專利名稱：一種基于給定閥值的數(shù)控成品電路板性能退化測評方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于印制電路板技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及ー種基于給定閥值的數(shù)控成品電路板性能退化測評方法。
背景技術(shù)：
印制電路板是電子產(chǎn)品中的主要部件，廣泛應(yīng)用于航空、數(shù)控、計(jì)算機(jī)、自動化儀器等各個(gè)領(lǐng)域，其質(zhì)量性能和穩(wěn)定性對產(chǎn)品來說至關(guān)重要。為了評估和考核其壽命與可靠性指標(biāo)，必須采用加速試驗(yàn)的方法。加速壽命試驗(yàn)也即在超過使用環(huán)境條件的應(yīng)カ條件下促使樣品在短期內(nèi)失效，以預(yù)測在正常使用環(huán)境下的可靠性，但不改變測試樣品的失效機(jī)理。然而，對于具備長壽命、高可靠性的印制電路板來說，在一定試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，即使通過加速試驗(yàn)也只能觀測到相當(dāng)少或根本觀察不到故障發(fā)生。因此，存在著對其壽命和可靠性難以進(jìn)行有效測評的問題。研究發(fā)現(xiàn)，大部分產(chǎn)品的失效機(jī)理最終可以追溯到產(chǎn)品潛在的性能退化過程，因此從某種意義上可以認(rèn)為性能退化最終導(dǎo)致了產(chǎn)品失效或故障的出現(xiàn)。所謂性能退化，是指能夠引起產(chǎn)品性能發(fā)生變化的ー種物理或化學(xué)過程，這ー變化隨著時(shí)間逐漸發(fā)展，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效。產(chǎn)品的失效通常是產(chǎn)品內(nèi)在失效機(jī)理與產(chǎn)品外部環(huán)境和工作條件綜合作用而產(chǎn)生的。當(dāng)產(chǎn)品的功能表征量(ー個(gè)或多個(gè)性能參數(shù))隨時(shí)間的延長而逐漸緩慢的下降，直至達(dá)到無法正常工作的狀態(tài)，則稱這種失效現(xiàn)象為退化型失效，如元器件電性能的衰退、磨損和絕緣老化等引起的失效等均屬于這種失效。失效閥值是用來判斷產(chǎn)品失效與否的臨界值。通常，失效閥值可能是ー個(gè)固定值，也可能是ー個(gè)隨機(jī)變量，它是由實(shí)際工程問題所決定的，工程中的大部分失效閥值都是固定值。相對于失效時(shí)間數(shù)據(jù)來說，產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)包含了更多的可靠性信息，通過產(chǎn)品的性能退化信息可以進(jìn)行有效的可靠性分析與預(yù)測，而且可以更加節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用。因此如果將加速壽命試驗(yàn)引入到性能退化信息的分析處理中，將進(jìn)一歩節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用。尤其對數(shù)控成品電路板這類具有長壽命、高可靠性的產(chǎn)品來說，應(yīng)用加速性能退化數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析將是解決高可靠性、長壽命產(chǎn)品可靠性測評問題的方法之一。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷和/或技術(shù)需求，本發(fā)明的目的在于提出一種基于給定閥值的數(shù)控成品電路板性能退化測評方法，其中通過采用加速性能退化試驗(yàn)的方式來評估數(shù)控成品電路板的可靠性指標(biāo)，相應(yīng)能夠克服現(xiàn)有測評技術(shù)中缺乏失效數(shù)據(jù)的困擾，有效節(jié)約可靠性測評時(shí)間和成本，并有利于系統(tǒng)的維修計(jì)劃和優(yōu)化，因而尤其適用各類數(shù)控成品電路板的可靠性測評過程。按照本發(fā)明，提供了一種基于給定閥值的數(shù)控成品電路板性能退化測評方法，其特征在于，該方法包括下列步驟(a)從待執(zhí)行可靠性測評的數(shù)控成品電路板中取出一定數(shù)量的測評樣板執(zhí)行加速性能退化試驗(yàn)，選取表面絕緣電阻作為加速性能退化特性參數(shù)，并對各個(gè)測評樣板按照設(shè)定的時(shí)間測量并記錄其所對應(yīng)的表面絕緣電阻值；(b)利用所測得的表面絕緣電阻值數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間執(zhí)行擬合，由此建立反映測評樣板退化軌跡的產(chǎn)品加速性能退化模型，同時(shí)計(jì)算出退化模型的參數(shù)值；(C)基于數(shù)控成品電路板所對應(yīng)的失效閥值，并結(jié)合通過步驟(b)所獲得的上述加速性能退化模型，計(jì)算得出各個(gè)測評樣板的偽失效壽命；(d)選取兩參數(shù)的威布爾分布作為測評樣板的壽命分布模型，并利用通過步驟(C)所計(jì)算出的偽失效壽命執(zhí)行擬合檢驗(yàn)，同時(shí)計(jì)算出威布爾壽命分布模型的參數(shù)，由此確定其威布爾分布概率密度函數(shù)；(e)根據(jù)通過步驟(d)所確定的威布爾分布概率密度函數(shù)，計(jì)算出測試樣板的平均壽命，由此完成對數(shù)控成品電路板的性能退化測評過程。作為進(jìn)ー步優(yōu)選地,在步驟(a)中，采用加大溫度應(yīng)力、相對濕度應(yīng)カ和直流偏壓應(yīng)カ的方式執(zhí)行加速性能退化試驗(yàn)。作為進(jìn)ー步優(yōu)選地，在步驟(a)中，所述加速性能退化試驗(yàn)被設(shè)定為定時(shí)截尾加速性能退化試驗(yàn)。作為進(jìn)ー步優(yōu)選地，在步驟(b)中，采用最小二乗法結(jié)合線性回歸法的方式來執(zhí)行擬合，由此建立反映測評樣板退化軌跡的產(chǎn)品加速性能退化模型。作為進(jìn)ー步優(yōu)選地，在步驟(C)中，依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM-650或者Bellcores試驗(yàn)規(guī)范來確定所測評數(shù)控成品電路板所對應(yīng)的失效閥值。作為進(jìn)ー步優(yōu)選地，所述數(shù)控成品電路板為FR-4型環(huán)氧預(yù)浸料覆銅板。作為進(jìn)ー步優(yōu)選地，所述加速性能退化試驗(yàn)以及加速性能退化特征參數(shù)的確立是基于導(dǎo)電陽極絲CAF失效機(jī)理?？傮w而言，按照本發(fā)明的基于給定閥值的數(shù)控成品電路板性能退化測評方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)1、通過提供溫度、濕度和偏壓環(huán)境應(yīng)カ安排加速性能退化試驗(yàn)，可以更為真實(shí)地描述工作環(huán)境因素對印制電路板可靠性的影響，尤其可以觀測到表面絕緣電阻隨時(shí)間變化的退化過程，定量驗(yàn)證了加速性，井能有效節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間和成本；2、通過采用加速性能退化數(shù)據(jù)對電路板性能的退化過程進(jìn)行分析，同時(shí)利用電路板失效與其性能退化之間的關(guān)系對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評定，可以在測試產(chǎn)品出現(xiàn)極少失效甚至零失效的情況下也能方便地執(zhí)行可靠性測評，并克服現(xiàn)有技術(shù)中缺乏失效壽命數(shù)據(jù)的可靠性測評問題；3、對于按照本發(fā)明的性能退化測評方法，其中通過采用執(zhí)行加速性能退化試驗(yàn)、測量表面絕緣電阻、擬合產(chǎn)品加速性能退化模型以及構(gòu)建壽命分布模型等技術(shù)手段，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中在有限時(shí)間內(nèi)電路板難以執(zhí)行可靠性測評的技術(shù)問題，相應(yīng)獲得快速測評結(jié)果、節(jié)省成本，并有助于定量確定可靠性指標(biāo)的技術(shù)效果，驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的合理性，指出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，因此尤其適用于數(shù)控成品電路板可靠性分析等技術(shù)領(lǐng)域。


圖1是按照本發(fā)明的數(shù)控成品電路板性能退化測評的エ藝流程圖2是顯示電路板壽命分布與退化量分布之間關(guān)系的示意圖；圖3是顯示按照本發(fā)明的加速性能退化試驗(yàn)中，各個(gè)測試樣板的絕緣電阻散點(diǎn)與其對應(yīng)運(yùn)行時(shí)間之間的示意圖；圖4是用于顯示各個(gè)測試樣板退化趨勢的示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)ー步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。印制電路板是數(shù)控裝備中的主要部件，隨著數(shù)控技術(shù)復(fù)雜化和智能化的發(fā)展趨勢，數(shù)控成品板上功能電路越來越復(fù)雜，線路密度越來越細(xì)密，層數(shù)越多越多，再加上數(shù)控裝備高速負(fù)載的工作條件和高溫高濕的環(huán)境因素，使電路板導(dǎo)電陽極絲現(xiàn)象CAF(Conductive Anodic Filament)成為ー個(gè)對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生較大影響的因素。所謂CAF現(xiàn)象，是在高溫高濕的環(huán)境下，印刷電路板內(nèi)部的金屬發(fā)生離子化并在電場作用下通過絕緣層向陽極生長而導(dǎo)致絕緣性能下降，造成印刷電路板失效。CAF作為ー種電化學(xué)絕緣破壞現(xiàn)象，其本質(zhì)是復(fù)合材料的界面破壞及電 化學(xué)遷移，它是電路板內(nèi)部的金屬在一定條件下發(fā)生離子化并在電場作用下通過絕緣層向陽極生長而導(dǎo)致絕緣性能下降甚至成為導(dǎo)體，從而造成電路板失效。這種故障在電路板日益小型化和集成化的發(fā)展趨勢下更加顯現(xiàn)出來。然而，對于具備高壽命、高可靠性的印制電路板來說，在一定試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，即便采用加速壽命試驗(yàn)也很難對其可靠性性能、尤其是對CAF現(xiàn)象及其相關(guān)影響進(jìn)行有效測評?？紤]到產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)也包含了大量可靠性信息，本發(fā)明期望通過對產(chǎn)品的性能退化過程設(shè)計(jì)相應(yīng)的測評方法以達(dá)到可靠性分析與預(yù)測的目的，相應(yīng)能夠以更加節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間和成本的方式，來實(shí)現(xiàn)對印制電路板的可靠性測評過程。對于印制電路板產(chǎn)品而言，其退化參數(shù)量|x(t) ;t彡0}可看作一隨機(jī)過程，其ー維分布G(x;t)=P{x(t) 5 x}是退化量與時(shí)間的函數(shù)，ー維密度為g(x;t)。退化型失效產(chǎn)品發(fā)生失效與否由失效標(biāo)準(zhǔn)確定。根據(jù)退化失效定義，當(dāng)退化量x(t)隨時(shí)間變化首次到失效閥值Dtl吋，產(chǎn)品發(fā)生失效；此外，根據(jù)壽命變量定義，產(chǎn)品失效壽命分布函數(shù)F(LDci)=PIT(Dtl)彡t，t彡0}被稱之為退化失效模型。當(dāng)退化量呈下降趨勢時(shí)，可得到退化失效模型與退化量分布函數(shù)之間的關(guān)系為F(t, D0) =P(T(D0)彡t}=P{x(t) ^D0}=G(D0;t)o該關(guān)系可以具體參看圖2，其中f (tDj為產(chǎn)品的失效壽命分布密度函數(shù)。下面將基于以上理論分析，并參照圖1來具體描述按照本發(fā)明的數(shù)控成品電路板性能退化測評方法的エ藝流程。首先，從待執(zhí)行可靠性測評的數(shù)控成品電路板中取出一定數(shù)量的測評樣板，將測評樣板放置在高低溫濕熱環(huán)境試驗(yàn)箱中，這些測試的數(shù)控成品電路板是符合設(shè)計(jì)圖樣、規(guī)范和采購要求，并按ー個(gè)生產(chǎn)批制造出來的數(shù)控印制板。為了保證時(shí)效機(jī)理及失效模式不變的前提下，盡量體現(xiàn)加速效果并考慮到實(shí)際使用環(huán)境和工作條件，因此選擇増加溫度應(yīng)力、相対濕度應(yīng)カ和直流偏壓應(yīng)カ的方式來執(zhí)行加速性能退化試驗(yàn)。在試驗(yàn)中,對各個(gè)測評樣板分別按照設(shè)定的時(shí)間間隔，測量并記錄其所對應(yīng)的加速性能退化特性參數(shù)。在本發(fā)明中，選取表面絕緣電阻作為加速性能退化特性參數(shù)。加速性能退化參數(shù)是隨著產(chǎn)品工作或試驗(yàn)時(shí)間的延長，有明顯的趨勢性變化，能客觀地反映產(chǎn)品的工作狀態(tài)。數(shù)控成品電路板在上述試驗(yàn)條件下所測得的絕緣電阻值以散點(diǎn)圖的形式列舉出來，具體如圖3中所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，成品板的絕緣電阻隨時(shí)間延長以形同趨勢緩慢降低，變化趨勢明顯，因此可進(jìn)一步確定以絕緣電阻為退化特征量，其退化趨勢如圖4所示。接著，利用所測得的表面絕緣電阻值數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間執(zhí)行擬合，由此建立反映測評樣板退化軌跡的產(chǎn)品加速性能退化模型同時(shí)確定其參數(shù)。該擬合方式可以包括多祥，譬如線性回歸法、極大似然估計(jì)和圖形估計(jì)法、最小二乗法等。其中最小二乗法結(jié)合線性回歸法，既可以用于估計(jì)加速性能退化模型中的參數(shù)，也可以用來擬合優(yōu)度檢驗(yàn)以及判斷異常數(shù)據(jù)，因此在本發(fā)明中選擇為優(yōu)選的擬合方式。接著，基于電路板對應(yīng)的失效閥值(事實(shí)上，依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM-650或者Bellc0res試驗(yàn)規(guī)范所確定失效閥值適用于各類印制電路板)，并結(jié)合已經(jīng)獲得的所測評的數(shù)控成品電路板加速性能退化模型，由此可以計(jì)算得出各個(gè)測評樣板的偽失效壽命。接著，選取兩參數(shù)的威布爾分布作為測評樣板的壽命分布模型，并利用所獲得的偽失效壽命執(zhí)行擬合檢驗(yàn)，由此計(jì)算出威布爾壽命分布模型的兩個(gè)參數(shù)也即確定其概率密度函數(shù)。從功能上看，成品板PCB上任何導(dǎo)電線路絕緣失效，都會導(dǎo)致整個(gè)數(shù)控成品板失效，因此數(shù)控成品板失效是ー個(gè)最小極值問題。假定在n條導(dǎo)電線路中，第i條的壽命為Ti (i=l，2，…，n)，每條導(dǎo)電線路的壽命相互獨(dú)立，而且分布都為Fe (t)。則T(l)=min{Tl, T2,…，Tn}的壽命分布即為成品板的壽命分布,其壽命分布函數(shù)可表不如下小(1)(t)=l_P(T⑴〉t)=l-[l_Fe(t)]n(I)Bury已經(jīng)證明，當(dāng)Fe (t)為對 數(shù)正態(tài)分布，且n時(shí)，式(I)趨向于兩參數(shù)的威布爾分布，并且n越大，式(I)所示的分布函數(shù)越逼近于兩參數(shù)威布爾分布。為便于計(jì)算，可用^(1)(t)的漸進(jìn)極小值分布，即兩參數(shù)的威布爾分布代替嚴(yán)格的極小值分布來表示成品板的失效壽命分布。大量實(shí)踐說明，凡是因?yàn)槟骋痪植渴Щ蚬收纤鸬娜謾C(jī)能停止運(yùn)動的元件、器件、設(shè)備、系統(tǒng)等的壽命服從兩參數(shù)的威布爾分布。最后，根據(jù)所確定的威布爾分布概率密度函數(shù)，計(jì)算出測試樣板的平均壽命，由此完成對數(shù)控成品電路板的性能退化測評過程。下面將以ー個(gè)具體實(shí)施例來進(jìn)ー步解釋按照本發(fā)明的數(shù)控成品電路板的性能退化測評方法。首先，選擇某型號的FR-4數(shù)控伺服単元的控制板(板厚2mm，層數(shù)為4層，層間厚度為0. 32mm) 14塊，該測試成品板式符合設(shè)計(jì)圖樣、有關(guān)規(guī)范和采購要求，并按ー個(gè)生產(chǎn)批次制造出來的電路板。測試圖形選取成品板上的一部分導(dǎo)電圖形，測量導(dǎo)電圖形的導(dǎo)線間距，取其算木平均值，得到導(dǎo)線寬0. 162mm，導(dǎo)線間距0. 102mm。試驗(yàn)板放置在高低溫濕熱環(huán)境試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)箱溫度被設(shè)定為90°C，相対濕度設(shè)置為85%RH，偏壓即為選取電路的工作電壓24V (當(dāng)然也可以根據(jù)不同的工作條件提高其偏壓值)，在此條件下執(zhí)行加速性能退化試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，對各個(gè)測評樣板分別按照設(shè)定的時(shí)間間隔，測量并記錄其所對應(yīng)的表面絕緣電阻，并將其數(shù)據(jù)分別作為測評樣板運(yùn)行一定時(shí)間后的加速性能退化特性參數(shù)。接著，利用所測得的表面絕緣電阻值數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間，通過最小二乗法結(jié)合線性回歸法來執(zhí)行擬合，由此建立反映測評樣板退化軌跡的產(chǎn)品加速性能退化模型。最小二乗法的基本原理是選退化模型中的參數(shù)，使觀測值與相應(yīng)的函數(shù)值的離差平最小。通常，最小二乗法是先將模型經(jīng)過線性回歸法換成線性形式，再應(yīng)用最小ニ乘原理求得加速性能退化模型參數(shù)的估計(jì)。根據(jù)圖3所示的退化數(shù)據(jù)特點(diǎn)及走勢可知，先令y(t)=lnR(t)，其中R為t時(shí)間測得的表面絕緣電阻值，然后執(zhí)行y(t)與t的數(shù)據(jù)擬合，可得到數(shù)控成品電路板在溫度-溫度-偏壓綜合環(huán)境下的加速性能退化曲線基本符合y(t)=a+b-t的變化規(guī)律。在本發(fā)明中，建立數(shù)控成品電路板的加速性能模型為y(t)=lnR(t)=a+b*t。最后用最小ニ乘原理求得加速性能退化模型參數(shù)a、b的估計(jì)，具體可表示為a = J - t
權(quán)利要求
1.一種基于給定閥值的數(shù)控成品電路板性能退化測評方法，其特征在于，該方法包括下列步驟 (a)從待執(zhí)行可靠性測評的數(shù)控成品電路板中取出一定數(shù)量的測評樣板執(zhí)行加速性能退化試驗(yàn)，選取表面絕緣電阻作為加速性能退化特性參數(shù)，并對各個(gè)測評樣板按照設(shè)定的時(shí)間測量并記錄其所對應(yīng)的表面絕緣電阻值； (b)利用所測得的表面絕緣電阻值數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間執(zhí)行擬合，由此建立反映測評樣板退化軌跡的產(chǎn)品加速性能退化模型同時(shí)計(jì)算出退化模型的參數(shù)值； (c)基于數(shù)控成品電路板所對應(yīng)的失效閥值，并結(jié)合通過步驟(b)所獲得的上述加速性能退化模型，計(jì)算得出各個(gè)測評樣板的偽失效壽命； (d)選取兩參數(shù)的威布爾分布作為測評樣板的壽命分布模型，并利用通過步驟(C)所計(jì)算出的偽失效壽命執(zhí)行擬合檢驗(yàn)，同時(shí)計(jì)算出威布爾分布模型的參數(shù)，由此確定其分布概率密度函數(shù)； (e)根據(jù)通過步驟(d)所確定的威布爾分布概率密度函數(shù)，計(jì)算出測試樣板的平均壽命，由此完成對數(shù)控成品電路板的性能退化測評過程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(a)中，采用加大溫度應(yīng)力、相對濕度應(yīng)力和直流偏壓應(yīng)力的方式執(zhí)行加速性能退化試驗(yàn)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步驟(a)中，所述加速性能退化試驗(yàn)被設(shè)定為定時(shí)截尾加速性能退化試驗(yàn)。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟(b)中，采用最小二乘法結(jié)合線性回歸法的方式來執(zhí)行擬合，由此建立反映測評樣板退化軌跡的產(chǎn)品加速性能退化模型。
5.如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟(c)中，譬如依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM-650或者Bellcores試驗(yàn)規(guī)范來確定所測評數(shù)控成品電路板所對應(yīng)的失效閥值。
6.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述數(shù)控成品電路板為FR-4型環(huán)氧預(yù)浸料覆銅板。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述加速性能退化試驗(yàn)以及加速性能退化特征參數(shù)的確立是基于導(dǎo)電陽極絲CAF失效機(jī)理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于給定閥值的數(shù)控成品電路板性能退化測評方法，包括(a)選取測評樣板執(zhí)行加速性能退化試驗(yàn)，并測量表面絕緣電阻值；(b)執(zhí)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，建立測試樣板的加速性能退化模型；(c)基于失效閥值并結(jié)合加速性能退化模型，計(jì)算得出測評樣板的偽失效壽命；(d)選取測評樣板的壽命分布模型，并利用偽失效壽命擬合檢驗(yàn)來計(jì)算壽命分布模型的參數(shù)；(e)確定測試樣板的壽命分布概率密度函數(shù)，計(jì)算其平均壽命，由此完成對電路板的性能退化測評過程。通過本發(fā)明，能夠克服現(xiàn)有可靠性測評技術(shù)中失效數(shù)據(jù)的不足，同時(shí)節(jié)約可靠性的測評時(shí)間和成本，并有利于系統(tǒng)的維修計(jì)劃和優(yōu)化。
文檔編號G01R31/28GK103048607SQ20121054624
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者金健, 解傳寧, 宋寶, 張航軍, 葉伯生, 凌文鋒, 唐小琦, 陳吉紅 申請人:華中科技大學(xué)