專利名稱：一種基于貝葉斯理論的電子產(chǎn)品壽命模型概率化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種基于貝葉斯理論的電子產(chǎn)品壽命模型概率化方法(PPoF)，特別是涉及高可靠長壽命電子產(chǎn)品的應(yīng)カ損傷模型的失效概率計(jì)算方法，屬于基于失效物理的可靠性評估技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高可靠長壽命電子產(chǎn)品一般具有性能指標(biāo)高、可靠性高、使用壽命長以及研制費(fèi)用高等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使傳統(tǒng)的可靠性工程技術(shù)已經(jīng)漸漸不能滿足其發(fā)展需求。因此只有在深刻認(rèn)識產(chǎn)品故障的產(chǎn)生規(guī)律和表現(xiàn)規(guī)律，正確描述產(chǎn)品的故障行為，深入分析產(chǎn)品故障機(jī)理，追溯導(dǎo)致故障的根本原因的基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠長壽命要求。為了克服以上問題，可靠性領(lǐng)域的研究學(xué)者從故障出發(fā)，把思路放在了引起故障的根本原因上，研究材料、零件(元器件)和結(jié)構(gòu)的故障機(jī)理，并分析工作條件、環(huán)境應(yīng)力及時間對產(chǎn)品退化或故障的影響。從而產(chǎn)生了基于失效物理的可靠性技木。該技術(shù)經(jīng)過40余年的發(fā)展，現(xiàn)已形成了以美國馬里蘭大學(xué)為核心的若干研究機(jī)構(gòu)，針對電子、機(jī)電等不同種類產(chǎn)品，擁有了豐富的故障機(jī)理模型庫，這些故障物理模型能夠給出故障發(fā)生的時間或性能參數(shù)的退化量與結(jié)構(gòu)、功能、材料、工作應(yīng)カ和環(huán)境條件等的關(guān)系，能夠從失效機(jī)理層次解釋產(chǎn)品為什么故障，何時發(fā)生故障等問題，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)及優(yōu)化。基于故障物理的可靠性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)在日本、臺灣、新加坡、馬來西亞、英國國防部和許多美國領(lǐng)先的商業(yè)電子公司已取得了較為廣泛的應(yīng)用，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)與評估過程中逐漸扮演著重要角色。但是失效物理的方法并沒有考慮物理模型中參數(shù)的不確定性。元器件的失效物理模型建立的是失效前時間與元器件結(jié)構(gòu)、材料、應(yīng)カ等的關(guān)系。對于單個元器件來說，其結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性等參數(shù)是確定的，由此得到的壽命是ー個確定的量值。但是，對于多個元器件，由于加工質(zhì)量、エ藝控制因素的影響，其結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性具有不確定性，服從一定的分布；元器件在使用的過程中，所承受的環(huán)境應(yīng)カ等參數(shù)也具有隨機(jī)性，因此其壽命應(yīng)該是ー個分布。在利用失效物理模型進(jìn)行板級或者產(chǎn)品級壽命評定和分析吋，如果不考慮產(chǎn)品的分散性，得到的結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證或?qū)嶋H得到的結(jié)果就會存在較大的誤差。因此，在現(xiàn)有失效物理模型的基礎(chǔ)上考慮各參數(shù)的分散性是很有必要的。通過對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行檢索和查新，國內(nèi)外尚沒有學(xué)者給出概率化失效物理的明確定義和具體實(shí)施步驟，還沒有基于貝葉斯理論的電子產(chǎn)品失效物理模型概率化的計(jì)算方法。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的失效物理方法的不足，提供ー種基于貝葉 斯理論的電子產(chǎn)品壽命模型概率化方法(PPoF)，該方法是ー種基于應(yīng)カ損傷模型的高可靠長壽命電子產(chǎn)品失效概率計(jì)算方法，它是通過分析導(dǎo)致電子產(chǎn)品故障的各種材料屬性、尺寸、應(yīng)カ等因素的分散性，并研究這些分散性的描述方法；在現(xiàn)有失效物理模型的基礎(chǔ)上考慮加入這些分散性因素，建立失效概率與時間、應(yīng)カ、結(jié)構(gòu)、材料之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)失效物理模型的概率化，為更準(zhǔn)確的描述故障，預(yù)測產(chǎn)品的貯存壽命提供ー種新途徑。2、技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，首先根據(jù)電子產(chǎn)品所處的環(huán)境條件和工作條件，確定各個元器件、部件的主要失效機(jī)理，確定各種機(jī)理對應(yīng)的應(yīng)カ條件以及失效物理模型；然后分析失效機(jī)理中分散性的來源及表征方法，得到分散性參數(shù)的先驗(yàn)分布，并通過蒙特卡洛方法得到壽命服從的先驗(yàn)分布；利用貝葉斯理論更新分散性參數(shù)，與現(xiàn)有的失效物理模型相結(jié)合，得到壽命的概率描述方法；最后利用蒙特卡洛仿真的方法求解壽命的概率化失效物理模型，得到單點(diǎn)故障的概率密度分布及相關(guān)的可靠性指標(biāo)。
本發(fā)明ー種基于貝葉斯理論的電子產(chǎn)品壽命模型概率化方法，其具體步驟如下步驟ー主要失效機(jī)理及物理模型的確定。根據(jù)電子產(chǎn)品所處的環(huán)境條件和工作條件，確定導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要機(jī)理，并選擇恰當(dāng)?shù)氖锢砟Ｐ汀ＪC(jī)理是指引起失效的物理的、化學(xué)的、生物的或其他的過程；失效物理模型是指可靠性物理學(xué)中針對某一特定的失效機(jī)理，在基本物理、化學(xué)、或其他原理的公式和(或)試驗(yàn)回歸公式的基礎(chǔ)上，建立起來的定量地反映故障發(fā)生(或發(fā)生時間)與材料、結(jié)構(gòu)、應(yīng)カ等關(guān)系的數(shù)學(xué)函數(shù)模型，一般形式如下TTF = f(D，M，E)，其中，TTF是故障發(fā)生時間，D是結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，M是材料參數(shù)，E是應(yīng)カ參數(shù)。環(huán)境應(yīng)力主要包括溫度、振動、濕度、電磁等。溫度應(yīng)カ又分為恒溫、溫度循環(huán)、溫度沖擊，振動又分為周期振動和隨機(jī)振動。工作應(yīng)カ主要是指電應(yīng)力。步驟ニ 確定主要失效機(jī)理中各種分散性的來源及表征方法，主要包括a.由于失效物理模型有可能是結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、材料等參數(shù)的隱函數(shù)，導(dǎo)致失效的關(guān)鍵參數(shù)沒有在模型中直接體現(xiàn)，因此要對所選的失效物理模型進(jìn)行分解研究，將參數(shù)分為材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸、エ藝缺陷以及應(yīng)カ等各部分，分析這些參數(shù)是否都具有分散性，分散性是否直接以模型中的參數(shù)體現(xiàn)，是否還需要進(jìn)ー步分解，各參數(shù)之間是否具有相關(guān)性(如溫度和濕度之間、電應(yīng)力和溫度之間的相關(guān)性等)，并通過主因素分析確定失效物理模型中關(guān)鍵參數(shù)的分散性來源。b.確定關(guān)鍵參數(shù)分散性的表征方法。盡管各種參數(shù)的不確定性使其不能用某一具體值表示，但其取值并不是雜亂無章的，而是在一定的范圍內(nèi)波動，服從一定的分布。因此需要通過廣泛調(diào)研或?qū)σ延械膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得這些參數(shù)的分散性在工程上的表征方法，即各參數(shù)服從的分布及其特征參數(shù)，此分布即為參數(shù)的先驗(yàn)分布。最終建立主要失效機(jī)理、機(jī)理模型、模型參數(shù)、主要分散性因素、各因素分散性表征(分布類型)及其特征參數(shù)的關(guān)系矩陣，其形式如表I所示。表I得到的關(guān)系矩陣
權(quán)利要求
1. 一種基于貝葉斯理論的電子產(chǎn)品壽命模型概率化方法，其特征在于該方法具體歩驟如下 步驟ー主要失效機(jī)理及物理模型的確定；根據(jù)電子產(chǎn)品所處的環(huán)境條件和工作條件，確定導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要機(jī)理，并選擇恰當(dāng)?shù)氖锢砟Ｐ停皇C(jī)理是指引起失效的物理的、化學(xué)的、生物的或其它的過程；失效物理模型是指可靠性物理學(xué)中針對某一特定的失效機(jī)理，在基本物理、化學(xué)、或其它原理的公式和試驗(yàn)回歸公式的基礎(chǔ)上，建立起來的定量地反映故障發(fā)生時間與材料、結(jié)構(gòu)、應(yīng)カ關(guān)系的數(shù)學(xué)函數(shù)模型，表達(dá)形式如下TTF =f (D，Μ, Ε)，其中，TTF是故障發(fā)生時間，D是結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，M是材料參數(shù)，E是應(yīng)カ參數(shù)；環(huán)境應(yīng)カ包括溫度、振動、濕度、電磁，溫度應(yīng)カ又分為恒溫、溫度循環(huán)、溫度沖擊，振動又分為周期振動和隨機(jī)振動，工作應(yīng)カ主要是指電應(yīng)カ； 步驟ニ 確定主要失效機(jī)理中各種分散性的來源及表征方法，包括 a.由于失效物理模型有可能是結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、材料等參數(shù)的隱函數(shù)，導(dǎo)致失效的關(guān)鍵參數(shù)沒有在模型中直接體現(xiàn)，因此要對所選的失效物理模型進(jìn)行分解研究，將參數(shù)分為材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸、エ藝缺陷以及應(yīng)カ各部分，分析這些參數(shù)是否都具有分散性，分散性是否直接以模型中的參數(shù)體現(xiàn)，是否還需要進(jìn)ー步分解，各參數(shù)之間是否具有相關(guān)性并通過主因素分析確定失效物理模型中關(guān)鍵參數(shù)的分散性來源； b.確定關(guān)鍵參數(shù)分散性的表征方法；盡管各種參數(shù)的不確定性使其不能用某一具體值表示，但其取值并不是雜亂無章的，而是在一定的范圍內(nèi)波動，服從一定的分布；因此需要通過廣泛調(diào)研或?qū)σ延械膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得這些參數(shù)的分散性在工程上的表征方法，即各參數(shù)服從的分布及其特征參數(shù)，此分布即為參數(shù)的先驗(yàn)分布，最終建立主要失效機(jī)理、機(jī)理模型、模型參數(shù)、主要分散性因素、各因素分散性表征及其特征參數(shù)的關(guān)系矩陣，其形式如下列表I所示；
全文摘要
一種基于貝葉斯理論的電子產(chǎn)品壽命模型概率化方法，它有四大步驟步驟一主要失效機(jī)理及物理模型的確定；步驟二確定主要失效機(jī)理中各種分散性的來源及表征方法；步驟三確定失效機(jī)理服從的壽命分布；步驟四基于貝葉斯理論更新參數(shù)分布，并結(jié)合失效物理模型，利用蒙特卡洛抽樣的方法獲得概率化壽命模型的數(shù)值求解。本發(fā)明是一種基于應(yīng)力損傷模型的高可靠長壽命電子產(chǎn)品失效概率計(jì)算方法，它通過分析導(dǎo)致電子產(chǎn)品故障的各種材料屬性、尺寸、應(yīng)力等因素的分散性及描述方法，在現(xiàn)有失效物理模型的基礎(chǔ)上考慮加入這些分散性因素，實(shí)現(xiàn)失效物理模型的概率化，為更準(zhǔn)確的描述故障，預(yù)測產(chǎn)品的貯存壽命提供一種新途徑。
文檔編號G06F19/00GK102651054SQ20121010376
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者康銳, 謝麗梅, 陳穎 申請人:北京航空航天大學(xué)