短路故障。其中，高温、高湿及偏压环境下的电化学迁移(ECM)是PCB绝缘性能发生劣化甚至导致短路故障发生的主要原因。ECM的定义根据《IPC-9201Surface Insulation Resistance Handbook》中的描述“当PCB在高温、高湿的恶劣环境中，其相邻导体间又有偏压的情况下，逐渐发生的金属离子迁移，并在板面析出金属或其氧化物，该过程称为ECM，析出物质一般呈树枝状而被称为枝晶。”国内外研究表明，在不同电场力作用下，枝晶生长速率是随着其加载的偏置电压的变化而变化的，在高电压作用下，枝晶生长速率较快，反之较慢。随着电路高度集成化的发展，PCB层数不断增加，线宽和线距都趋于细化，因此PCB工作在高温、高湿的环境中发生ECM的概率进一步提高。这是由于在环境湿度较大地区的空气水分为金属离子溶解和沉淀提供了溶液媒介，PCB在高速负载操作下运行温度不断上升从而加深了化学反应程度，而这种湿热的环境为离子迁移提供了通道，同时，PCB上的导电电路本身处于带电状态，为ECM的形成提供了电势差，使离子迁移和枝晶生长获得了动力，枝晶的形成最终导致PCB导线间或者孔间绝缘性能降低，严重时引起线路间的短路，甚至烧毁元器件，这对PCB的绝缘可靠性提出了挑战。目前工程中常用的可靠性预测与评估都是基于失效时间(寿命)数据的，然而，在很多情况下产品的实际失效并不是突发失效，而是性能随时间发生退化，也可以说，产品的失效是由于性能退化导致的，这类失效称为退化失效。在产品性能退化过程中，通常会对关键特征(即该特征失效会引发产品甚至系统灾难性失效)退化进行监测，当退化量随着时间的累积发展并达到一定失效临界值(通常称为失效标准或失效阀值)时，产品就会发生故障失效。这种通过产品性能指标退化量来估计产品可靠性的试验，称为退化试验。退化试验可以在正常工作条件或加速条件下进行，后者称为加速退化试验(Accelerated Degradation Test，简称ADT)。加速退化试验是在保证产品失效机理不变的前提下提高某些应力水平，使产品性能加速退化，并通过分析高应力水平下的退化数据来估计产品可靠性的试验方法。由于PCB属于高可靠性、长寿命产品，在可靠性寿命试验过程中会出现极少失效甚至零失效的现象，这给可靠性评估与预测带来了困难。考虑到产品的性能退化数据包含了大量可靠性信息，本专利技术通过分析在不同环境下的性能退化数据以达到预测PCB正常工作状态下绝缘寿命的目的，在节省试验时间和试验费用的前提下，实现对PCB的绝缘可靠性快速预测。现有测评技术中，在对长寿命产品进行可靠性评估时，需要大量的试验时间去收集失效数据，进而提高了预测成本，甚至一些高可靠产品在一定试验时间内无数据失效或极少数据失效，因而无法准确地对其可靠性进行评估。基于加速退化试验技术，可以根据产品的性能退化量随时间的变化规律来对产品的可靠性进行评估，因此，这是解决高可靠、长寿命产品可靠性评估问题的良好途径。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法及系统。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，包括如下步骤：步骤S1，对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；步骤S2，拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；步骤S3，构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；步骤S4，构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。本专利技术的有益效果是：通过采用执行高温高湿条件下的偏压应力退化试验，拟合性能退化轨迹模型、构建偏压应力加速模型以及建立温度和湿度应力与失效寿命的关系函数等技术手段，能够解决现有技术中在有限时间内快速预测PCB绝缘寿命的技术问题。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进进一步地，步骤S1的具体实现为：步骤S11，将多块PCB放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱的温度设定为T，湿度设定为RH；步骤S12，将多块PCB分为S组，S≥4，每组包括ni块PCB，ni≥3，i表示第i组,且i＝1,2,…,S，将块数为n1，n2，…，nS的PCB分别放在偏压应力水平为V1，V2，…，VS下进行恒加退化试验；步骤S13，每隔一段时间，测量并记录各PCB的表面绝缘电阻值。采用上述进一步方案的有益效果是：通过提高环境温度和湿度应力，实施加速偏压应力性能退化试验，可以快速得到PCB绝缘退化轨迹特性，同时可以更真实地描述工作环境因素对PCB绝缘失效的影响，加速绝缘预测过程，有效节约试验时间和成本。进一步地，步骤S2的具体实现为：将所述性能退化轨迹模型中PCB的表面绝缘电阻值下降到预设失效临界值时对应的寿命作为PCB的伪失效寿命。采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用性能退化数据分析技术，可以在PCB绝缘寿命预测中失效数据不足甚至零失效的情况下，也能方便地执行绝缘寿命预测，克服现有技术中缺乏失效寿命数据的问题。进一步地，步骤S3的具体实现为：步骤S31，构建绝缘寿命分布模型为式中，i＝1,2,…,S，t表示绝缘寿命，ηi表示特征寿命，mi表示形状参数，F(t)表示以t为变量的函数；在所述绝缘寿命分布模型中,将伪失效寿命当作绝缘寿命，采用最好线性不变估计方法计算得到特征寿命ηi和形状参数mi；步骤S32，构建偏压应力加速模型为：式中，a，b表示待估参数，Vi表示偏压应力；根据步骤S31中计算得到的特征寿命ηi,计算得出待估参数a和b；步骤S33，利用构建的绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，计算PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命。采用上述进一步方案的有益效果是：构建出绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，把伪失效寿命当做绝缘寿命，计算得到模型的待估参数，进而计算出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；步骤S2，拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；步骤S3，构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；步骤S4，构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。

【技术特征摘要】
1.一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，对多块PCB在高温高湿条件下进行偏压应力加速退化试验，采集各PCB的表面绝缘电阻值；步骤S2，拟合PCB的表面绝缘电阻值得到性能退化轨迹模型，并根据所述性能退化轨迹模型计算得到各PCB的伪失效寿命；步骤S3，构建偏压应力加速模型，根据伪失效寿命计算偏压应力加速模型待估参数，进而根据所述偏压应力加速模型得到PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命；步骤S4，构建高温高湿条件与绝缘寿命的关系模型，根据所述关系模型得到PCB在室温条件下的绝缘寿命。2.根据权利要求1所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，步骤S1的具体实现为：步骤S11，将多块PCB放置在高低温湿热环境试验箱中，试验箱的温度设定为T，湿度设定为RH；步骤S12，将多块PCB分为S组，S≥4，每组包括ni块PCB，ni≥3，i表示第i组,且i＝1,2,…,S，将块数为n1，n2，…，nS的PCB分别放在偏压应力水平为V1，V2，…，VS下进行恒加退化试验；步骤S13，每隔一段时间，测量并记录各PCB的表面绝缘电阻值。3.根据权利要求1所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，步骤S2的具体实现为：将所述性能退化轨迹模型中PCB的表面绝缘电阻值下降到预设失效临界值时对应的寿命作为PCB的伪失效寿命。4.根据权利要求2所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，步骤S3的具体实现为：步骤S31，构建绝缘寿命分布模型为式中，i＝1,2,…,S，t表示绝缘寿命，ηi表示特征寿命，mi表示形状参数，F(t)表示以t为变量的函数；在所述绝缘寿命分布模型中,将伪失效寿命当作绝缘寿命，采用最好线性不变估计方法计算得到特征寿命ηi和形状参数mi；步骤S32，构建偏压应力加速模型为：式中，a，b表示待估参数，Vi表示偏压应力；根据步骤S31中计算得到的特征寿命ηi,计算得出待估参数a和b；步骤S33，利用构建的绝缘寿命分布模型和偏压应力加速模型，计算PCB在高温高湿条件不同偏压应力下的绝缘寿命。5.根据权利要求1所述一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测方法，其特征在于，步骤S4的具体实现为：步骤S41，构建绝缘寿命、温度和湿度的关系模型为： t = m × ( R H ) n × exp ( E a k T ) ]]>式中，t表示绝缘寿命,RH表示湿度，T表示温度，Ea表示激活能，k表示玻尔兹曼常数，m，n表示待估参数；步骤S42，根据高温高湿条件下的绝缘寿命，计算得出室温条件下的绝缘寿命。6.一种基于加速退化试验的PCB绝缘寿命快速预测系统，其特征在于，包括表面绝缘电阻值采集模块、性能退化轨迹建模模块、偏压应力建模模块和绝缘寿命预测模块；...

【专利技术属性】
技术研发人员：解传宁，应华，
申请(专利权)人：烟台大学，
类型：发明
国别省市：山东;37