[发明专利]可靠性仿真方法和系统

说明书

技术领域

本发明的领域涉及对印刷电路板(PCB)组件(assembly)及相关设备执行可靠性测试的方法和系统。更具体地说，本发明涉及以有效、简单和可靠的方式对HALT测试或者其他可靠性或验证测试进行仿真的方法和系统，该测试可以在最初的设备开发阶段或者在任何后期阶段尽早地容易地执行，并且无需物理上获得被测设备或者其部件。在优选的情况下，展示了对其上装配有所有部件的PCB的HALT测试的仿真，并给出了与真实的HALT测试的结果具有非常高相关性的结果。

背景技术

在电子设备的开发中，最为重要的因素之一就是以故障率和寿命衡量的可靠性和耐久性问题。在电子工业中存在对用于在可靠性和耐久性方面优化硬件设计的有效工具的持续增长的需求。

几乎任何机械或电子设备都会遭受变化的环境条件，例如随机振动、摇动(shake)、动态冲击(dynamic shock)、温度变化等。这种变化的条件会导致设备的功能故障。显然，设计者、制造商、供应商和用户会力求避免这种故障。

为了确定设备的耐久性和可靠性，并预测和消除未来的故障，通常在设计和制造周期期间对设备(这里也称为“产品”)执行各种测试。这些测试会对被测设备施加各种动态的和热学的载荷，例如随机振动、动态冲击等，以识别可能发生故障的易损部件。

在现有技术中，一个已知的重要并被广泛接受的可靠性测试是高加速寿命测试(HALT)。HALT测试通过施加随机振动和变化温度条件形式的随机应力(stress)而对复杂疲劳问题进行仿真和激励。在HALT测试期间施加到设备上的应力通常超过预期的最极端现场条件，并且希望将产品发给用户之前，在短期内揭示出设计弱点。而常规的成败测试方法不总是提供足够的可靠性安全裕度，HALT提供了不同的方法：其理念是促使发生故障，而不是促使通过测试。

HALT测试的使用有效地提高了产品的运行裕度，创建了规定极限和实际运行极限之间的更大差距(gap)。HALT测试是在施加振动和热学载荷的室中进行的。振动是大多数HALT程序的基础。HALT使用的振动方法比较特殊。与在给定时间使用单轴加速度或激励的常规振动测试技术不同，HALT使安装在室台(chamber table)上的产品同时在六个自由度(即三个平移方向和三个旋转方向)上随机振动。除了振动以外，HALT测试的某些阶段还可能进行其他的加载程序，例如热-冷的热转变。如所述，HALT测试的目的是在产品工作于真实生活中之前发现潜在的设计弱点。通过仿真和加速产品老化，HALT测试揭示了产品的真正可靠性，并识别可能会潜伏数月或数年的与时间相关的缺陷或设计问题。当HALT测试揭示出被测产品的毛病时，需要并且通常进行设计修改，随后使用修改后的产品重复进行HALT测试。这种重复测试和设计修改可能会发生数次，直到获得了满意的结果。

已利用计算机软件对很多种实验室测试进行仿真。与需要昂贵的测试设备、人员和用于进行先期测试准备以及用于测试本身的大量时间的物理的实验室测试相比，执行计算机仿真节省了大量时间和成本。此外，显然，实验室测试需要物理样品(prototype)，而计算机仿真优选地在最初的设计过程期间且在提供可用样品之前，较早地在设计周期中进行。有几种典型的方法可用来执行这种计算机仿真。最普遍的程序之一是有限元技术，有限元技术能够分析在振动和热载荷的各种动态状况(dynamic regime)下被测设备的行为。有限元分析技术能够处理多个动态状况，包括：(a)其中力或加速度随时间变化的冲击；(b)在频域中对模型进行分析的情况下的动态频率和谐波响应；以及(c)模型受到以PSD表示的单轴随机振动的情况下的动态随机响应。术语PSD代表功率谱密度，或者更具体地说，以每频率均方加速度(g²/Hz)为单位的随机振动密度的功率。

如所述，HALT实验室测试已被认为是在现有技术中用于预测未来故障的最可信赖的测试之一。然而，尚未提供对HALT测试的仿真。如所述，HALT测试施加六自由度同时振动，而所有的现有技术有限元解决方案，包括PSD有限元分析，都在每个给定时间对单轴动态状况进行操作。现有技术尚未提供对HALT测试或者对用于预测电子或机械设备中的故障的同时进行多轴加载的其他测试的仿真。

因此，本发明的一个目的是提供无需任何物理测试设施并且无需具有物理被测对象(即被测产品本身)就能够执行的对可靠性、稳健性或者疲劳测试的仿真。

本发明的另一目的是提供无需任何物理测试设施并且无需具有物理被测对象就能够执行的对HALT测试的仿真。